公路工程膨脹土路基設計分析

劉陽河

（中國公路工程咨詢集團有限公司,北京 100089）

0 引言

近年來，伴隨我國公路工程不斷快速發展，路基設計中遇到膨脹土的問題日益增多，對公路工程建設影響很大。因此在公路工程地質勘察工作中，需正確識別膨脹土與非膨脹土，并準確地判斷出膨脹土的脹縮性，有助于公路路基設計與地基處理工作，對保障公路路基安全具有重大意義。

1 膨脹土的特性分析

膨脹土具有明顯的漲縮特性，對水較為敏感，吸水膨脹、失水收縮。在膨脹土路基施工中，易由于膨脹土性質的特殊性誘發路基質量問題，嚴重時會影響公路整體的建設與運營效果。為此，首先需明確膨脹土的特性，再采取適宜的應對措施，改善膨脹土的不良性質。關于膨脹土的特性，做如下分析：

1.1 強度特性

膨脹土在不同條件下的強度特性存在差異，常規狀況下抗剪強度高，穩定性不足時抗剪強度顯著降低。相關學者根據膨脹土在穩定程度不同時期的抗剪強度展開深入研究，提出飽和土強度理論和非飽和土強度理論，兩種理論從不同的角度對膨脹土特性的成因做出闡述。

1.2 吸水膨脹、失水收縮特性

膨脹土含有吸水性礦物，吸水時強度降低，失水時強度提高。膨脹土在含水量偏高或偏低時發生膨脹或收縮變化，均會影響路基穩定性。因此，若解決膨脹土路基的膨脹收縮問題，需探明膨脹土在不同含水量下的特性，再做相應的處理。縱觀行業發展趨勢，工程技術人員對膨脹土的吸水膨脹、失水收縮特性予以高度的關注，持續組織試驗并建立模型，以期通過高效的方式解決路基損壞問題。

2 公路工程路基設計中的膨脹土處理方法

根據上述對膨脹土基本特性的分析，進一步探討膨脹土的處理方法，如下：

2.1 石灰改良膨脹土

向膨脹土中加入生石灰是常見的膨脹土改良方法，生石灰的摻入有助于改善土壤的膨脹性能，提高土壤的水穩性和強度，經過改良后的膨脹土更具穩定性。從改良效果來看，石灰改良的方法具有可行性，但對工藝要求較高，例如須精準控制生石灰的用量。

2.2 土工格柵加筋法改良膨脹土

通過土工格柵加筋法的應用，可提升公路路面的整體性和抗剪性，可避免由路基強度不足而誘發局部下陷、受損等問題。得益于土工格柵的抗拉性能，在膨脹土缺水收縮時可吸收此過程產生的收縮力，避免路基由于受力過強而失穩，取得良好的路基防護效果。土工格柵在緩解公路地面裂紋方面也有突出的作用，若有水分滲入膨脹土，會在一定程度上解決膨脹土吸水膨脹后硬度降低的問題。

2.3 加強路表排水系統的建設

公路建設于自然環境中，降雨、日曬均會對公路帶來侵蝕作用，若存在膨脹土路基，經過雨水的滲透，膨脹土吸水膨脹，性能惡化，影響路基的穩定性[1]。因此，要建設排水系統，提高排水效率，避免現場形成積水。施工中，可以考慮在路堤邊坡處修筑路肩排水溝，阻止雨水滲透至公路中，在減弱水侵蝕作用后，保證公路路基的完整性和穩定性。同時，公路表面聚積過量雨水時會導致車輛打滑，嚴重時誘發交通事故，故加強排水設施的建設也具有必要性。公路排水系統的建設遵循因地制宜的原則，各路段的氣候條件、公路運營狀態存在差異，對應的排水系統也需得到優化。

2.4 以換填土的方式處理膨脹土

對于公路路基施工中膨脹土的處理，還可考慮換填土的方法，選取的土料應具有滲透性，應用優質的土料改善膨脹土的特性。經過對膨脹土表面的換填處理后，緩解膨脹土吸水或失水而引發的脹縮現象，使膨脹土的形態維持穩定，避免公路路基受損[2]。為保證換填土的應用效果，需嚴格按照相關標準控制換填高度。必要時，在膨脹土上方覆蓋其他的土質，用于提高地基的承載性能，此時對膨脹土特性的改良效果得到進一步的保障，能夠消除膨脹土對地基造成危害的異常狀況。根據膨脹土特性、現場施工條件等選擇適宜的換填土料，條件允許時適量填入小石子。為減少換填工作量，換填時遵循因地制宜的原則，根據現場情況選擇局部換填或是完全換填的方法，并對換填的高度做靈活的調整。著重考慮對大氣變化較為敏感的膨脹土，經過換填后改善地基土質條件。經驗表明，換填法在公路路基膨脹土處理中廣泛應用，是一種處理效果好、實用性強、經濟效益突出的施工方法。

3 膨脹土路基設計實際應用

3.1 工程概況

該文以某公路工程為研究對象，總長為94.029 km，處于膨脹土區域，受溫度、氣候等因素的影響，較易形成膨脹性黏土礦物。據地勘報告可以得知，此公路工程約有50%的路段分布有膨脹土，且其中大部分為弱中膨脹土，局部存在強膨脹土。據初步設計，該路段開挖膨脹土至少有120萬m3，路基設計仍沿用傳統方案，必然會增加建設費用，并嚴重破壞周邊沿線生態環境。為此，該公路工程重新對路段膨脹土進行研究分析，對照新的膨脹土分類指標體系，設計了新的路基設計方案，具體如下。

3.2 膨脹土路基設計

3.2.1 路基處置深度

從膨脹土性質角度來分析，其脹縮性能會受到多種因素的影響，如：環境濕度、氣候條件等，表層膨脹土隨著環境的變化，其脹縮性能也會隨之變化，極易發生強度衰減狀況，但是深層膨脹土卻受環境因素的影響程度較小，不會產生大幅度的脹縮變形，具有較高的強度。針對此，該公路工程路基設計過程中，必須對路基進行合理處理，明確處置深度。挖方與零填路段在確定路基深度時，可根據相關規定進行處置，如：選擇膨脹土換填層厚度確定法，主要就是根據膨脹土路基構筑物承載力超出基底單位面積膨脹力確定處置深度，具體公式如下：

式中，h——零填及挖方路段膨脹土地基處置深度（cm）；δep0——膨脹土試驗卸荷至零時的膨脹率（%），取7%。

3.2.2 路基坡率

該工程公路膨脹土路基設計，并未遵循相關標準規定的坡率，而是選擇了變坡率的方法，主要依據為同類公路工程地質比擬積力學，分析具體見表1。

表1 公路膨脹土邏輯邊坡坡率

靠近平臺路塹內側位置，可以增設截水溝，尺寸為0.4 m×0.4 m，選材為漿砌石，路堤平臺位置，則可不設截水溝。此種設計方法，不僅能夠充分支撐坡腳，防止邊坡變形，還能夠有效減緩邊坡承受的高邊坡土體壓力，便于維護邊坡穩定性。

3.2.3 排水溝及護坡道

結合水力計算可知，內外坡率均為1∶1，且底寬、深度均為0.8 m的倒梯形排水溝能在滿足路基路面排水要求的基礎上降低排水溝內水對路基、路床結構的不利影響，所以應適當加寬、加深膨脹土段排水溝，使溝底達到路床頂面以下40 cm以上。綜合考慮路塹路床改性處理的具體要求，排水溝內水對路床干濕狀態并無較大影響，所以應將排水溝底寬和深度均增大至1.0 m。在坡腳外緣增設寬度2.0 m的護坡道，以起到阻止邊坡碎石滾落入排水溝堵塞溝體及減弱溝內水對坡腳不利影響的雙重作用。

3.2.4 路基處理

對該文案例工程進行地質勘查得出，該文工程膨脹土分布位置大氣影響深度范圍約為3.0～5.0 m，大氣急劇影響深度范圍約為1.6 m，受大氣急劇影響，公路工程路基路面就會受到不利影響，出現多種病害問題，如：路基結構變形、邊坡破壞等[3]。針對此，該工程設計膨脹土路基與路面結構總厚度時，確定最小值為1.6 m。路堤段處理選擇分層填筑方法，碾壓作業后會破壞土體結構，但卻能夠保留膨脹土微結構與土質特性，同時受膨脹土特性的影響，其膨脹性能會隨含水量變化而不斷增大，因此此環節應充分考慮路床、上路堤兩方面因素。路塹段處理注意采取有效防水措施，因膨脹土具有固結性特點，所以此措施實施后膨脹土結構強度會有所提高。基于此，該工程路基處理僅考慮加固路床，具體設計思路如下：

（1）弱膨脹土路基處理。在弱膨脹土路段，其路面結構層厚度小于0.72 m，路床厚度小于0.8 m，路基高度不超過1.52 m，上路床采用6%石灰土，下路床采用5%石灰土，確保95%以上壓實度。若路基高度在1.52～2.22 m內，那么路床摻灰量與壓實度均需維持不變。若路床填料CBR值經檢驗，其強度不符合相關規定，那么摻灰量則應做出相應改變，約4%石灰，壓實度需超過93%，雖然此解決措施未有效解決路基土膨脹性特點，但能夠有效降低其黏粒和膠粒含量，一定程度上減緩膨脹速度，同時摻灰也便于提高填料CBR值。當路基高度大于2.2 m時，可采取上述方法處理路床與上路堤，摻灰比例一致。一般而言，路基作用區域主要為路面下2.0 m位置，所以僅要求填料強度CBR值不小于3。當弱膨脹土含水量處于增大階段，但壓實度與CBR值符合規定，故而該公路工程并不對膨脹土下路堤進行處理優化。該公路膨脹土邊坡土體地處于強風化位置，土體出現脹縮效應，可能與干濕循環因素有關，進而破壞了邊坡穩定性，所以還應對邊坡進行有效處理，采用50 cm厚的非膨脹土對其進行包邊。下路堤當中沒有摻灰處理的邊坡，也應進行包邊處理，采用6%石灰土，以60 cm垂直厚度進行處理。另外，非膨脹包邊土應與石灰進行同層碾壓處理[4]。

（2）中膨脹土路基處理。中膨脹土路段路面結構層厚度在0.72 m以下、路床厚度在0.8 m以下，路基高度不足1.52 m時，上下路床分別采用8%和7%的石灰土，壓實度至少達到95%及以上。當路基高度在1.52～2.22 m之間時，路床摻灰量和壓實度不變，且采用6.5%石灰土處治地面以上70 cm范圍內的路堤，壓實度至少為93%。而路基高度超出2.22 m時，路床和上路堤摻灰量和壓實度不變，僅從脹縮性和經濟性角度考慮用采用4%石灰土進行膨脹土改性處置，且壓實度至少為93%。邊坡路面結構層以下采用非膨脹土，按50 cm厚度包邊。

（3）填挖交界處路基處理。對于填挖交界處路基，除應按照膨脹土路基高度進行常規性處理外，還應在路床范圍內增設三層強度至少60 kN/m、延伸率不超過4%的雙向玻纖土工格柵材料，避免含水量改變導致路基發生不均勻沉降，保證路基結構穩定。

（4）地下水位影響。地下水位高的路堤段應在清表處理后增設厚度30～50 cm的砂礫石墊層，并按照墊層底面應高出邊溝底面至少70 cm的要求加深路段邊溝，便于墊層內的水順利排出。墊層以上設計主要根據膨脹土類型及路基設計高度具體確定。地下水位高的路塹段應按照路床超挖80 cm的要求摻灰處理，并超挖30～50 cm后增設砂礫石墊層，還應在邊溝以下增設60 cm寬、50 cm深的碎石盲溝，外包反濾土工布，并將內徑15 cm的高密度聚乙烯雙壁打孔波紋管增設在盲溝底部。

3.3 施工中應注意的事項

因膨脹土性質較為特殊，若在實際施工中未選擇恰當的處理方法，在后續使用期間必然會出現病害問題[5]。應提前了解當地氣候條件，避免在雨水多的季節進行施工，且路基填筑環節應注意保持連續性，尤其要控制內部含水量，確保符合施工標準。在整個施工過程當中，路塹邊坡占據十分重要的地位，需注意遵循自然原則，確保能夠充分滿足施工要求。與此同時，還需采取相應支擋措施，注意實施防水處理，合理設置排水系統，防止施工過程中出現大量積水，以免影響施工質量。

4 結束語

膨脹土具有較強的脹縮性、超固性等特點，而且受環境、大氣等因素影響，其含水率會發生大幅度的變化，進而加大工程施工難度。所以，在實際設計公路工程膨脹土路基時，提高對其特性的重視，根據實際情況，采取相應防水、排水、加固等措施，充分保障路基穩定性與安全性，確保公路工程整體質量。