平果至南寧高速公路膨脹土路基處理技術研究

陳文政

(廣西百寧高速公路有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

在高速公路工程項目施工中，經常遇到膨脹土等相關不良地質條件。由于膨脹土具有在水環境變化的條件下可產生往復變形的特性，容易對路基施工的穩定性造成不利影響，導致路基路面和邊坡破壞，且不易修復，因此要對其進行細致、嚴格的處理，以確保工程穩定和優質的施工質量。近年來，隨著眾多高速公路項目建設實施，如何進行膨脹土路基的處理也受到了公路工程建設者們的廣泛關注，必須采取有效措施防止此類土質條件對路基施工質量造成的不利影響，促進高速公路全壽命周期效益最大化。

1 膨脹土的工程特性

膨脹土主要由親水性礦物質組成，具有失水收縮和吸水膨脹兩種變形特征，多次重復發生膨脹與收縮形變將導致膨脹土強度減弱，易固結性能差[1]。在公路工程建設中遇到這類土質，需采用一定的方法進行處理。因此，清晰全面地了解膨脹土的具體脹縮性能具有重要意義。引起膨脹土吸水膨脹和失水收縮主要有內外兩種因素：內部因素主要是由于其含有親水性礦物質，主要是SiO2、Al2O3、和Fe2O3，以及內部黏土含量、孔隙度、水分含量、微觀結構和結構強度等；外部因素則主要在于降水、蒸發等氣候因素以及壓力、地形、綠化、陽光、溫度等條件的影響。

膨脹土的水分轉移與含水量變化是其產生脹縮的關鍵因素。通過精細測定膨脹土自由膨脹率以及壓力膨脹率等參數的試驗數據表明，膨脹土在膨脹率較低時，其含水量相對較高，這說明自由膨脹率測定在膨脹土工程建設中起著重要的作用。根據膨脹土中的化學成分、黏粒含量等不同而表現出的脹縮潛勢的不同，按照《公路工程地質勘察規范》(JTG C20-2011)，膨脹土可分為強膨脹土、中等膨脹土和弱膨脹土，主要是根據其塑性指數、自由膨脹率Fs和標準吸濕含水率來進行劃分，如：Fs≥90%為強膨脹土；60%≤Fs<90%為中等膨脹土；40%≤Fs<60%為弱膨脹土(見表1)。膨脹土處理應根據不同的膨脹土分級采用適宜的措施[2]。

表1 膨脹土分級表

2 膨脹土地基的處理原則

在地基施工工程中，膨脹土的處理一直是非常復雜且重要的。由于膨脹土遇水易變形，會影響邊坡強度，對橋梁水利等眾多工程建設造成嚴重的不利影響。此外，膨脹土由于自身密度低，含水量大，施工后在環境的影響下可能會造成路基沉降和大規模塌陷，影響工程質量。同時，對于弱膨脹土，遇水后可能在短時間內不會膨脹，但其經過一段時間后會轉變為濕陷性土，對工程施工的影響也很大[3]。隨著科學技術的快速發展，對于膨脹土危害原因的分析越來越清晰，為工程處治膨脹土提供了思路與方法。

膨脹土路基的一般處理原則是根據當地氣候情況、土壤性質、膨脹收縮等級等，采取避免膨脹土膨脹，消除膨脹土膨脹收縮的不良特性，或采用防水保濕的措施，保證膨脹土中的含水量不變，從而防止地基的脹縮變形。

3 膨脹土地基的處理方法

3.1 換填法

該方法是將膨脹土全部或者部分挖掉，換填非膨脹土以消除或減小地基脹縮變形的一種方法，經常在膨脹土施工處理中采用。特定深度以下的膨脹土，其含水量受外界氣候影響較小，因此換填深度必須根據區域氣候特征和膨脹土的膨脹性強弱來確定。這里涉及兩個概念，即臨界深度和臨界含水量：前者主要是指膨脹土在不受其他外界因素影響的情況下所處的深度范圍；后者代表其在該條件下的含水量。由于區域氣候條件差異較大，根據含水量確定換土深度的精度不夠，但可以確定相應的范圍。一般換填深度為1.0～2.0 m，中等和弱膨脹土換填厚度控制在1.0～1.5 m，而強膨脹土路基的換填厚度可取1.5～2.0 m。

3.2 改良法

該方法的實施主要是基于膨脹土與水泥、石灰等的化學反應，這些物質間相互反應有利于提升膨脹土的強度和水穩性[4]。按比例將石灰、水泥、礫石、粉煤灰等無機材料加入到膨脹土中，石灰發生反應形成碳酸鈣，水泥硬化反應大幅度提高了膨脹土的塑性極限，從而提高膨脹土的強度。固化物與膨脹土的結合，會優化其吸水性能，加強其結構的穩定性和剛性。這些摻和料的加入使得膨脹土的親水性降低，穩定性增強，從而可以消除或減小地基土體的脹縮變形。

3.3 防排水處理

該方法作為膨脹土地基處理的一種輔助方法，是在進行地基處理的同時做好防水排水措施。其主要是通過采用黏土或土工布密封路基，將膨脹土與外界的物質交換隔離起來，實現對膨脹土的防水處理；同時，及時引排地表水和地下水，可以防止路基浸水，從外部環境上杜絕膨脹土往復變形的發生，保證路基的穩定。

4 平果至南寧高速公路膨脹土工程概況分析

本項目主線采用高速公路標準雙向六車道建設，設計時速為120 km，路基寬度為34.0 m(分離式路基時為2×17.0 m)，途經廣西平果市及南寧市武鳴區、隆安縣、西鄉塘區等2市3區縣，路線全長約85.087 km。根據工程地質調查及勘探結果，勘察區膨脹性土主要分布于溶蝕平原區及微丘陵區，巖性為全新統上部的紅黏土、黏土及沖積粉質黏土。

膨脹土勘察依據規范JTG C20-2011中的8.3.3～8.3.5條款，且符合廣西壯族自治區地方標準《膨脹土地區公路勘察設計規程》(45/T 1829-2018)的規定，對沿線路基土質膨脹性進行初步判定、膨脹土分級和膨脹巖室內試驗。勘察區推薦線共計有膨脹土25段，共計長度35.12 km，均屬于中等膨脹土，土層厚度為0.8～20 m。

按照《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)，處理條件是路堤高度<1.5 m，根據膨脹土地基變形量采用非膨脹土或無機結合料處治土，深度≥0.5～2 m，以此作為確定膨脹土地基處理措施和處理深度的依據，如表2所示。

表2 膨脹土地基處理措施分析表

5 膨脹土路基處治方案

為探索南寧周邊高速公路膨脹土路基處治方案，基于相似的氣候、環境等條件，以南寧外環高速公路膨脹土路基處治方案作為對比，以期完善平果至南寧高速公路項目膨脹土路基處治方案。根據相關資料[5]，南寧外環高速公路膨脹土路基處治方案為：路堤填筑采用非膨脹土包邊膨脹土填芯方案(如圖1所示)及邊坡土工格柵加筋膨脹土填筑方案(如圖2所示)，路塹邊坡采用柔性支護方案。經過7年的通車運營實踐表明，部分膨脹土路基處治仍存在較多不完善之處，引起部分邊坡塌方，影響高速公路通行運營。

圖1 非膨脹土包邊膨脹土填芯路堤橫斷面圖(cm)

圖2 邊坡土工格柵加筋膨脹土填筑路堤橫斷面圖(cm)

結合上述膨脹土地基處理方法，從技術、經濟、環保等方面對比各方法的優缺點，改良法和包芯法雖然成本較低、環保效益較高，但從高速公路全壽命周期考慮，本項目確定膨脹土填方路基和挖方路基設計處治方案均采用換填法，膨脹土挖方邊坡防護采用支撐滲溝+縱向盲溝+骨架護坡+擋土墻等防護方案。

在平果至南寧高速公路施工前，首先對路基土樣進行膨脹性試驗，特別結合CBR值試驗和液塑限試驗，通過對路基整體土性及結構分布的分析，確定了膨脹土路基以填方路基為主、挖方路基為輔，并進一步結合地勘資料，合理確定了膨脹土路基處治范圍及深度。

根據《公路工程地質勘察規范》(JTG C20-2011)中的8.3.3～8.3.5規范條款及廣西壯族自治區地方標準《膨脹土地區公路勘察設計規程》(45/T 1829-2018)規定，結合地勘資料并參考南寧地區經驗，確定了平果至南寧高速公路膨脹土填方路基設計處治方案為：超挖換填、鋪設防水土工布、路基填筑，即膨脹土填方路基清表后再向下挖除90 cm，換填110 cm厚石渣；然后鋪設10 cm中粗砂保護層+防水土工布+10 cm中粗砂保護層，再填筑路基(如圖3所示)。

圖3 膨脹土填方路基設計處治方案斷面圖

平果至南寧高速公路膨脹土挖方路基設計處治方案為：超挖換填、鋪設防水土工布、路床施工，即膨脹土挖方路基挖至路床底面以下60 cm，換填厚40 cm石渣，在其上鋪設10 cm中粗砂保護層+防水土工布+10 cm中粗砂保護層，然后施工路床(如圖4所示)。

圖4 膨脹土挖方路基設計處治方案斷面圖

平果至南寧高速公路膨脹土挖方邊坡防護設計處治方案為：采用支撐滲溝+縱向盲溝+骨架護坡+擋土墻等防護方案，支撐滲溝寬1.5 m、深1.5 m，由干砌片石碼砌，縱向間距為12 m，第一級邊坡采用上擋墻防護，以上各級邊坡采用骨架護坡+骨架內植生袋綠化防護(如圖5所示)。

(a)支撐滲溝+縱向盲溝+骨架護坡+擋土墻處治方案剖面

6 膨脹土路基處治實施要點

(1)在膨脹土路基施工前，有必要對路基土質進行取樣試驗，詳細、全面地分析土質，核對是否與勘察設計資料相符。

(2)膨脹土路基施工應避開雨季作業，并做好各項保障措施后方可施工。

(3)上擋墻基坑開挖采用跳槽法施工，挖好后應及時砌筑；泄水孔采用直徑為10 cm的PVC管，高于碎落臺0.3 m，泄水孔后用碎石作反濾層；上擋墻及坡面防護間隔11.60 m設置2 cm寬伸縮縫一道，用瀝青麻筋或膠泥填塞，并深入10～20 cm。

(4)每級邊坡坡腳上30 cm處設置仰斜排水孔，采用直徑為10 cm的HDPE管，間距為5～6 m，且伸入土體≥15 m。

(5)坡面防護應隨開挖斷面及時鋪砌，雨天應采用塑料薄膜覆蓋開挖后的坡面。

7 膨脹土路基處理實施效果

平果至南寧高速公路膨脹土路基處治工程已按設計方案實施完成。為了有效評估膨脹土路基穩定性，使用Midas GTS NX軟件來模擬邊坡穩定性，根據地區氣象水文數據，采用日降雨量15 mm、70 mm、100 mm三個參數，通過雨水沖刷路基形變，可以看出整體穩定性以及隨著降雨量的增加而產生的應力和應變。穩定系數分析表明，隨著日降雨量的增加，穩定系數逐漸下降。根據模擬數據，邊坡能夠在當地氣象水文條件下保持自身的穩定性。平果至南寧高速公路膨脹土路基目前只經歷一個雨季，后期實施效果還有待觀察。目前現場觀察效果較好，填方和挖方邊坡較穩固，未出現塌方情況。

8 結語

(1)膨脹土的脹縮特性是導致路基路面、邊坡破壞的嚴重因素，危害極大，如果不能有效處理，將嚴重影響工程的整體質量。

(2)在膨脹土路基施工前，要對路基土樣進行全面而詳細的分析。不僅要從技術、經濟、環保等方面對比各方法方案的優缺點，還要仔細研究類似工況地區項目的經驗，考慮高速公路全壽命周期，確保所選用的處治方案恰當高效。

(3)平果至南寧高速公路膨脹土路基以中膨脹土為主，考慮到膨脹土特性及南寧地區雨季長、雨量大等氣候特點，有必要選用可靠的膨脹土路基處治方法。

(4)平果至南寧高速公路項目膨脹土路基處治方案效果有待進一步觀察，而該方案為探索完善南寧周邊高速公路膨脹土路基處治方案提供了參考，具有研究價值。