浅析膨胀土的工程缺陷及其处治措施

2012-08-15蒋勇

黑龙江交通科技 2012年12期

关键词：路肩土钉坡面

蒋勇

(重庆市公路工程(集团)股份有限公司)

浅析膨胀土的工程缺陷及其处治措施

蒋勇

(重庆市公路工程(集团)股份有限公司)

介绍了膨胀土作为路基土的干缩湿胀、遇水崩解、多裂隙、超固结、易风化和强度衰减等工程缺陷，解释了膨胀土路基发生沉陷、开裂、边坡溜方、滑坡等病害的原因，并叙述了夯实法、换土法、土质改良法、保湿防渗法、加固路基等工程处治措施及其适用性。

膨胀土;路基病害;处治措施

1 引言

膨胀土在我国的珠江、长江和黄河的中下游及淮河、海河流域的广大平原、盆地、河流阶地和平缓丘陵地带都有集中分布。在这些地区采用膨胀土进行路基填筑，应重视对膨胀土工程性质的了解，采取适当的工程措施进行处治，以提高路基稳定性，避免沉陷、开裂、边坡溜方、滑坡等常见的膨胀土路基病害，确保路基工程质量。

2 膨胀土的工程缺陷

2.1 干缩湿胀

一方面，用于填筑路基的膨胀土如果吸水将产生体积膨胀，从而导致路面隆起变形等病害，就算膨胀受到限制未引起路基变形，但也会产生较大的向外膨胀力作用在路基、路面及支挡结构上。另一方面，它如果失去水分则将产生体积收缩和干缩开裂，进而导致路基沉陷、路面下沉和路面开裂等病害。另外，与一般粘性土的胀缩不同，膨胀土在反复干缩湿胀的情况下，其土体的有效凝聚力会逐渐降低，从而导致土体强度不断下降。

2.2 遇水崩解

浸水后的膨胀土会发生体积膨胀，如果侧向不加以限制土体就会不断产生吸水湿化，并逐渐崩解，导致发生路基崩塌、滑坡等病害。膨胀土遇水崩解的速度与膨胀土类型有关，强膨胀土在浸水几分钟后就几乎崩解完毕，其导致的路基病害会很快发生、破坏力较大。弱膨胀土在浸水后的崩解则需要经过几个月甚更长时间，且一般不会发生完全崩解，其导致的路基病害较轻，发生时间也较晚。中膨胀土遇水崩解的速度和危害则介于两者之间。

2.3 多裂隙

膨胀土是多裂隙的土体，其内部存在大量垂直、水平或斜交的裂隙。裂隙的产生与膨胀土的干缩湿胀特性有着密切的关系，反复的失水干缩和吸水膨胀，破坏了土体的完整性，导致土体结构松散，产生出大量的裂隙。这些裂隙把土体分割成了许多不同几何形状的块体，如棱锥体、棱台体或短柱体等，进一步使土体的完整性遭到了破坏，降低了土体的粘聚力和强度。另外，裂隙的存在还在土体中产生应力集中现象，加剧了土体的破坏。发生在膨胀土路基中的边坡溜方、滑坡等病害，主要是因为土中的裂隙不断发展并逐渐形成软弱滑动面并在雨水作用下发生的。

2.4 超固结

超固结性是膨胀土的一个重要特性，膨胀土在开挖前常常具有较高的固结度、较小空隙率和较大的干密度，从而其初始结构强度较高。但在路基开挖后，膨胀土土体常产生超固结力的释放，在路基边坡、顶面或内部出现卸载膨胀，导致形成应力集中区和塑性区，从而发展为边坡破坏或路基沉陷。因此，膨胀土的超固结性被认为是导致路基边坡渐进性破坏的一个重要原因，越来越受到工程界的重视。

2.5 易风化

在温度、湿度等气候因素的作用下，膨胀土极易遭受风化破坏。在风化作用下，膨胀土的土体结构很快遭到破坏，导致土体强度降低，从而发生剥落、碎裂和泥化等现象，并逐渐导致各种路基病害的形成。

2.6 强度衰减

有研究表明，膨胀土具有明显的变动强度，其强度的最大值为极高的初期强度，其强度的最小值则为极低的残余强度。超固结性带给膨胀土极高的初期强度，但在胀缩效应和风化的不断作用下，土体的强度出现大幅度衰减，直至极低的残余强度。在这一强度衰减的过程中，影响其强度变化的速度和幅度的因素主要有土体的结构和状态、土体的物质组成、胀缩效应的大小以及风化作用的强弱。膨胀土强度衰减的主要原因是土体的反复干缩湿胀和长期的风化作用，其直接后果则导致了膨胀土体的破坏和一系列的路基病害。

3 常用的处治措施

3.1 夯实法

夯实膨胀土对抑制膨胀变形有很好效果。击实能有效增大膨胀土的干密度并减小土的含水量，从而提高其凝聚力和内摩擦角，有效降低土体反复干缩湿胀和减小风化对其的作用，改善膨胀土的工程性质，增大膨胀土路基的承载力。对于小范围的膨胀土路基，夯实法简单有效，成本较低。但对于大范围的膨胀土路基处理，夯实法则耗时费力，成本较高。

3.2 换土法

将膨胀土挖除，采用普通土、灰土或砂砾来进行置换。这种方法在膨胀土层分布较薄地区的路段较为适用，施工简单、造价不高又能起到彻底根治病害的作用。但对于膨胀土层较厚地区的路段，全部进行换填则不太现实，可采用部分挖除并铺设砂、碎石垫层的方法来减小膨胀土引起的危害。

3.3 土质改良法

将一定比例的石灰、矿渣、粉煤灰、砂砾石、水泥或其混合物掺入膨胀土中能起到有效改善膨胀土的工程性质的作用。采用膨胀土作为路基填料时，掺入石灰是最常用的土质改良方法。石灰与土发生一系列的物理、化学作用，主要包括离子交换作用、结晶硬化作用、火山灰作用和碳酸化作用。石灰的固化作用能有效降低膨胀土的胀缩性，使土的性质发生根本改变，大大提高强度和稳定性。土质改良法工艺简单、施工快速，但处治成本较高的，一般适用于填土高度不大的路堤。

3.4 保湿防渗法

由于水分对膨胀土影响巨大，路基中的水分变化会导致膨胀土反复的吸水膨胀和失水收缩，降低土体的强度。因此，可以通过保持膨胀土路基的水分不变来抑制其胀缩变形。具体来说，就是采取有效的保湿防渗手段，防止路基边坡和路肩土体发生吸水膨胀、失水收缩、表层风化、强度衰减等现象。常用的工程措施有路基坡面和路肩的表层防水、土钉锚杆护坡和路基两侧增设隔水墙等。

(1)路基坡面和路肩的表层防水。①在路基坡面和路肩采用二灰土或三合土进行封面处治，封面土层的厚度一般可采用0.2～0.3 m。②采用土工合成材料对坡面和路肩的表层进行封面处治，并于其上采用0.1 m粘土夯实。③包盖边处治，用符合要求的非膨胀土对膨胀土堤进行包围填筑，分层填筑并压实，包盖边厚度一般应大于1.5 m。④采用石砌菱形或拱形骨架进行护坡，为防水分渗入，菱形或拱形骨架中间一般采用二灰土或三合土进行封闭处治，封闭土层的厚度可根据骨架尺寸大小采用0.2～0.3 m，为防止水分对封面的冲刷，还可在骨架内的封面土层上铺设草皮。⑤采用厚0.25～0.3 m浆砌片石封面。采用上述封闭措施，对坡面或路肩进行表层防水，施工简单、效果良好，经济适用。

(2)土钉锚杆护坡。土钉锚杆护坡是一种以土钉作为主要受力构件的边坡围护结构技术，它广泛应用于基坑围护工程中。此护坡技术利用土钉锚杆和坡面钢筋网架筋的共同作用对坡面起到“框箍”作用。一方面，土钉墙有明显的保湿防渗作用，能使坡面土的含水率、干重度保持在一定范围内，从而有效防止土体膨胀力，抑制湿胀变形。另一方面，土钉锚杆能起到强度补偿作用，尽管土体的抗剪强度因其反复的干缩湿胀现象而不断降低，但在土钉锚杆的作用下，坡面受到了钢筋网架施加的预压力，从而使土体强度有效增加，提高了边坡土体的稳定性。当然，这种护坡技术施工工艺较为复杂、造价也较高，一般可用于具有高大路基边坡且其潜在膨胀性较强的局部路段。

(3)路基两侧增设隔水墙。一般来说，路基坡面和路肩的表层防水较好的路基，阻断了天然降雨进入路基的途径，防止了膨胀土因雨水渗透浸入而产生的膨胀。但是，水分还可能通过地面积水或地下水沿路基边坡两侧坡脚侵入，而导致膨胀土路基的膨胀破坏。对此，工程实际中常采取在路基两侧增设一道至多道隔水墙或止水帷幕的方法，阻止地面积水或地下水的侵入，提高膨胀土路基的稳定性。隔水墙宽度一般为0.5 m左右，厚度一般为1.5 m左右，材料采用石灰土、二灰土或三合土，夯实后铺设在路基两侧的地面以下。该法施工工艺简单，常用于路基两侧有地下水或地面水侵入的路段。

3.5 加固路基

(1)设置抗滑桩。在某些不良工程地质或水文地质的路段，膨胀土路基易发生滑坡等灾害，导致道路破坏、行车中断，甚至带来人员伤害。为了防止此类事故的发生，宜采用单排或双排预制抗滑桩对路基边坡一侧或两侧进行加固，抗滑桩常采用钢筋混凝土结构，桩径一般为0.5～1.5 m，桩间距一般为3～5 m，桩体间常加设冠梁和横向支撑等多种结构以提高抗滑桩的整体强度，确保路基的整体和抗滑稳定。

(2)设置挡土墙。挡土墙能承受侧向土压力，防止土体坍滑，起到增加膨胀土路基的边坡稳定、减小填方和节约道路用地的作用。值得注意的是，膨胀土地区挡土墙常发生墙体上部的剪切破坏，这正是膨胀土遇水膨胀这一工程性质导致的。有研究表明:膨胀土遇水后产生的膨胀压力最大值甚至会达到库仑土压力的20%左右，其在挡墙上的分布范围常为墙高上部2 m左右。此部分墙体除了要承受一般土压力的作用，还要承受土体膨胀压力的作用，而在挡墙设计中往往只考虑了一般土压力的作用，而没考虑膨胀力的作用，导致了挡墙设计强度不够而被破坏，这是在膨胀土地区进行路基挡土墙设计时应引起注意的。