都安高速公路高嶺土路基施工技術研究

周曉璽 楊露

摘 要：膨脹土是一種特殊性黏土，具有多裂隙、易風化、顯著脹縮、反復破壞等特性，對環境的濕熱變化敏感，處理不當易引發工程病害。因此，膨脹土地區修建公路，常常需要對膨脹土進行處治，以解決膨脹土的工程問題，保證公路長期穩定、健康運行。

關鍵詞：高嶺土;膨脹;路基處理;邊坡防護

1 引言

膨脹土具有遇水膨脹、失水收縮且浸水強度衰減等特性，對高速公路施工及運營存在極大的破壞作用。公路膨脹土路基會產生如路堤沉陷滑移、邊坡失穩等多種病害。如果不及時處理或處理不當，后期將會造成嚴重破壞，導致高速公路難以正常、安全地投入使用。因此，在高速公路施工中，一定要做好膨脹土路基處理工作。

2 工程概況

都勻至安順公路T18合同段K112+810～K113+000、K114+600～K114+800兩段挖方開挖揭露為高嶺土。經土工試驗測量，天然含水率30%，液限為45%，塑限約24%，塑性指數約21%，最大干密度為1.92g/cm3，膨脹量為1.5%～3.0%，屬于中等膨脹土，經計算其天然稠度=（液限-天然含水率）/塑限=0.625<1，表明土體結團嚴重，極難晾曬，即使土體表面晾曬干了，土團內部仍是濕的。因此不能直接用于路基的填筑。

3高速公路膨脹土路基施工工藝

由于以往公路建設對膨脹土的認識不足，膨脹土曾一度被當作正常填料直接使用，當用膨脹土填筑的路基發生開裂、沉陷或坍塌等病害，人們又將其全部廢棄不用。不加限制的使用和全部廢棄不用膨脹土同樣都是十分不利的。前者會造成嚴重的質量隱患，后者會造成大量的廢方和借方，而在膨脹土地區，棄土困難，周圍如果沒有好土利用，將阻礙工程進展，增加工程投資。因此，如何充分認識和適當利用膨脹土，在公路工程建設中是個亟待解決的現實問題。故本文擬結合室內試驗成果，對膨脹土在填方路基的應用及膨脹土挖方路基的穩定加固技術進行探討。

3.1 膨脹土填筑路堤

3.1.1 膨脹土填筑路堤穩定加固技術的處理原則

（1）防滲保濕。膨脹土的脹縮性受水分影響明顯，只有杜絕水分在路堤內的遷移，才能使膨脹土路堤處于穩定的狀態當中。工程實踐證明，位于填芯部位的膨脹土其水分變化很小，基本不受外界氣候條件的影響，而位于邊坡部位的膨脹土則存在一個大氣影響區，其水分遷移明顯。因此，要對膨脹土路堤，特別是邊坡部位需采取一定的防滲保濕措施。膨脹土包芯填筑設計圖如下圖所示。膨脹土填筑在90區，膨脹土的填筑高度H≤6m，93、96區、基底和邊坡兩邊的包邊區用好土填筑，包邊厚度根據大氣影響深度確定，一般為3～5m。

（2）石灰改良。由于高嶺膨脹土有著較強的親水性和膨脹性，石灰改性一方面利用石灰中的 Ca2+、Mg2+等離子來替換膨脹土中的Na+、K+等離子，增強土顆粒之間的結合力，提高土體的強度，從而改善土的性質;另一方面，石灰中的CaO和土中的SiO2、Al2O3之間通過化學反應生成鋁酸鈣水化物、硅酸鈣鹽等化合物，產生較強粘合作用，提高土的強度。將配置好的石灰試劑與膨脹土進行充分接觸混合，從而促使膨脹土內部發生物理化學反應，土的內部結構出現變化，降低或消除膨脹土的膨脹性，增強其膨脹土路基的水穩定性。在包邊路堤施工中，包邊部分與填心部分同時鋪設中弱膨脹土，用路拌機打碎，并輕壓1～2遍，然后對兩側包邊部分灑鋪石灰并攪拌均勻，最后對包邊部分與內部填料同步進行碾壓，即完成一個碾壓層的施工。

為了確定最佳的摻灰量，工地實驗室分別選取了1%、2%、3%、4%、5%、6%的摻灰量進行試驗，試驗結果為養護7d后的石灰改良土的脹縮率分別是1.6%、1.2%、0.7%、0.51%、0.40%、0.37%，石灰改良土的CBR值分別為32.5%、57.5%、60.5%、66.7%、67.8%、68.2%。+根據試驗結果，當摻灰量小于等于4%時，隨著摻灰量的增加，石灰改良土的膨脹率和CBR改良最明顯，效果最佳，但大于4%后，效果已不再明顯，從而得出最經濟的摻灰率為4%。

（3）土工格柵加固膨脹土路堤。除采用包邊土處理外，還可以采用土工格柵加固膨脹土路堤。如下圖所示，路堤邊坡的中下部往往因不能抵抗水平膨脹力的作用而產生破壞。填筑前先用水穩性好、顆粒較大的好土填筑，必要時可考慮超寬填筑，以削弱地下水的上升對路堤底部的影響。在大氣作用下，膨脹土路堤邊坡易產生反復脹縮，形成縱向裂縫，強度降低。邊坡裂縫的存在隨著時間的推移會向路堤內部發展，從而導致路基縱向開裂，強度降低。因此可鋪設土工格柵，在路堤下部兩層土工格柵的錨固長度為6m，防止路堤底部因水平膨脹而產生破壞。路堤中部土工格柵的錨固長度為3m，起加固邊坡，制約路堤膨脹變形的作用。在路堤上部兩層土工格柵的錨固長度為6m，以防止路堤的縱向水平位移使其上填土及路面產生差異沉降。

（4）土石互層填筑膨脹土路堤。基底采用水穩定性好的填石基底，避免毛細水位上升，然后每填筑1.25m膨脹土后，采用0.4m的黏性土封層，上路堤及路床均需要采用好的填料填筑，且每層填料均需設置2%的雙向人字橫坡。

基于上述的各類方案分析研究，鑒于當地無石灰生產廠家，需要外購，都安高速T18合同段對K112+810～K113+000、K114+600～K114+800兩段路基挖方填料的利用采用了土石互層的處理方式，路基填筑了通過3個月的沉降觀測，沉降-位移曲線收斂，滿足設計要求。

3.1.2 膨脹土開挖路塹

由于膨脹土邊坡上的水分蒸發和收縮開裂、降雨在邊坡上形成徑流沖刷邊坡、膨脹土吸水膨脹以及雨水滲入邊坡內部，使邊坡土塊崩解，土體抗剪強度衰減，造成邊坡的溜塌、滑坡、下沉、移位等變形病害現象十分突出，影響行車安全。且膨脹土邊坡變形和破壞常常具有多次反復性和長期潛在危險性的特點，需要在前期設計和施工過程中引起足夠的重視，防患于未然。

（1）膨脹土滑坡的力學機理分析：膨脹土塹坡滑動的力學機理就是塹坡連續破壞中滑動面的形成和土體抗剪強度衰減的過程，滑動面的形成是在滑體發生位移過程中發生和發展的。其過程可分為三個階段：

1）初級張裂破壞階段：由于塹坡局部蠕變，滑坡后緣開始出現張裂縫，隨著深部土體含水量的增加，土體充分軟化，在潛在滑動面上出現封閉式的塑性剪切區，相當于τ～σ曲線有中ab段。

2）剪切面擴展階段：當主剪切區發展到相當程度，土體中部有些不連續剪切的軟化剪切區終于逐漸連在一起形成了剪切面，土體顆粒重新排列。但滑坡前緣還處于不受壓狀態，故滑面仍未貫通于下部，相當于τ～σ曲線中的bc段。

3）滑體位移階段：剪切面的不斷擴展，使滑坡前緣受壓隆起和剪壞，與剪切區和拉伸區的滑面貫通。此時滑面上的強度只能是發揮其殘余強度，相當于τ～σ曲線中的c點，這時整個滑體發生水平位移（圖5）。

（2）膨脹土邊坡處理技術研究：1）保持邊坡土體天然含水量狀態的相對穩定，應防止地面水與地下水滲入路塹邊坡。含水量的穩定與膨脹土的大氣影響深度及邊坡的內外排水設計密切相關。一般建議將膨脹土邊坡采用護面墻、拱形骨架、噴射混凝土或者鋪設土工布封閉保水。

2）保持邊坡土體足夠的抗剪強度，應防止土體強度的衰減。由于膨脹土路塹邊坡在長期干濕環境下，極易產生破壞，且根據全國各地實際施工經驗，一般坡比不應小于1：1.5，對于高邊坡、高膨脹性土還應根據現場實際情況進一步放緩。

基于上述的分析研究，都安高速T18合同段對K112+810～K113+000、K114+600～K114+800兩段路基挖方邊坡采用了現澆拱形骨架+土工布膜覆蓋處理，且將邊坡由1：1放緩至1：1.5，修建完成后，坡面完好，雨水未能深入路塹邊坡，保證了邊坡的整體穩定性。

4 結束語

本文通過都安高速高嶺土路基的填方和挖方的設計變更過程，總結了膨脹土路基的施工技術措施，對今后遇到同樣的問題提供了一定的指導性意見，保證了路基的安全穩定性，保證了工期并節約了工程造價。

參考文獻：

[1]楊果林.潭邵高速公路膨脹土處治技術研究[D].長沙：湖南大學，2003.

[2]膨脹土地區建筑技術規范（GBJ112-87）[M].北京：中國建筑工業出版社，1987：22-24.

[3]鄔建峰，高亞軍，武瑞峰.公路工程中的膨脹土問題[J].山西交通科技，2003（增）：18-20.

[4]肖榮久.陜南膨脹土及其地質災害研究[M].西安：陜西科學技術出版社，1995.

[5]陳善雄，孔令偉，郭愛國.膨脹土工程特性及其石灰改性試驗研究[J].巖土力學，2002，23（增）：9-12.