膨脹土路基變形特性及處理措施研究

摘要：膨脹土路基因其特殊性，在干濕循環(huán)作用下易產(chǎn)生不均勻變形和路基病害，嚴(yán)重威脅高速公路的運營安全。文章通過某公路路段膨脹土路基的模型試驗，得到了膨脹土路基壓縮沉降變形、側(cè)向塑性變形以及水分運移和干縮變形的規(guī)律，并提出控制膨脹土路基變形的措施，結(jié)論如下：（1）路基壓縮沉降與上覆荷載、飽和度、壓實度有關(guān)，路基變形中的塑性變形階段對路基側(cè)向變形有重要影響，膨脹土的干縮變形與其中的水分運移有關(guān)；（2）由試驗結(jié)果得出的路基填料的最佳壓實度、飽和度分別為93%、90%，因此，為控制路基變形應(yīng)將填料含水率控制在天然含水率以下，同時提高壓實效果；（3）應(yīng)從填料選擇、填筑質(zhì)量及防排水措施三方面控制和處理膨脹土路基。

關(guān)鍵詞：膨脹土；模型試驗；路基變形；處理措施

中圖分類號：U416.1 A 08 027 4

0 引言

我國膨脹土分布廣泛，隨著交通運輸業(yè)的高速發(fā)展和公路建設(shè)的投入不斷增加，高速公路不可避免地需要穿過膨脹土地區(qū)，高速公路中的膨脹土病害也越來越普遍［1］。膨脹土具有遇水膨脹、失水收縮的性質(zhì)，大氣影響深度范圍內(nèi)的膨脹土路基在干濕循環(huán)的作用下容易發(fā)生不均勻變形和多種路基病害，嚴(yán)重威脅高速公路的運營安全。因此，眾多學(xué)者對膨脹土路基的變形控制和治理展開了研究。段君義等［2］基于物理模型試驗研究了浸水和循環(huán)荷載作用對膨脹土路基的影響，探究了膨脹土路基的土壓力與變形分布規(guī)律。劉觀仕等［3］利用平面應(yīng)變有限元方法，分析研究了膨脹土路基浸水和荷載作用下產(chǎn)生的不均勻變形，為中等膨脹土路基填筑提供參考。楊果林等［4］通過膨脹土路基室內(nèi)模型試驗，模擬了路基處于多種條件時的豎向及水平向的變形規(guī)律。羅文柯［5］以湖南某公路段的弱、中等膨脹土路基作為研究對象開展室內(nèi)模擬試驗，研究了各種氣候條件下膨脹土路基土壓力、含水率、溫度和豎向脹縮變形的變化規(guī)律。王輝［6］總結(jié)了膨脹土的特點、性質(zhì)以及處理措施，著重研究了膨脹土路基的施工工藝和質(zhì)量控制方法。本文通過某公路路段膨脹土路基的等比例模型試驗，得到膨脹土路基壓縮沉降變形、側(cè)向塑性變形以及水分運移和干縮變形的規(guī)律，并結(jié)合試驗結(jié)果提出控制膨脹土路基變形的有效處理措施。

1 基于模型試驗的路基變形研究

1.1 試驗方案設(shè)計

基于某路段膨脹土路基現(xiàn)場案例，為模擬膨脹土路基在真實狀況下的受力特點和變形特性，等比例縮小設(shè)計膨脹土路基模型如下頁圖1～3所示，研究在有、無側(cè)限條件下，膨脹土路基模型的受力變形特性及水分運移規(guī)律。采用方體預(yù)制模型箱，設(shè)計方體模型箱尺寸為：長2.50 m、寬2.20 m、高2.00 m。試驗所用填土選取現(xiàn)場路基段深度6 m的膨脹土。具體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。具體試驗方案如下：

軸向壓縮試驗：有側(cè)限條件下的軸向壓縮模型箱（如圖1所示），四周均設(shè)擋板限制膨脹土的側(cè)向位移，選用50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa四種荷載，控制壓實度和飽和度兩種指標(biāo)，采用五種工況模擬膨脹土路基在有側(cè)限條件下的變形特性。具體試驗方案如表2所示。

無側(cè)限壓縮試驗：無側(cè)限條件下的軸向壓縮模型箱（如圖2所示），在原有模型箱的基礎(chǔ)上去掉左右約束擋板，選用25 kPa、35 kPa、50 kPa三級荷載逐級加壓，控制壓實度和飽和度兩種指標(biāo)，設(shè)置如下頁表3所示的6種工況，模擬無側(cè)限約束膨脹土體在荷載作用下的塑性變形情況。

水分運移試驗：分層夯實提前預(yù)制的14%、18%、22%、25%四種含水率的土樣，在29 ℃（溫度）和75%（濕度）的室內(nèi)恒定溫濕度條件下放置7 d，采用如圖3所示的方法測量不同深度土層的含水率，同時測定土層變形量和體積變化率，研究水分運移情況下的路基沉降變形規(guī)律。

1.2 軸向壓縮試驗結(jié)果分析

不同荷載下各土樣的沉降量如圖4所示。由圖4可知，土樣的沉降量隨荷載的增大而增大，在路基處理時，可以通過降低路基自重減少路基的沉降變形。土樣累積沉降量與時間的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，曲線斜率k可以表征土樣壓縮沉降的速率，斜率k前期較大，之后趨于零。因此隨著時間推移，土樣呈現(xiàn)先快速下沉，后緩慢下沉，最后趨于穩(wěn)定的趨勢。同時，隨著荷載增大，土樣的累積沉降逐漸減小。通過分析，膨脹土在不斷加載過程中，超固結(jié)比逐漸隨之變化，土樣狀態(tài)逐漸向正常固結(jié)狀態(tài)靠近，產(chǎn)生壓縮硬化的現(xiàn)象。因此，可以考慮提高壓實標(biāo)準(zhǔn)，從而提高路基的穩(wěn)定性和承載能力。

如圖6所示，相同荷載條件下，路基沉降量與土樣飽和度呈線性正相關(guān)關(guān)系。路基沉降量在土樣含水率接近天然含水率時達(dá)到最大值。因此，為避免路基產(chǎn)生較大的壓縮沉降，不能選用天然含水率較大的填料用于路基填筑，可采取翻曬等降水措施降低路基填料的含水率。不同飽和度土樣沉降量與時間的關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可知，沉降量隨時間的變化可分為瞬時沉降固結(jié)、塑性變形和蠕變變形三個階段。通過對比可知，飽和度越高，塑性變形和蠕變變形分界點越靠后，說明土體需要更長的時間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，飽和度太大會造成工后沉降持續(xù)時間長、沉降變形量大的問題。因此，需要將路基填料飽和度控制在合理范圍內(nèi)。土樣沉降量與壓實度關(guān)系如圖8所示，相同加載條件下，路基沉降量隨壓實度的增加得到有效控制。因此，在路基填筑過程中，應(yīng)充分考慮膨脹土的收縮硬化特性和超固結(jié)特性，提高壓實度標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)路基壓實效果。

1.3 無側(cè)限壓縮試驗結(jié)果分析

各工況下泊松比及土樣狀態(tài)如表4所示。根據(jù)表4的泊松比和土樣狀態(tài)可知，工況1和工況4土樣不易壓實，工況3土樣承載能力不足并且不易壓實。而工況2、工況5、工況6土樣的強(qiáng)度及穩(wěn)定性較好，能使填料得到較好的壓實效果，保證路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。故在路基填料填筑時，應(yīng)將其飽和度控制在90%～96%，使路基滿足承載、變形和穩(wěn)定要求。

圖9為不同荷載條件下工況1土樣泊松比與時間的關(guān)系曲線。由圖9可以看出，泊松比隨荷載增大而降低，且泊松比在加載初期變化較大，一段時間后趨近于常數(shù)。這說明荷載增大，土體產(chǎn)生干縮變形，導(dǎo)致橫向應(yīng)變減少從而泊松比減小；加載初期土樣會產(chǎn)生較大的塑性變形，最后變形趨于穩(wěn)定。圖10為泊松比的時程變化曲線，可以直觀地看出泊松比隨時間進(jìn)程先減小后增大，然后趨于穩(wěn)定。無側(cè)限條件下的土樣壓縮分為以下三個階段：

瞬時壓縮：A點前，土樣受荷后其骨架受力發(fā)生瞬時變形，產(chǎn)生較大的壓縮沉降。

塑性變形：A到B點，土樣泊松比增大，塑性變形向橫向發(fā)展。

蠕變變形：B點后，泊松比趨于穩(wěn)定，土樣體積變形隨時間緩慢變化。

橫向塑性變形是造成公路路基差異沉降的關(guān)鍵因素。分析各工況A到B階段對應(yīng)的橫向塑性變形發(fā)展情況，工況5對應(yīng)土樣填筑路基的變形及穩(wěn)定性最好。

1.4 土樣水分運移結(jié)果分析

放置7 d后，各深度土層的含水率變化如下頁圖11所示。由圖11可知，土體淺層含水率變化幅度最大，其變化幅度隨土層深度增大和土樣初始含水率增大而增大，達(dá)到一定深度后含水率趨于穩(wěn)定。即土層越淺、土體含水率越高，水分蒸發(fā)流失越快，而深層含水率相對穩(wěn)定。說明膨脹土中的水分運移主要發(fā)生在淺層，淺層膨脹土路基受環(huán)境影響較大，易產(chǎn)生破壞。同時，含水率變化深度隨含水率的增大而增大，說明路基土體初始含水率越高，其水分運移和含水率波動深度越大。

不同含水率條件下土樣的體積干縮率如表5所示。由表5可知，土樣初始含水率越高，其水分流失量越多，體積干縮率越大，路基干縮變形就越大，因此路基填土的含水率需要控制在天然含水率以下。

2 膨脹土路基處理措施

基于以上試驗結(jié)果，對該公路路基的填料、填筑質(zhì)量及防排水措施進(jìn)行控制，提出適用于膨脹土路基的處理措施。

由室內(nèi)模型試驗可知，膨脹土路基填料的最佳壓實度為93%，最佳飽和度為90%，路基填料含水率應(yīng)該控制在天然含水率以下，控制路基的干縮變形，保持路基穩(wěn)定性。選擇膨脹土路基填料時應(yīng)該考慮膨脹土的膨脹等級，并有針對性地采取不同的填筑措施（如表6所示）。路基填筑應(yīng)該采用分散性良好的膨脹土填料，要求填料的天然稠度保持在1.0以上，膨脹土填料的壓縮系數(shù)av應(yīng)控制在0.5 MPa-1以下，防止產(chǎn)生較大的工況沉降變形，影響路基穩(wěn)定性。另外考慮到膨脹土遇水軟化的性質(zhì)，需要進(jìn)行CBR浸水試驗，不浸水膨脹率CBR應(yīng)≥3%，浸水膨脹率CBR應(yīng)≤8%。

路基填筑時應(yīng)該提高壓實標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)路基壓實效果。填筑路基采用靜力觸探試驗的方法確定路基承載力，填土高度＜6 m時，路基承載力應(yīng)控制在160 kPa以上；填土高度＞6 m時，填筑路基應(yīng)滿足250 kPa的承載力要求。同時，為了保證路基填筑質(zhì)量，可以考慮進(jìn)行基底處理和包邊加筋等措施。路基填筑前，清理地面松軟的表層土和草皮，采用封閉壓實的碎石土等換填大氣影響層范圍內(nèi)的松散膨脹土，基底采用振動壓實，鋪設(shè)120 cm厚的碎石墊層，墊層上鋪設(shè)土工防水布。包邊加筋技術(shù)是膨脹土公路路基防護(hù)常用的技術(shù)手段，可以通過鋼筋受拉以及其和填料直接的摩擦作用吸收膨脹土路基的膨脹能和位移，提高路基穩(wěn)定性。

路基防排水主要控制地表水徑流沖刷和水分下滲。地表水徑流沖刷會攜帶路基表面物質(zhì)，導(dǎo)致路基表面受損；膨脹土對水分十分敏感，水分下滲會嚴(yán)重影響路基穩(wěn)定性。主要考慮采用排水溝、急流槽、截水溝、滲溝、攔水緣石、植被防護(hù)等排水結(jié)構(gòu)對地表水徑流沖刷進(jìn)行控制，通過路面橫向排水管和縱向集水溝將地表水引出路外。對于水分下滲，主要通過在路基頂面設(shè)置“兩布一膜”，在路基底部設(shè)置毛細(xì)水隔離層的方法隔離頂面積水和基底毛細(xì)水、地下水。路基墊層選用透水性良好的碎石、礫石材料，并控制墊層的最小填筑厚度≥1 m，從而保持路基底面濕度平衡。

3 結(jié)語

本文通過某路段膨脹土路基的模型試驗，得到了膨脹土路基壓縮沉降變形、側(cè)向塑性變形以及水分運移和干縮變形的規(guī)律，并結(jié)合試驗結(jié)果提出控制膨脹土路基變形的措施，得到以下結(jié)論：

（1）上部荷載、土體飽和度、土體壓實度是影響路基壓縮沉降的重要因素。荷載作用下的塑性變形階段是控制路基側(cè)向變形的關(guān)鍵階段；膨脹土的干縮變形與水分運移的時空特性有著重要的聯(lián)系。

（2）結(jié)合試驗研究結(jié)果可知，路基填料的最佳壓實度、飽和度分別為93%、90%。為控制路基沉降變形，應(yīng)將填料控制在天然含水率以下，同時提高路基壓實效果。

（3）膨脹土路基應(yīng)該從填料的壓實度、飽和度、含水率、膨脹等級、天然稠度和CBR承載比等方面進(jìn)行選擇；采用基底處理和包邊加筋等方法可以保障路基填筑質(zhì)量；采用路面排水、路基頂面和底面隔水等防排水措施減少路面地表水徑流沖刷和水分下滲。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2022-12-10