高速公路膨胀土路基处理的探讨

2009-09-29吴磷

新媒体研究 2009年14期

吴　磷

[摘要]膨胀土路基问题已成为一个公路建设无法回避的问题，对膨胀土的物理力学进行分析，解释路基病害形成的机理，提出设计的原则。

[关键词]膨胀土边坡失稳路基处理

中图分类号：TU4 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2009）0720081－01

膨胀土在日本被称为“难对付的土”，在美国被称为“问题多的土”，它是一种高塑性土，土中粘粒含量一般>30%，且粘粒成分主要由亲水矿物蒙脱石和伊利石组成，具有显著的吸水膨胀和失水收缩变形特点。膨胀土在我国贵州、云南、广西、河北、湖南、湖北、安徽、江苏等省地分布广泛，在这种地区修建工程，出现了一系列的问题或事故，逐渐引起人们的重视和研究，在20世纪50～70年代国际上研究膨胀土曾一度形成热潮，我国最早的研究是从20世纪60年代，起因是为解决膨胀土地区房屋开裂和倒塌，主要研究膨胀土的鉴别、测试技术等，并制定相关的规程规范，研究的理论偏重于膨胀土的变形问题，也涉及其他问题，如膨胀土的填筑标准等。20世纪70～80年代，铁路部门针对当时中西部地区若干条新建铁路的边坡失稳问题，花了大量的研究经费进行了“裂土基本特性及其在路堤、路堑、边坡工程中的应用技术条件研究”，对裂土（即膨胀土）的基本性质、测试方法、判别标准、填土的填筑条件以及处理措施等进行了多方面的试验研究，获得了许多有用的成果。到20世纪90年代始，中国开始大规模兴建高等级公路，膨胀土路基问题已成为一个公路建设无法回避的问题。

一、膨胀土路基的病害及其形成机理

在膨胀土路段修筑高速公路，常见的病害总结归纳为两大类：（1）挖方边坡的边坡失稳；（2）填方路段的路基变形。

（一）膨胀土的边坡失稳

1．膨胀土的特性。膨胀土具有一般粘性土所没有的特殊性质，通常把这些特殊性质归结为“三性”，即胀缩性、裂隙性和超固结性。膨胀土的胀缩性是指膨胀土吸水膨胀，当膨胀受阻，产生膨胀力；失水体积收缩，造成土体开裂。胀缩性与土体的蒙脱石含量呈正比，也与土的初始含水量有关系，当初始含水量越低，膨胀量和膨胀力越大。膨胀土分布较多的裂隙，主要可分为垂直裂隙、水平裂隙和斜交裂隙三种类型，这些裂隙将土体层层分割成具有一定几何形态的块体，破坏了土体的完整性。膨胀土大多具有超固结性，天然空隙较小，干密度大，初始结构强度较高，当路基开挖后，将产生土体固结应力释放，边坡与路基面出现卸荷膨胀，常在坡脚形成应力集中区和较大的塑性区，使边坡容易破坏。膨胀土的这三种特性是相互关联的，胀缩性是由于土的粘土矿物成分、胶结物质成分和结构特征而造成的遇水膨胀、失水收缩的特性，属于“内因”。由于膨胀软化或收缩开裂而导致土的体积和状态的变化，从而使土开裂，故胀缩性是引起裂隙性的主要原因之一。但裂隙性对土体的强度影响极大，因为裂隙不仅破坏了膨胀土的整体性，而且裂隙为雨水的渗入开了“方便之门”，使水分快速进入土体中，使在裂隙周边的土体迅速软化，并逐渐向周围扩展，同时负孔隙压力（吸力）也迅速降低，由此大大地降低了土的抗剪强度，使土体容易沿薄弱结构面滑动，因此裂隙性是影响土坡稳定性的关键因素。至于超固结性是由于土层的沉积受荷历史、年代和土体干燥与陈化等因素引起的，它会促进裂隙的发展和土体软化特性的加剧，因此是一个促进膨胀土特殊性质的因素。鉴此，可以认为，裂隙性是影响膨胀土力学性质和边坡稳定性的关键因素，胀缩性是内在因素，超固结性是促进因素，三者互有联系但不是并立的。

2．边坡失稳的特征。膨胀土边坡失稳有几个明显的特征：（1）滑动往往在持续降雨的情况下发生；（2）多数属浅层滑动；（3）有不少滑坡是渐进式的或牵引式的；（4）在相当平缓的边坡上也会发生。有试验资料表明，当膨胀土经过雨水浸泡2d以后（有时会到4～6d），土的表层的吸力（负孔压）开始急剧降低，甚至达到零或小量正孔压，但其影响深度仅为210m左右。这是因为降雨前土体受气候等影响，在115～210m深度内，发育了密集而又有一定开度的裂隙。这时的入渗情况与降雨初期的入渗情况有根本的区别，因此继续入渗深度极其有限，一旦雨停后，入渗即刻停止，土中的水分继续向周围扩散，土中的负孔压又会再次出现和发展。含水量的变化规律基本与此相同。

土体的吸水膨胀带来两方面的问题：（1）降低了土中的负孔压（吸力），使有效应力降低；（2）土体因膨胀而软化，使土的抗剪强度指标降低（尤其是C值）。这两者都削弱了土的抗剪强度从而使边坡失稳。但这种情况只发生115～210m左右的深度内，以下的土层影响较小，它们的抗剪强度也基本保持在原来非饱和状态时的值，这就是膨胀土边坡常常出现浅层滑坡的主要原因。降雨初期，水平位移主要沿顺坡向发展，沿横坡向的较小，这与顺坡向压应力有关。其次，坡面下部的水平位移比坡面上部的大得多。这预示着如果边坡失稳，则滑坡可能先从下部发生，然后逐步向上牵引式发展。

（二）膨胀土的路基变形

在膨胀土路段填筑路基，常发生的路基变形表现在地基的变形和路基沉陷。

1．地基的变形。在膨胀土路段填筑路基，往往施工时，地土未处于饱和状态，当地下水位升高或地表水下渗，由于膨胀土的胀缩性，加上路基自身和汽车荷载的综合作用，致使地基土隆起，产生不均匀变形。

2．路基的沉陷。当采用未处治的膨胀土填筑路基后，裸露的土体受到大气物理风化作用，致使土体含水量发生变化，在膨胀土的胀缩作用下，产生附加应力，当受到周边土体约束时，应力聚集，达到土体极限平衡状态应力时，土体结构发生破坏，整体强度下降，产生路基沉陷。

在工程实践中，膨胀土的路基变形较边坡失稳易于处治。

二、膨胀土路基设计原则

通过以上分析来看，膨胀土路基设计应该考虑以下几点：

1．保湿设计。要确保膨胀土的含水量在施工前后变化不大，还要根据膨胀土的特性保证膨胀土处于稳定的含水量状态。

2．防排水设计。不仅要加强地面排水，也要加强地下排水。

3．加固坡脚设计。由以上分析可知，膨胀土边坡失稳最先发生在坡脚，对膨胀土的坡脚应设置必要的支挡防护。

4．膨胀土路床应进行换填处理。处理深度应大于当地大气影响深度。

早期公路、铁路在处理膨胀土挖方边坡时，均采用全断面圬工防护，虽然使用效果较好，但路容较差，不符合新的设计理念。最近几年，高速公路探索着采用工程加植物的治理措施，已取得了不少的成功实例。