崇左—愛店口岸公路寧明盆地段膨脹巖土工程特性分析及路塹邊坡防護方案研究

吳光航，沈光輝，韋永超

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

寧明盆地地處低緯度地區，且毗鄰北部灣，是我國最早發現的典型膨脹土區域之一。受海洋季風調劑，寧明盆地形成了終年溫度較高，夏季風極盛，常受臺風影響，多大雨、暴雨天氣，雨季旱季分明的亞熱帶季風氣候。特殊的氣候條件，外加地質構造作用形成了寧明盆地內典型的新進系膨脹土。工程實踐表明，無論建筑、公路等行業均需針對膨脹土采取特殊的工程應對措施，否則將會出現嚴重的病害，危及工程安全[1-2]。

本文對崇左—愛店口岸公路寧明盆地段膨脹土區域內16個勘察工點取樣試驗結果進行整理[3-4]，對塑性指數、收縮系數、膨脹力等膨脹土基本物理指標進行了歸納，并分析了劃分膨脹巖土等級指標的選取及膨脹巖土變形指標、膨脹力與膨脹巖土指標的相關性，最后針對膨脹土路段路塹特性，分析了兩種柔性防護方案的防護機理。

1 寧明盆地段膨脹巖土成因、特征

寧明盆地為新生代構造斷陷內陸湖盆地，盆地內沉積了厚約1 500 m的湖相那讀組深灰色、灰褐色黏土巖、泥質粉砂巖及部分砂巖；盆地內明江由西向東而流，形成了寧明盆地內二級階地地貌。膨脹巖土主要為殘積-坡積膨脹巖土、二級階地沖洪積沉積物。崇左-愛店口岸高速公路路線線位總體呈南北向橫穿盆地，其中路線K16+280～K27+050段位于寧明盆地膨脹巖土區域。該路線范圍內屬剝蝕淺切割丘陵地貌，谷地分布縱橫交錯，地形平緩，谷地周圍為起伏不大的微丘地貌，微丘上有樹枝狀淺溝發育，丘陵山體規模較小，頂部多呈寬緩渾圓，自然坡角多為8°～15°。

項目區域內揭露的膨脹巖土主要為兩層，上層為黃褐色、灰黃色膨脹巖土，可塑-硬塑之間，厚度約為3～4 m；下層為灰白色、灰褐色膨脹巖土，硬塑狀，厚度約為5～8 m，均以黏粒為主，土質細膩，手觸摸有滑感，旱季呈堅硬狀、雨季黏滑。

2 基本特性指標分析

2.1 天然孔隙比、塑性指數、液性指數

從試驗結果可知(圖1～3)，路線區域內膨脹土原狀樣天然孔隙比在0.3～1.1均有分布，但多集中分布在0.5～0.8，占比>80%，其余區間孔隙比占比較小；液性指數在-1～1分布，-1～0區段內分布占比>80%，說明大多膨脹巖土處于硬塑狀態，這與現場膨脹巖土的高承載力、低孔隙比相對應。

圖1 天然孔隙比柱狀圖

圖2 液性指數柱狀圖

由圖3可知，膨脹土塑性指數在10～60均有分布，占比區間最大的是30～40(占比>40%)，最高可達42；膨脹巖土具有“高塑性”特征，土體處于可塑狀態，含水量范圍較大，土顆粒細、比表面積較大、蒙脫石類等黏土礦物含量高，水化作用劇烈。

圖3 塑性指數柱狀圖

2.2 自由膨脹率、膨脹力、收縮系數

膨脹巖土自由膨脹率分布在8%～85%，大多試樣自由膨脹率<65%。膨脹力分布在0～300 kPa，大多試樣膨脹力<200 kPa，其中100～200 kPa分布占比較大(占比>55%)，但個別試樣膨脹力較大，達到297 kPa。如圖4～5所示。

圖4 自由膨脹率柱狀圖

圖5 膨脹力柱狀圖

由圖6可知，收縮系數分布在0～1.2，占比區間最大的為0.2～0.6(占比>60%)，說明區域內膨脹巖土直線收縮階段含水率每減少1%相對平均豎向變形約為0.2～0.6，少數試樣收縮系數可達1.18，說明區域內膨脹巖土收縮特性突出，這與區域內膨脹巖土的高度裂隙性相吻合。

圖6 收縮系數柱狀圖

3 膨脹巖土強度等級劃分指標分析

膨脹巖土等級的劃分隨著工程實踐及相關理論研究而不斷深化調整。公路行業標準采用了自由膨脹率、塑性指數指標分別對膨脹巖土進行分級[5]，如圖7、圖8所示；廣西區內地方標準則采用相對膨脹率、脹縮總率兩個脹縮指標雙控的方法對膨脹巖土進行等級判別[6-7]，如圖9所示。

圖7 自由膨脹率-膨脹巖土等級劃分散點圖

圖8 塑性指數-膨脹巖土等級劃分散點圖

圖9 相對膨脹率-脹縮總率的膨脹巖土等級劃分散點圖

對比圖7～9可知，由自由膨脹率指標判別的膨脹巖土等級劃分較低，而由塑性指數、相對膨脹率-脹縮總率雙指標控制的膨脹巖土等級劃分則較為接近。自由膨脹率在一定程度上表征了膨脹巖土的黏土礦物成分、粒度成分和交換陽離子成分等基本特性，故《膨脹巖土地區建筑技術規范》中采用自由膨脹率來表征膨脹潛勢，而塑性指數在表征土的顆粒、親水礦物(如蒙脫石)特性方面具有很好的吻合性，但這兩種指標作為單一指標來判別膨脹巖土等級仍然存在很大漏判風險。

膨脹巖土的等級劃分應從地質成因、脹縮機理等觀點出發才能得出合理的分級進而指導工程實踐。《鐵路工程巖土分類標準》采用了蒙脫石含量、陽離子交換量對膨脹巖土進行判別是較為合理的，但蒙脫石含量、陽離子交換量測試困難，難以在公路部門推廣應用。根據大量工程經驗、文獻研究，在該路線區域內采用相對膨脹率-脹縮總率雙指標控制的膨脹巖土等級劃分是合理的，能為工程處置提供較好依據，但針對較為重要的構筑物仍以根據荷載大小計算的脹縮變形量來劃分地基脹縮等級的方法進行判斷更為可靠。

4 膨脹巖土線變形指標分析

分別繪制試樣塑性指數、天然孔隙比與線縮率、相對膨脹率的關系如圖10～13所示。由圖可知，區域內膨脹巖土線縮率、相對膨脹率與塑性指數均有很好的線性關系。在塑性指數20～45區間內塑性指數與線縮率關系為：

圖10 塑性指數與線縮率關系散點圖

δsi=0.17IP-1.25

(1)

式中：IP——塑性指數；

δsi——線縮率。

在塑性指數25～45區間內塑性指數與相對膨脹率關系為：

δxe50=0.136IP-1.98

(2)

式中：IP——塑性指數；

δxe50——相對膨脹率。

線縮率與天然孔隙比為0.6～0.9，具有較好的相關性，隨著孔隙比的增大呈增大趨勢，但天然孔隙比、相對膨脹率之間則沒有明顯的相關關系。

圖11 塑性指數與相對膨脹率關系散點圖

圖12 天然孔隙比與線縮率關系散點圖

圖13 天然孔隙比與相對膨脹率關系散點圖

研究表明，膨脹巖土的脹縮特性控制性因素為有效蒙脫石含量，脹縮特性指標隨著蒙脫石含量的增加而呈逐漸增大的趨勢，而其他礦物含量的變化對脹縮特性的影響則非常有限。由此可知，塑性指數這一宏觀指標能較好地反映膨脹巖土的有效蒙脫石含量。

5 豎向膨脹力指標分析

依據試驗結果，繪制塑性指數-膨脹力、天然孔隙比-膨脹力、初始含水率-膨脹力關系如圖14～16所示。由圖可知，膨脹力隨著塑性指數的增大呈增大的趨勢，具有很好的相關性，在塑性指數30～45區間內，膨脹力相關性最為明顯。但天然孔隙比、初始含水率和膨脹力的相關關系則不明顯，這與膨脹巖土地層的分布多為不均勻有關。

圖14 塑性指數-膨脹力關系散點圖

圖15 天然孔隙比-膨脹力關系散點圖

圖16 初始含水率-膨脹力關系散點圖

豎向膨脹力為土體充分吸水、泡水且在側向變形為零情況下保持其體積而不發生豎向膨脹變形所需施加的最大壓力。但在實際工程中，對支擋結構的膨脹力應考慮為側向膨脹力大小，且室內土工試驗測試膨脹力條件為試樣完全浸泡在水中，而膨脹巖土除本身的低滲透率外，其遇水后土體表面膨脹將使孔隙封閉，阻止水分進一步浸入，含水率很難達到室內的飽和狀態。根據試驗結果，區域內膨脹巖土平均值、中位數值分別為83 kPa、59 kPa，而側向膨脹力約為豎向膨脹力的25%[8]，故在初步估計支擋結構的側向膨脹力時可取值14～21 kPa。鑒于膨脹巖土在微變形后膨脹力衰減較快，故區域內采用柔性支擋結構是合適的。

6 膨脹巖土路塹邊坡防護方案

路塹開挖后，在大氣干濕循環等風化應力作用下，邊坡土體內部反復膨脹收縮，裂隙逐漸發育，水平應力逐漸增大，土體開裂崩解、強度極速降低，降雨入滲后極易出現不同形式和不同程度的滑塌等變形破壞，甚至發生滑坡。綜上，設計主要遵循“防水、保濕、防風化”為主要思路，路塹邊坡防護方案如下：

(1)對開挖高度<6 m的路塹邊坡，采用“護腳墻+坡面柔性防護”方案(見后頁圖17)。坡面柔性防護分為三層：“兩布一膜”隔水層、“土工格室+水泥土”緩沖壓重層和植草綠化層。“兩布一膜”鋪設于柔性防護底部，緊貼坡面，起到防水、保濕作用；緩沖壓重層為土工格室內填充水泥土(水泥摻量為25%)，厚度為20 cm，土工格室起到固土防裂作用，相當給予具有一定強度的水泥土“加筋”作用，當邊坡發生脹縮變形后仍能維持坡面防護整體穩定性不致被破壞；植草綠化層采用客土噴播，厚度為10 cm。

圖17 “護腳墻+坡面柔性防護”方案平面圖

(2)對開挖高度>6 m的路塹邊坡，采用加筋柔性擋墻防護方案(見后頁圖18)。該方案以超挖回填土工合成材料加筋邊坡土體為主，輔以防排水系統、坡面防護系統組成，不但能承受膨脹壓力，而且允許邊坡土體產生一定的變形，可吸收邊坡土體因超固結引起的應力釋放和含水率變化產生的膨脹能，同時兼具防水、保濕作用。采用超挖回填的膨脹巖土可以很好地解決棄土增加的問題，同時，柔性擋墻施工采用壓路機施工，機械化程度高，施工質量及進度均能兼顧。

圖18 加筋柔性擋墻防護方案平面圖(cm)

7 結語

本文對崇左-愛店口岸公路寧明盆地段膨脹巖土原狀樣試驗結果進行歸納分析，探索該區域內膨脹巖土基本脹縮特性指標分布及其相關關系，同時對區域內膨脹巖土路塹防護方案進行研究，獲得主要結論如下：

(1)采用相對膨脹率、脹縮總率雙控指標的方法對膨脹巖土進行等級判別是合適的，這在膨脹土路段路塹開挖后溜塌情況得到很好驗證。采用自由膨脹率或塑性指數作為單一指標來判別膨脹巖土等級仍然存在很大漏判風險。

(2)膨脹巖土線縮率與塑性指數關系符合δsi=0.17IP-1.25(塑性指數區間為20～45)，膨脹巖土與相對膨脹率符合δxe50=0.136IP-1.98(塑性指數區間為25～45)。

(3)膨脹力與塑性指數具有很好的相關性，在初估膨脹巖土對支擋結構的膨脹力時可取為14～21 kPa。

(4)對不同高度的膨脹巖土路塹分別采用“護腳墻+坡面柔性防護”方案、加筋柔性擋墻防護方案。方案實施后效果較好，能有效解決膨脹巖土路塹問題。