廣西地區高速公路膨脹土路基風險分析及施工管理研究

張松 張宇航 張玖傳

摘要 針對廣西地區地質條件多膨脹土的情況，結合廣西地區濕熱氣候條件，開展膨脹土對高速公路路基質量影響的風險分析及施工管理控制研究，探索為廣西高速公路建設膨脹土路基治理、處治的技術方案和施工控制管理方法。文章從廣西地區氣候條件對膨脹土路基的影響入手，針對性分析高速公路膨脹土路基的主要風險因素、變形破壞形式，而后總結膨脹土地基安全處治方法，最后對風險進行評估及給出相應的控制措施，包括原材料、工藝工序和施工管理等。

關鍵詞 膨脹土；風險分析；路基處治；施工質量控制；濕脹干縮

中圖分類號 U412.3文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0151-03

0 引言

隨著我國交通建設的迅速發展，廣西高速公路建設重心逐漸由干道建設向路網加密完善建設轉移，同時由于廣西為我國膨脹土分布較為廣泛的地區，因此廣西當前高速公路建設不可避免地面對膨脹土路基處治的課題。膨脹土具有吸水脹大，失水縮減的濕脹干縮特性，在干濕循環的作用下容易引起路基的不均勻變形，進而引發路基沖蝕、沉降、縱向開裂、坍肩等病害，是高速公路建設質量控制的重要影響因素。因此，結合廣西地區的氣候條件深入分析研究膨脹土路基風險控制及處治措施，對廣西地區高速公路建設具有重要意義。

1 廣西地區氣候條件與膨脹土特點分析

1.1 廣西地區氣候條件分析

廣西屬亞熱帶季風氣候，南部沿海地區涉及海洋氣候，整體上陽光充足，雨量豐沛，霜少無雪，氣候炎熱潮濕，夏長冬短，極端最高氣溫可以到達40 ℃以上；雨水較多，且多集中于4—9月，降雨量約占全年降雨量的70%以上。突出的特點為雨熱同期、降雨量集中、降雨強度大、降雨時間長、降雨次數頻繁。

1.2 廣西地區膨脹土特性分析

廣西地區的膨脹土蒙脫石含量不高^[1]，其主要為碳酸鹽巖、泥巖、粉砂巖風化行程的殘坡積黏土，其黏粒成分主要由強親水性礦物的蒙脫石和伊利石組成，當含水量變化時，能發生顯著的體積變化。由于這些礦物顆粒的體積變化，引起巖土的體積變化，發生膨脹或收縮，變化達到一定程度時會引起與其相連接的建筑物產生破壞。具有顯著濕脹干縮和反復濕脹干縮、多裂隙性、超固結性及強度衰減性等特殊且有別于一般黏性土的性質。以廣西某南北走向建設的高速公路為例，該項目所涉及的膨脹土顆粒細膩、有滑感，自然狀態下呈堅硬或硬塑狀態，裂隙發育，常見光滑面和擦痕。有的裂隙中充填灰白、灰綠色黏土，多分布于二級和二級以上階地或盆地邊緣丘陵地帶，地形平緩，無明顯自然陡坎。

選取該公路途經地區代表性的膨脹土，其脹縮性指標如表1所示。依據廣西公路地方標準《膨脹土地區公路勘察設計規程》對其膨脹性進行判別，由表1可知，該高速公路途經地區的膨脹土類別囊括了弱膨脹土到強膨脹土，且中等膨脹土類別占比較多，這是因為雖然廣西膨脹土蒙脫石含量不高，但是膨脹土顆粒粒度較細，進而導致了其依舊具備較強的脹縮性。

1.3 廣西氣候條件對膨脹土影響分析

研究表明^[2-3]，膨脹土的漲縮性其實質是晶格的吸水擴張過程，土的體積隨著吸水率的增加而增大。結合1.1和1.2節的分析，廣西氣候條件對于膨脹土的性能影響主要有三個方面：一是廣西豐沛的降雨量，會導致土體含水量大幅度增加，雨季時膨脹土晶格吸水擴張膨脹。二是空氣濕度的影響，廣西全年空氣濕度較大，膨脹土一旦暴露在空氣中，會持續從空氣中吸收水分，并逐漸侵蝕至土體內部，導致土體膨脹風險性增大。三是溫度與陽光日照，廣西全年氣溫高，陽光日照充足，膨脹土失去水分引起整體收縮，同時廣西雨熱同期，在短時間內土體重復地收縮與膨脹，極易導致土體顆粒內部結構松散，強度快速下降。這種氣候條件下，土壤呈現很強的膨脹性和收縮性。

2 廣西高速公路膨脹土路基風險分析

2.1 工程風險類型

依據膨脹土特性分析，膨脹土路基的工程風險主要是脹縮性大引起的路基不均勻沉降、膨脹土土體強度過快下降而導致的崩解性以及超固結性。

在以線狀建筑物為主要特點的高速公路建設中，因為跨越區域范圍大，土基的土體性質不均勻，在含水量增加后，不同路基土的脹縮性不一致，特別是膨脹土路基與普通路基的銜接處，不均勻沉降以及膨脹力的作用容易造成路面開裂、坑洼等病害。而膨脹土路基吸水后迅速軟化或多次重復地收縮與膨脹，強度過快下降容易導致邊坡不穩定風險加大，引發邊坡滑坡、滑塌，甚至在強降雨天氣雨水沖刷耦合作用下引發大規模沖蝕、泥流等水土流失問題。最后，膨脹土路基邊坡的超固結性在邊坡開挖時土體超固結應力快速釋放，出現卸荷膨脹，特別是在高邊坡作業時引發安全生產事故。

2.2 風險影響因素

基于上述研究，在廣西地區氣候條件下，高速公路膨脹土路基的風險因素主要有：

（1）氣候條件。廣西地區氣候溫暖潮濕，夏季多雨，土壤溫度變化大，膨脹土問題更為突出。

（2）施工工藝。如果施工工藝不合理，地基土體可能會受到攪動和振動，增加了土壤膨脹的風險。

（3）土壤質量。廣西地區土壤大多是黏土和泥土，含有較高的有機質，容易形成膨脹土。

（4）基礎結構。如果基礎結構不合理，可能會加重土壤膨脹的風險。

（5）施工監管。如果施工監管不到位，可能會導致施工中使用不符合要求的土壤或施工工藝不規范等問題。

2.3 膨脹土路基變形破壞形式

在高速公路膨脹土路基施工中，正確認識膨脹土路基破壞形式有助于正確選擇合理的處治方法。廣西地區膨脹土路基常見的破壞形式如下所示：

（1）膨脹土初期強度較高使得路基壓實度不足，經風化作用和干濕循環后，在路基自重和車輛荷載的雙重作用下，土塊崩裂，導致路基發生不均勻沉陷變形，當變形量較大時可使路面發生破壞。

（2）膨脹土路堤經過多次降雨季節過后，表面土體風化嚴重，裂縫發育完全，當雨水沿裂縫滲入土體內部后，膨脹土遇水軟化導致邊坡坍塌。若采用性質較差、強度較弱的膨脹土填筑路堤，有可能形成人為的軟弱面，從而產生路堤滑坡。

（3）當路堤肩部土體壓實度不足時，填土密度達不到密實度，路肩土體干濕收縮程度大于堤身，從而出現縱向裂縫，嚴重時可導致路肩坍塌。

（4）膨脹土經過長時間的強光照后水分蒸發，土塊裂解成細粒狀、鱗片狀，在重力作用下沿坡面滾落，干旱時間越長則剝落情況愈嚴重，且強膨脹土比弱膨脹土剝落程度更嚴重。

（5）在強降雨作用下，尤其類似于廣西地區夏季的強降雨，膨脹土邊坡吸水過于飽和，在重力與滲透壓作用下，土體沿坡面滾落溜塌。溜塌是膨脹土邊坡表面發生最普遍的現象，稍滯后于降雨，可發生在邊坡任何部位，與邊坡坡度無關。

3 高速公路膨脹土路基處治方案分析

3.1 膨脹土路基處治基本原則

由于膨脹土遇水易發生變形，影響路基邊坡穩定性，并且膨脹土自身密度較低、含水量較大，若不采取合理方式處治膨脹土，有可能會導致路基發生大規模的沉降和塌陷，因此采取正確的處治措施尤為重要。根據地址勘測的翔實報告及有關經驗，按照綜合處理的思想確定處置措施，一般遵循“避免膨脹，防水保濕”的原則。防水是指保護膨脹土路基的封閉性，減少甚至是隔絕膨脹土體與空氣的接觸或者雨水的滲入；保濕則是控制膨脹土體的含水量不變或者降低變化的可能。

3.2 膨脹土路基處治方式

基于膨脹土的特性，高速公路膨脹土路基處治關鍵點在于含水量的控制。一般來說，膨脹土路基的處理方法主要有換填法、濕度控制和改性處理。

換填法是最為直接和廣泛使用的方法，將膨脹土全部或者部分挖除，替換為合格的路基材料，關鍵點在于依據具體的膨脹土脹縮性強弱與區域氣候特征確定換填深度，也就是不受外部環境影響的臨界深度與臨界含水量。

濕度控制包括預濕和保持含水量穩定兩種方法。預濕法是提前用水浸泡路基土，保持膨脹土含水量穩定則是采用非膨脹土包裹膨脹土的夾心糖方案^[4]。簡單來說就是利用土工材料和非膨脹土將膨脹土路基從底部、邊坡以及頂面四面包裹起來，使得以膨脹土為填芯的路基含水量保持恒定。優點是充分利用了膨脹土，有利于生態環保綠色建設；缺點是在道路上部結構未完工前需要對填芯進行保濕處理，邊坡施工工藝、質量要求高，工序復雜。

膨脹土的改性處理是利用石灰、水泥、礦渣等摻入膨脹土中，與膨脹土發生反應或者改變膨脹土顆粒結構，通過改變膨脹土微觀結構達到影響宏觀性能的效果，最終使得膨脹土的親水性降低，增強自身穩定性。

廣西某南北走向建設的高速公路，根據不同路段特點采取不同措施相結合的方式。其中膨脹土填方路堤段，路基地表以下50 cm范圍內換填碎石土，并設置防水土工布；泥巖、粉砂質泥巖膨脹土挖方路段，邊坡防護采用護面墻；當挖方路床位于基巖時，采用換填30 cm碎石土處理。當挖方路床位于殘坡積土時，采用路床換填80 cm處理，并設置防水土工布；膨脹土路塹段，挖深盡量控制在10 m以內，坡腳設置擋墻，坡面采取護面墻封閉，邊坡坡率應緩于1.5。

4 施工管理方案分析

4.1 原材料的選用和控制

膨脹土路基施工的原材料主要包括土壤、沙子、石頭、水泥等。在原材料的選用和控制方面，土壤要具有較好的土工性能，脹縮性小；沙子和石頭的顆粒大小應符合規范，不得混入較多的細顆粒和黏土，使用應根據現場具體情況進行試驗分析；水泥的質量要符合國家標準，用量同樣要進行試驗分析控制。

4.2 施工質量的控制

膨脹土路基施工的質量控制是確保路基強度、平整度以及排水性能的關鍵因素。施工過程中要嚴格遵守施工規范和施工圖紙；對于不同的土層情況，施工工藝應有所調整，保證施工質量；對于土方的壓實掌握控制好施工時機，盡量保證土層的均勻壓實。

4.3 施工技術要點

高速公路的施工建設中，針對不同區域膨脹土的物理力學特性，合理選擇處理膨脹土的方法，并遵循以下的施工要點：

（1）對于填高不足1 m的路堤，必須換填非膨脹土，并按照規范規定壓實。

（2）路堤兩邊邊坡及路堤頂面必須采用非膨脹土作為封層，必要時加鋪土工布，形成包心填方。

（3）開挖路塹邊坡時，預留40 cm左右的厚度，待路塹開挖完畢后再削去預留部分，并采用網格護坡封閉。

（4）路堤與路塹分界處2 m范圍內的挖方地基應挖成臺階，翻松并檢查挖方處的含水量是否與填方處的含水量相近，同時采用合適的壓實工具將挖方處壓實至規定的壓實度。

（5）施工時避免雨季作業，并加強現場排水。開挖后各道工序緊密銜接，不宜間隔過久。路堤和路塹邊坡需及時進行護坡處理，防止雨水浸入邊坡。

（6）路床的強度及壓實標準必須嚴格遵守相關規定和規范。

穩定膨脹土路基的重點在于完善路基的排水設施和加強坡面防護，齊全的排水設施可使影響路基穩定性的地面水和地下水順利排走，良好的坡面防護可起到加固邊坡和降低風化老化的作用。因此在施工過程中應當注意以下幾點：

（1）廣西地區常表現出集中降雨、降雨量大、時間長的特點，因此邊溝應適當加寬加深。路塹邊溝外側需設置平臺，同時路塹頂部設置截水溝以免水流沖刷并滲入坡體。

（2）在填挖交界處的路段增設盲溝，路堤高邊坡的平臺處設置截水溝，截排上部坡面水。

（3）由路面匯入到中央分隔帶的地表水通過集水溝和排水管排除路基。

（4）路堤頂部設置復合土工膜，底部設置毛細水隔離層，分別用于抵消下滲到路床的水分和路堤底部的毛細水對路基穩定性的影響。

（5）若采用鋪植草皮的方式加固坡體，應用于邊坡高度不高的土質邊坡，并增設漿砌片石骨架。

（6）漿砌片石或預制塊的骨架護坡宜做成拱形，骨架嵌入坡體的深度不小于0.5 m，深入到坡面內較為結實的土層中。

4.4 施工工藝和流程的控制

膨脹土路基施工工藝和流程的控制是確保施工質量和進度的關鍵因素。要充分理解并交底每一道工藝流程的目的，確保設計意圖能夠嚴格執行并落實。其中，施工前要確定合理的施工順序和作業流程，膨脹土路基施工工藝與普通路基施工工藝相類似，僅在普通路基施工工藝之上增加了布灰、拌和、二次精平和養生的工藝。施工過程中需要注意土方的濕度和壓實度的控制，并注意水泥和水的混合比例和攪拌時間的控制。每一分項工程完成后要對結果進行質量檢驗并總結分析，以促進施工水平的提高。

4.5 施工管理體系的完善

制定完善的施工計劃，嚴格控制施工進度；完善監理和質量檢驗制度，保證施工質量符合規范；加強現場管理，保證施工安全和施工質量。

5 結論

（1）膨脹土路基的處治是關系到高速公路建設成敗的重要因素，如果不能有效防范膨脹土路基風險，將嚴重影響高速公路項目建設的整體質量。

（2）膨脹土路基的處治方案要結合當地具體的氣候條件與實際膨脹土特性而制定。

（3）廣西高溫多雨的氣候條件加劇了膨脹土路基不均勻沉降、土體強度過快下降而導致的崩解性以及超固結性風險。

（4）高速公路膨脹土地基建設中，應嚴格落實各個階段的施工要點，控制好每個環節的質量，提高工程整體抵抗風險的能力。

參考文獻

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[2]秦梓航. 膨脹土填方路基變形穩定特性及處治技術研究[D]. 南寧：廣西大學， 2021.

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[4]陳文政. 平果至南寧高速公路膨脹土路基處理技術研究[J]. 西部交通科技， 2022（8）： 9-11+122.

收稿日期：2023-08-14

作者簡介：張松（1992—），男，本科，工程師，研究方向：道路工程。