合肥至六安高速公路膨脹土工程特性研究

2010-05-17 08:12:46王建春

鐵道勘察 2010年3期

王建春

(中鐵上海設計院集團有限公司, 安徽合肥 230011)

1 概述

膨脹土是顆粒高分散、成分以黏土礦物為主、對環境的濕熱變化敏感的高塑性黏土,其吸水膨脹軟化、失水收縮干裂的特性，使膨脹土地區的房屋建筑、鐵路、公路、機場、水利工程等經常遭受巨大的破壞,給世界各國造成巨大的經濟損失。

合肥至六安高速公路是上海—武威國家重點公路的一段,也是西部開發大通道南京—西安高速公路的重要組成部分[1]。膨脹土主要分布于推薦線K00+000～K60+850、K66+400～K68+850、K69+400～K80+750、K83+700～K89+550段，以及比較線BK77+200～BK81+250、BK84+200～BK90+000段,限于環境條件,不得不采用膨脹土作為路堤填料。

膨脹土具有很高的黏聚性,如果含水量高的膨脹土直接用作路基填料,將會增加施工難度,延長工期,且質量難以保證。膨脹土路基遇雨水浸泡后,土體膨脹；若在干燥季節,隨著水分的散失,土體將嚴重干縮龜裂,雨水可通過裂縫直接灌入土體深處,使土體深度膨脹濕軟,從而喪失承載能力。且膨脹土具有極強的親水性,土體愈干燥密實,其親水性愈強,膨脹量愈大,當膨脹受到約束時,土體中會產生膨脹力,當這種膨脹力超過上部荷載或臨界荷載時,路基出現嚴重的崩解,從而造成路基局部坍塌、隆起或裂縫。歸結起來,就是強度低和反復的脹縮變形危害路基的穩定和變形[2-5]。

膨脹土地區另一個嚴重的工程問題就是邊坡變形。由于大氣物理風化作用和濕脹干縮效應,邊坡土塊崩解,土體抗剪強度衰減,造成邊坡的溜塌、滑坡等變形病害，常常使路基的堅實和穩定性遭受破壞,影響行車安全。

本文結合實際工程研究膨脹土的工程特性,試驗成果對全線膨脹土的治理及施工具有重要意義,也為研究安徽地區膨脹土的工程特性提供有益的參考與借鑒作用。

2 膨脹土基本物性指標

合六高速公路膨脹土基本物性指標列于表1,指標的分布特征見圖1～圖6所示。

表1 膨脹土基本物性指標統計

本次試驗所取土樣均為高液限黏土,是一種高塑性黏土,具中—弱膨脹性。

皖中西部膨脹土各項指標均具有近似正態分布的特征。自由膨脹率、液限、塑性指數、標準吸濕含水量、<0.002 mm膠粒含量值的分布區間很大,說明該地區膨脹土膨脹潛勢地區差異較大。皖中膨脹土自由膨脹率均值為49.40%,液限均值為52.01%,塑性指數均值為28.94,標準吸濕含水量均值為5.34%,<0.002 mm膠粒含量均值為37.13%。

圖1 自由膨脹率頻次分布

圖2 液限頻次分布

圖3 塑限頻次分布

圖4 塑性指數頻次分布

圖5 標準吸濕含水量頻次分布

圖6 <2 μm顆粒含量頻次分布

分析以上幾項指標的均值,根據規范推薦的劃分標準,液限、塑性指數、<0.002 mm膠粒含量均處于弱—中膨脹土劃分界限附近,根據膨脹土膨脹潛勢綜合指標分析方法,可以得出皖中西部膨脹土膨脹潛勢平均水平在弱—中分界附近,且在這個值附近具有近似正態分布的特征。

50%土樣的自由膨脹率值大小落在40%～58%之間,液限落在46%～56%之間,塑性指數落在24.3～32.1之間,標準吸濕含水量落在4.2%～5.3%之間,<0.002 mm膠粒含量落在33%～37%之間；根據以上數據同時結合指標正態分布特點,皖中膨脹土主要以弱偏中、中膨脹土為主。

同時還可以看出皖中膨脹土自由膨脹率劃分標準應低于全國水平,自由膨脹率達到50%左右可以考慮其為中膨脹土；皖中西部膨脹土標準吸濕含水量明顯偏高。

自然條件下,地表土層1.0～1.5 m范圍內,膨脹土發生季節性變化。在地面以下大于1.5 m屬水分穩定區域,土的含水量被稱為平衡含水量。弱膨脹土的天然含水量變化范圍大約在19.5%～25.1%之間,中膨脹土的天然含水量在大約22.4%～25.9%之間,土的平衡含水量低于塑限,約為塑限的80%～90%,此含水量比最優含水量高3%～5%。

3 膨脹土壓實特性

研究表明：土的壓實過程和壓實效果受多種因素的影響,弄清這些影響對深入了解壓實的原理和指導路基填筑與壓實具有重要意義。

影響膨脹土壓實效果有內因和外因兩方面,內因主要是含水量和土的性質,外因指壓實功能、壓實機具和壓實方法等。不同擊實功條件下膨脹土擊實曲線見圖7和圖8,相應的最佳含水量與最大干密度見表2。

擊實膨脹土的最佳含水量和最大干密度隨擊實功、膨脹土種類變化而變化,膨脹土的種類、含水量以及壓實功均能顯著影響其壓實效果。

(1)同一種膨脹土,壓實功能愈高,土的最大干密度也愈大,而對應的最佳含水量愈小。

(2)不同種類的膨脹土,上述指標存在明顯差異,相同擊實功條件下的弱膨脹土最大干密度較中膨脹土高,而對應的弱膨脹土最佳含水量較中膨脹土低。

表2 不同擊實功條件下膨脹土的最佳含水量與最大干密度

圖7 不同擊實功條件的弱膨脹土擊實曲線

圖8 不同擊實功條件的中膨脹土擊實曲線

單純從壓實的角度,膨脹土的填筑含水量在最佳含水量±3.0%范圍內,只要壓實功能得到保證,壓實度一般能滿足要求。

4 膨脹土脹縮特性

膨脹土的脹縮特性是膨脹土最基本的特性,膨脹土各類工程性質無不與之有關。因此,脹縮特性一直是膨脹土研究所關注的重點問題之一,對于給定的膨脹土種類,影響其脹縮性能的主要因素為含水量和干密度。

另外,擊實土的膨脹性遠較原狀土為大,密實度越高,膨脹量與膨脹力越大,這是在膨脹土路基設計中特別值得注意的問題。

4.1 擊實膨脹土膨脹性指標及其特性

不管是弱膨脹土還是中膨脹土,擊實膨脹土的膨脹變形率同時受到擊實含水量與擊實干密度的控制,但含水量對膨脹率的影響比干密度顯著,且中膨脹土的膨脹量在相近含水量條件下明顯較弱膨脹土高。因此,要想控制路基填方段不致產生過大的脹縮變形,必須同時兼顧填筑含水量與干密度兩個條件。從膨脹土的膨脹特性角度看,只有當填筑含水量控制在較最佳含水量稍大,干密度較最大干密度低的條件下,對于填土的穩定性比較有利。

膨脹力是指土體的體積膨脹受到限制時吸水后所產生的最大應力,它可直接影響路基和邊坡的工作狀態。不管是弱膨脹土還是中膨脹土,其膨脹力隨起始含水量的增大而減少,隨干密度的增大而增大。

4.2 擊實膨脹土收縮性指標及其特性

膨脹土體縮率隨含水量增加而增大,近似成直線關系,收縮系數也隨含水量增加而增大；干密度對收縮指標影響甚微；但中膨脹土的收縮系數和體縮率均較弱膨脹土高,尤其是體縮率在相近含水量條件下遠較弱膨脹土大。因此,從膨脹土的收縮特性角度考慮,膨脹土路基填筑含水量又不宜超過最佳含水量過多。

5 膨脹土的強度特征

5.1 膨脹土的強度(CBR)特征

不同擊實功獲得的弱膨脹土CBR值隨含水量的變化規律類似于擊實曲線,在擊實功較大時(每層擊數N=98),其CBR最大值所對應的含水量比最佳含水量大4.7%。當起始含水量比最優含水量大2%～4.7%范圍內,其壓實度可以達到下路堤要求的93%,CBR值達到3.1%以上,可以用于直接填筑下路堤。

對于中膨脹土而言,其CBR值均較小,雖然在含水量很高時其CBR值接近于3.0%,但室內擊實試驗表明,在如此高的含水量下進行壓實,其壓實度均小于90%,黏錘嚴重,且易出現“橡皮土”現象。中膨脹土無法同時滿足填筑路基壓實度和CBR值的規范要求,如不采用處理措施(如改性或包邊處理),不宜直接用來填筑路堤。