公路路基路面設計中膨脹土處理分析

何文進

（江西贛北公路勘察設計院，江西 九江 332000）

0 引言

膨脹土的抗剪性一般比較強，但在土體失穩的情況下其抗剪能力會快速下降，使自身的強度降低。同時，由于膨脹土主要是由吸水性礦物組成的，所以具備一定的吸水膨脹特性，一旦失水系數下降會破壞路基路面結構。因此，在公路路基路面設計環節需要了解膨脹土的特性，可通過現場試驗或系統建模的方式驗證設計方案可行性，及時解決設計方案中存在的問題。

1 膨脹土的判別標準

在公路工程施工中，膨脹土是較為常見的不良地質條件，如果未對其進行必要的處理，會影響工程質量。在路基路面設計環節，準確判斷土質類型，不僅能保證設計方案的合理性，促進項目順利開展，還能降低不良土質對路基路面施工產生的影響。目前，對膨脹土的判別方法主要有直接法、間接法。

直接法是通過技術檢測的方式確定土體的膨脹量、礦物含量，進而進行土質判斷。

間接法是利用間接性的指標進行判斷，如有線膨脹率、塑性指數、膨脹率、比表面積等。

無論選擇哪種判別方法，都要遵循相應的標準與規范，做好對各項指標的分析與判斷工作，提高判斷的準確度，為公路工程的順利開展奠定基礎條件。

由于膨脹土主要是由蒙脫石、伊利石等親水性黏土礦物質構成的，且內部存在較多的裂隙，所以對水有著較高的敏感性，其最顯著的特性是吸水膨脹性與失水收縮性，土體失水或者浸水都會給道路造成一定的破壞和影響。在膨脹土判別過程中，應該從土體外觀、土質分布范圍、試驗檢測（自由膨脹率）等方面入手，通過綜合分析確定其是否屬于膨脹土。

外觀：一般呈棕、黃、褐色及灰白等色，常呈斑狀。分布范圍：多分布在盆地內崗，山前丘陵地帶，二、三級階地上。試驗檢測：經檢測，自由膨脹率超出40%則可初步判定為膨脹土。就目前的判定方式來說，試驗檢測方式的準確度最高。

2 膨脹土對地基的危害

在膨脹土地質條件下所建設的公路項目容易發生病害問題。所以，在公路路基路面設計中，技術人員與設計人員必須對這些病害問題有足夠的認識，結合具體情況設計合理的處理方案，從而確保公路工程的整體質量合格，滿足交通運行標準。

第一，由于膨脹土的力學特性比較特殊，所以需要從膨脹變形性、強度穩定性方面展開分析。在對膨脹土的分析中，強度是十分重要的參數，也是影響道路工程整體穩定性的關鍵參數，必須對其有足夠的重視。如果膨脹土的強度發生改變，公路工程的填料則會發生滑動變化的情況。公路在運行期間，會長期受到車輛的碾壓，由于膨脹土的力學特性比較特殊，在荷載過大及外部氣候因素的影響下，膨脹土的強度會降低，路基、路面會因此發生變形，嚴重情況下甚至會發生公路滑坡等病害問題，嚴重威脅道路的交通運行安全。

第二，水是影響路基穩定性的重要性因素，膨潤土處于缺水的條件下，會發生不均勻的收縮問題，外部表現就是路基結構發生了不均勻的變形，通常以波浪型、傾斜型的形式存在；有水進入到膨潤土結構內，強度性能流失比較嚴重，結構變形并不大，如果再加上外部車輛碾壓作用，極易導致路面結構發生不均勻沉降的問題，結構變形就會變得非常明顯。尤其是受到外部荷載持續作用，導致結構發生裂縫的問題，路面結構損壞嚴重，多數情況下都不能修補處理。即使有些部位可以進行修補，也需要投入較多的人力、物力、財力，資源損失嚴重，運營成本升高，阻礙交通事業發展。

3 工程概況

某公路項目是國家重點建設的干線項目，其中一個標段的工程長度為94.02km。經現場勘察發現該路線經過的區域是典型的膨潤土地質條件，土壤中有大量的膨脹性黏土礦物。且該地區的氣候為亞熱帶季風性大陸氣候，全年最高溫度達41.3C，全年平均氣溫在 13.8～15.9C，年平均降雨量為 704.1～1174.3mm，每年的7～9月集中降雨，其他月份的降雨量極少。根據地質勘察結果，在該項目的整個施工范圍內，膨脹土分布路段在總路段中的占比為54.21%，且以弱、中膨脹土為主，強膨脹土的比例很小，集中在某個區域。路堤采用填方施工處理方式，為了能夠節約建筑工程材料，符合當地工程建設需要，將施工區域內大量的膨脹土作為路基填筑材料應用。為了確保工程的質量合格，應該對膨脹土做出改性處理，以達到工程運行的標準。

4 膨脹土路基填筑方案

在公路路基施工中盡量不要采用大填大挖的作業方式，同時還應該確保淺路塹、低路堤、路基結構都達到穩定的標準。目前對于膨脹土改性來說，加入石灰的方式比較常見，但是需要做好加入比例的控制，通常根據要求，改性后膨脹收縮率控制在0.7 以內才算合格。路基填筑施工方案確定時，技術人員對比多種改性方案，并與全換填作業方式對比，詳見表1 所示。弱膨脹土與中膨脹土需要加入的石灰比例分別是5%和7%，由于在現場施工中，會存在石灰損耗的情況，這就需要根據實驗室的標準作為基礎，增加1%的加入比例，保證最終的處理效果合格。此次工程的設計人員，分析發現加入石灰進行膨脹土改性處理，工藝復雜性較高，質量控制難度大，成本也比較高，但是路基填筑施工質量與壓實控制要求較高，所以項目沿線取土場山皮土壓實檢測難度高，而線路周邊區域的膨脹土儲量比較豐富。經過多方面考察分析，最終確定加入6%的石灰以完成膨脹土改性處理。

表1 方案比較

對比內容工藝質量資源利用是否選擇膨脹土改性通過檢測膨脹土性能，對摻拌灰量進行調節，過程較為煩瑣，施工進度控制較難受到土質變化與石灰量影響，質量控制難度大通過利用挖方資源，直接進行材料改良，能源損耗低是全部換填另外購買填筑材料，按照常規工藝操作，操作較為簡單質量控制較為容易需要動新土，資源利用率低，生態環保性差否

5 膨脹土路基設計

5.1 路基坡率

在該項目路基坡率設計環節，沒有按照相應標準要求的坡率進行設計，而是選擇應用相同類型的公路工程項目作為參考，模擬力學分析模型，最終確定了變坡率的設計方案。在臨近位置按照為0.4m×0.4m尺寸設置截水溝。在該項目工程中，邊坡的設計按照規范參數進行，相關的邊坡率可適當地優化，這樣才能切實地將坡腳的土體壓力減小，同時還能夠達到坡腳支撐的效果，防止發生嚴重變形的問題，提高邊坡結構的穩定性和道路工程安全性。

5.2 排水溝及護坡道

結合項目的實際情況，根據水力參數進行計算，內外坡全部按1∶1 設計，深度設定為0.8m，形式為倒梯形的排水溝完全符合路面排水的要求，這樣水溝中的水就不會給路床與路基造成影響。設計環節明確加寬位置、設置排水溝，溝底與路床頂面保持40cm 以上的距離。技術人員對路塹路床展開分析，確定排水溝中的水并不會給路床的狀態造成過大影響，所以將排水溝底部寬度、深度都增加到1.0m。坡腳外緣部位設計寬度為2.0m 的護坡道的結構，有效地預防邊坡碎石滾落到排水溝內而發生堵塞，從而保持內部水流的通暢性。

5.3 路基處理

技術人員對現場進行全面的勘察，發現該區域的大氣影響參數在3～5m 之間，大氣急劇影響深度不超過1.6m。在道路運行的過程中，若大氣急劇下降就會導致路面結構出現損壞、變形等問題，故而在該工程中膨脹土路基、路面結構的總體厚度設定為1.6m以上。在路基施工中采取分層填筑的施工方式，經過碾壓可以達到結構密實度的標準要求，但是對膨脹土的微結構依然會存在著較大的影響，且膨脹性能并不會完全消失，遇水后容易發生體積變大的情況。因此，技術人員在膨脹土處理中，要根據現場的情況進行分析，了解是否存在影響因素，綜合路床與路堤結構，才能確定最佳的實施方案。路塹部分由于膨脹土存在固結性的特點，所以應用防水處理方式，結構強度提升比較明顯。所以技術人員需要按照既有的施工標準，采取科學的處理方式進行操作。

5.3.1 弱膨脹土路基處理

在弱膨脹土路基處理環節，需要考慮膨脹土的承載性能，并且在掌握路面結構與路床厚度參數以后，優化處理方式。一般來說對上下路床處理時，加入石灰比例按6%、5%進行施工，壓實度達到95%以上。在路基高度處于1.52～2.22m 之間時，加入石灰的比例不變。

通過相關檢查發現路床下部材料無法滿足承載要求標準時，此時應該按照加入4%的石灰處理，壓實度達到93%及以上，該比例并不能消除路基土的膨脹性特點。但是黏粒與膠粒含量有效降低，膨脹反應大大減小，并且加入石灰后，填料的CBR 值提升較為明顯。在路基填筑高度超過2.22m 的情況下，根據以上方法開展路床與路堤部分的處理，且路基作用區一般在路面以下2.0m 空間，下路堤路基填料按照CBR≥3即可滿足要求。因此，在弱膨脹土的含水量升高的情況，需要對壓實度、CBR 值都必須進行控制，使其達到技術標準和規范的要求。在該項目中膨脹土路堤反應不明顯，因此不需要進行特殊處理。由于該公路項目的膨脹土區域位于強風化區域，脹縮的反應較為明顯，極易出現干濕循環的變化特點，給邊坡造成過大的損壞和影響，所以此時的邊坡需要使用厚度為5cm的非膨脹土進行包邊。下路堤對于沒有摻灰的部分，一般需要加入6%的石灰土，并且制作尺寸為6cm 的垂直厚度包邊，從而達到結構安全性、穩定性的標準。但是在施工中需要注意的是，非膨脹包邊土與石灰處置土填料應該同層碾壓施工，提高結構運行的效果。

5.3.2 中膨脹土路基處理

針對中膨脹土路基處理主要是針對路面結構厚度在0.72cm 以及路床厚度為0.8m 的區域進行處理。針對此類情況當路基高度達到1.52m 時，分別對上下路床處理，加入石灰比例按6%、5%進行施工，壓實度達到95% 以上。在路基高度處于1.52～2.22m 之間時，加入石灰的比例不變，并且加入6.5%的石灰土進行處理，深度在70cm 以內的路堤，壓實度在93% 以上。在路基填筑高度超過2.22m 的情況下，根據以上方法開展路床與路堤部分的處理，分析膨脹性、經濟性方面，選擇應用4% 的石灰土處理，壓實度超過93%。針對邊坡路面以下的施工位置，采用非膨脹土作為材料進行包邊。

5.3.3 填挖交界處路基處理

填挖交界部位的路基來說，除了應該根據正常的膨脹土路基高度的處理外，還需要在路床施工范圍中采用玻璃纖維進行鋪設，有效地預防含水量發生變化而造成的結構不均勻沉降，從而使結構穩定性得到提升。

5.3.4 地下水位的影響

地下水的影響是一直都存在的，如果水位較高，在表層清理結束之后，采用砂礫在現場鋪設墊層結構，墊層底面的高度需要超過溝底70cm 左右，同時考慮到地下水位的影響，邊坡的高度要增加一定的距離，這樣才能將積水迅速排出。在墊層以上位置按照膨脹土的特性，明確路基的高度。在地下水位比較高的位置按照80cm 開挖的標準，采用摻灰對其進行處理，同時在超挖距離達到30～50cm 以后，需要使用砂礫石鋪設墊層。在邊溝下部設置碎石盲溝，寬60cm、深50cm，外包反濾土工布結構，同時在施工區域采用波紋管進行鋪設。針對墊層以上的路床位置，采用摻灰處理方式進行處理。

6 膨脹土路基處理效果

綜合分析此次公路工程項目多個路段部分的膨脹土特性，經過路堤試驗分析，進行摻灰處理工作結束后，發現試驗結果與工程情況是基本相同的，但是在進行摻灰比例的檢測環節存在著較高的難度，容易發生比較大的偏差。基于此，此工程采用的是無側限抗壓強度的方式進行試驗，試驗結果為：當摻入量為8%、7%、6%、5%、4% 時，膨脹土的對應強度分為0.8MPa、0.7MPa、0.7MPa、0.6MPa 和0.5MPa。按照該結果參數，該工程在路塹邊坡位置上設置墊層結構，且在周邊設置排水盲溝。經過現場一段時間的運行，這種處理措施的優勢較為明顯，且在一個降雨期后，盲溝排水完全達到正常的狀態。在當年雨季運行后，檢查現場運行的情況，盲溝流水通常，排水效果良好，施工狀態符合預先設定的標準。

7 結語

在公路施工中膨脹土是比較普遍的一種地質條件，在路基路面工程施工中，給現場施工的質量造成影響比較大，因此，在公路路基路面設計的過程中，需要合現場的情況，采取必要的應對處理措施，才能使公路工程得以有效的運行。在膨脹土處理中，目前廣泛應用的處理措施是摻灰處理，按照不同條件確定合適的摻灰比例，確保路基路面結構的性能符合要求。同時在往后工作中，針對膨脹土的處理，還要從材料設計、結構設計方面做好優化，減少路基面沉陷、坍塌等問題出現。