路基路面設計中膨脹土處理研究

高先明

(安徽省啟帆建設工程設計有限公司，安徽 合肥 230000)

膨脹土通常具有較強的抗壓性，但其本身抗壓性會隨著土體失穩而瞬間大幅度下降，從而降低抗壓強度。因膨脹土中的主要成分為蒙脫石、伊利石等等吸水性礦物質，故而其本身存在顯著的吸水膨脹和失水收縮特性，進而對路基路面結構造成損害。所以在路基路面設計階段必須充分掌握膨脹土的特性，可通過系統分析或現場試驗等方式加以驗證，并確定整體設計方案，從而避免各種設計缺陷導致后期路基路面的破壞。

1 膨脹土工程特性分析

膨脹土廣泛分布于我國各個地域，大部分道路的路基都是用膨脹土材料建設而成，在膨脹土路基工程中普遍存在滑坡和沉陷等現象，路基事故多數發生在以膨脹土作為路基填筑材料建設的工程中。針對部分規模較大的工程而言，為保障道路路基結構本身的安全性和穩定性，在路基建設階段通常需要投入大量人力和物力。膨脹土屬于黏性土質，具有顯著的吸水膨脹和失水收縮的變形性能，在荷重作用下仍能浸水膨脹，產生膨脹壓力。同時膨脹土還具有脹縮變形的可逆性，在吸水膨脹、失水收縮后，有再吸水再膨脹、再失水再收縮的特性。在膨脹力及其反復脹縮變形條件下，造成道路發生開裂[1]。

膨脹土內部礦物成分極易受到周圍環境溫濕度的影響，其形態會隨著附近區域溫濕度的變化而發生改變，從而破壞內部整體結構，在周圍環境濕度增大時膨脹土的膨脹量也會隨之增加，而周圍空氣過于干燥時又會引起不同程度的收縮裂縫。因此，應將環境溫濕度列為處理膨脹土路基中的重要考量因素，最大限度降低膨脹土因周圍溫濕度變化造成的影響。在路基建造中適量摻加石灰材料，利用其本身的吸水性來有效改良膨脹土性質，這也是現階段工程中較為常用的膨脹土改良方法。不同區域的膨脹土對于環境溫濕度的敏感程度也各不相同，而不同施工環境中所存在的礦物質和環境溫度也各有所異。因此，在實施膨脹土改良時應充分了解工程所在區域的氣候及地質環境，并針對性采取科學合理的方法進行土體材料改良作業。通常在路基工程建設中，膨脹土大多為高液限黏土，擁有較高的含水率且極難控制，碾壓過程中易形成“彈簧土”，故而使用石灰拌合時需要重點關注石灰的用量與土體的含水率，并對相關施工設備與相關施工工藝提出相應的要求。

2 膨脹土對路基的危害

在大部分膨脹土地區，路基經常發生各種各樣的病害，必須充分意識到路基病害的嚴重性并制定科學合理的防護措施，從根本上降低路基病害的發生率。1)從力學角度上分析，應從膨脹土其本身抗壓強度和變形性兩個層面來看，保障路基路面整體安全最重要的因素便是強度，如膨脹土其本身特性會導致路基強度產生變化，再加上路基路面在各種外力荷載的作用下，也會導致路面與路基產生不同程度的變形，同時路面相關建筑材料也會發生不同程度的變形，甚至引起滑坡及其他一些嚴重的損壞；2)土壤含水率的大小決定著路基壓實度，進而影響路基整體結構是否穩定。膨脹土會隨著水分流失而產生不同程度的收縮現象，從而使路基及路邊產生區域性變形和移位。膨脹土在經過水分浸泡后又會產生膨脹現象，對土體本身強度影響較大，當外界荷載超過路基本身所能承受的最大壓力時，便會造成不同程度的裂縫和沉降，如果超負荷荷載持續存在，則會導致路面結構的嚴重損害，從而增加道路維修成本，也影響區域內的交通順暢。

3 案例分析

3.1 工程概況

以某市城市主干路建設項目為例，該項目全長約為2.7km，重交通等級。該區域屬于亞熱帶濕潤季風氣候區，其最高溫度41.3℃，最低氣溫-17.0℃，多年平均氣溫在15.5℃左右，雨季集中在每年的5月份到8月份之間，平均降雨量超1000ml。通過勘察分析得知，該工程建設區域土質均為高嶺土，含有大量蒙脫石、伊利石等礦物。場地土自由膨脹率在36～48%之間，膨脹力在28～55kPa之間。膨脹變形量為16.5mm，收縮變形量為4.2mm，脹縮變形量為13.3mm，以中等、弱膨脹土為主。地區膨脹土濕度系數ψw約為0.815，大氣影響深度約為3.4m，大氣影響急劇層深度約為1.5m。根據現場鉆探、原位測試、結合室內巖土試驗成果資料分析，該場地內各層巖土的地基承載力特征值fak、相應的壓縮模量Es1-2、基床系數[2]K見表1。

表1 各層巖土的地基承載力

本工程部分地段填方高度較大，結合周邊場地土方平整，本著降低工程造價，節約資源的原則，路基使用周邊開挖土方為路堤填筑材料。為保障整體路基工程質量，須采取科學合理的方法對其加以改良處理，從而滿足工程設計標準。

3.2 膨脹土路基填筑方案

道路路基必須密實、均勻、穩定，為路面提供堅固的支撐基礎。路基施工應使整體路基結構安全、穩定性等方面符合相關規范要求。現階段主要根據氣候、土壤的性質和含水率摻加一定比例的石灰來改良膨脹土。通常膨脹土在經過系統改良后應低于0.7%的脹縮率。結合路基填筑設計方案，采用多種方法測試分析對比后確定最終施工方案，如表2所示。膨脹土摻石灰比例在5%～6%左右，同時控制土的含水量應接近最佳含水量，具體以試驗結果為準。根據施工現場情況隨時調整石灰劑量，從而保障整體施工質量。經過一系列調查分析，通過摻石灰的方法對該區域膨脹土改良，施工工藝成熟且工程成本較低。因工程本身對壓實度與填筑質量要求較高，通過對沿線土方進行測試，最終確定摻石灰比例為6%。表2為該道路膨脹土處理方案對比。

表2 膨脹土處理方案

路堤填筑按路基橫斷面全寬度縱向分層、水平分段填筑，分段長度不宜大于300m。為消除新老路基差異沉降變形，老路拼接段路基要提高加寬部分地基處理及路基壓實度標準，必要時采用強夯提高路基壓實度，壓實度比一般路基提高一個等級。填方分幾個作業段施工時，接頭部位如不能交替填筑，則先填路段，應分層留臺階，如交替填筑，則應分層相互交替搭接，搭接長度不小于2m。石灰土宜在氣溫較高的季節施工，施工期的最低氣溫應在5℃以上。并應在第一次重冰凍(-3～-5℃)到來之前一個月到一個半月完成，應避免在雨季進行石灰土結構層的施工，不能在水文不良地段采用。石灰土盡量采用集中廠拌施工，將土和石灰先干拌1～2遍，然后加水拌和不少于3遍，直至均勻為止。將拌和好的石灰土混合料按松鋪厚度攤鋪均勻后碾壓。若采用路拌，須隨時檢查拌和深度，防止拌合深度不夠形成素土夾層。在施工過程中，石灰土應采用分層填筑的方式，每層厚度不大于20cm，并通過合理的碾壓機械組合，達到了規定的壓實度要求。

3.3 路基坡率

在該項目路基坡率設計過程中，參考路基規范并且與相同類型的優秀道路工程項目為參考，再建立模型通過力學分析，以此確定該工程的路基坡率設計方案為1∶1.5，同時在路塹頂部的位置設置0.4×0.4m的截水溝，進一步減少雨水對路基的影響。在該工程路基路面施工過程中，路基的邊坡按照規定的參數進行實施，并且對部分地段的路基坡率適當做出調整與優化，最大限度降低坡腳和土體的承載力。增加坡腳支撐承載力，減小路基在使用中發生變形，提升路基邊坡的安全性與穩定性。地面橫坡緩于1∶5時，在清除地表草皮、腐殖土后，可直接在天然地面上填筑路堤。在地面自然橫坡度陡于1∶5的斜坡上(包括縱斷面方向)，路基基底應挖臺階，臺階寬度不得小于2m，臺階底應有2%～4%向內傾斜的坡度，挖臺階前應清除草皮及樹根。對土質路基填挖銜接處應采取超挖回填措施并進行壓實。地基表層應碾壓密實，路基底的壓實度不下于90%。為保證路基邊坡滿足壓實度要求，填方路基兩側各超寬30cm填筑，路基全部施工完畢后再進行刷坡。

3.4 弱膨脹土路基處理

在弱膨脹土路基處理過程中，將膨脹土的承載性能進行充分研究與分析后，繼而設計得出合理的路面結構和路床厚度數據，并對施工方案再次進行調整優化。通常情況，在路床處理膨脹土過程中，控制石灰的比例在5%～6%左右，壓實度達到95%以上。對于路基高度超過0.8m的路堤部分，加入4%的石灰對膨脹土進行處理，壓實度控制在93%以上。需要注意的是，這個環節雖不能對路基膨脹土完全處理，但膨脹土的黏粒和膠粒的含量可以大大降低，膨脹變形量會明顯改善，并且加入石灰后，材料的CBR值明顯提升。若路基的填筑高度大于2.22m，設計人員按照上述方法再次對路基進行處理，并且控制路基填筑料CBR≥3。在該工程弱膨脹土路基處理環節，膨脹土對路基造成的反應并不強烈，基于此，相關的施工人員沒有進行過多的其他特殊處理，就達到了設計要求。設計對道路邊坡采用10cm的非膨脹土加以包封保護，道路邊坡結構就具備了較強的穩定性與安全性。

3.5 中膨脹土路基處理

在該工程項目中，通過對現場進行全方面勘察，發現在該區域土體極易受到天氣影響，產生較大反應，對路基造成破壞。在道路運營過程中，如果大氣快速下降就會對路面結構造成嚴重的變形。基于此，通過計算將膨脹土路床的厚度控制在0.8m，對項目路基的填土高度超過1.2m時，設計對道路路堤進行加入4%的石灰的處理方案，并且控制石灰土壓實度達到93%以上，同時對路邊坡使用非膨脹性質的材料進行封邊，保證道路路基路面運行結構穩定[3]。

3.6 路面內部防排水

對瀝青路面可以選擇升級配路面系統；對水泥路面可以選擇在行車道與土路肩的交匯處設置盲溝排水的方法，在路面整體結構中形成一套完整的基層排水系統。通常在道路凹形豎曲線的最低點，雨水極易滲透到路面結構內與膨脹土產生反應，導致路基產生破壞，進而造成表面變形損壞的問題。基于此，在凹形豎曲線底部的路面下方按照一定間距設置橫向盲溝，將盲溝和道路排水系統相互連接，繼而完成有效的內部排水。為解決中央分隔帶的排水問題，設計采用橫向排水管道和縱向排水管道進行相互融合的方式，以此快速排除路面雨水[4]。

3.7 在膨脹土上換填土

在進行換填土過程中，應該嚴格按照規范的標準進行膨脹土更換，將膨脹土表面全換為非膨脹土壓實后，就可以有效解決路基膨脹土危害。路基換填土應優先選用級配良好的礫類土、砂類土等粗粒土作為填料，填料最大粒徑應小于15cm。

3.8 土工格柵加筋

土工格柵加筋對路基整體結構具有較強的穩定作用，土工格柵和膨脹土充分結合后，形成一種特殊的筋土混合物，有助于路基形成一道封閉層，促使路基結構在洪澇時期水分充足后仍然不會大幅降低強度，有效降低路基發生失穩的現象，該項方法對道路的穩定性具有重要作用。土工格柵外側距離邊坡應留出10cm的距離，防止土工格柵外露。斜坡地段底層坡腳鋪設時，應將邊坡坡腳處地面土工格柵范圍內的基底鏟成平臺，以保證土工格柵水平鋪設，加強路基邊坡穩定。土工格柵縱向接頭，采用搭接綁扎，搭接長度不小于30cm[5]。

4 結語

綜上所述，路面路基工程中膨脹土的處理有較多的方法，可根據不同的地質選擇合理的方法。膨脹土在道路工程施工中屬于常見問題，并且已有眾多學者進行相應研究，雖已研發出較多的解決方法，但其屬于特殊性的土質，仍會因為各種因素的影響，對路基路面造成相應破壞，甚至還會帶來嚴重的經濟損失。基于此，相關部門需要引起重視，尤其是在設計階段，以此減少不必要的損失。