膨胀土分类及其路基病害处置措施

□姜涛 张治国 马玉梅 朱英珍

膨胀土分类及其路基病害处置措施

□姜涛 张治国 马玉梅 朱英珍

公路路基；膨胀土；工程特性；路基病害；措施

近几十年来，世界上有20多个国家在交通建设中遇到了膨胀土的危害问题。我国地域辽阔，随着公路里程建设的不断增多，有相当一部分地区公路在建设过程中也遇到了膨胀土问题。膨胀土路基作为特殊路基的一种，具有吸水膨胀、失水收缩、反复变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，对高等级公路路基和边坡工程所产生的变形破坏巨大，需要花费很大的资金来进行改造或维护。因此，分析膨胀土的性质，研究其病害，对于治理膨胀土的工程灾害具有重要的现实意义。

一、膨胀土的分类

世界各国对膨胀土的相关工程研究已有70余年的历史。在我国，由长沙理工大学郑健龙主持的“膨胀土地区公路建设成套技术”项目，其中“封闭包盖、保湿防渗、以柔治胀”的思想理论，被广泛运用于膨胀土路堤处理和边坡稳定方面。与传统的方法比较，该方法处治效果更加明显。例如，1996年以来，该理论被广泛应用于全国10个省区的20多条高速公路和南水北调工程中，共产生直接经济效益11.75亿元，并节约建设用地1.6万余亩，其应用前景、产生的效益突出，被交通运输部列为重点推广技术。

膨胀土的透水性很弱，但当膨胀土暴露于大气之中后，在风化营力作用下失水开裂后，其透水性将显著增加，然而裂隙附近的土含水量增加将产生膨胀而封堵裂隙，从而阻止水向土体内部的进一步渗入。

在膨胀土地区建设施工，应根据不同类型采取各自的工程对策。能否准确地对膨胀土类型进行辨识，判断其膨胀性能的强弱显得比较关键，以便为后期的工程设计和施工打下基础，否则，会导致工程病害的发生。国内外提出的用于膨胀土胀缩等级评判的指标和相应的评判标准较多，如柯尊敬标准、美国垦务局标准、膨胀潜势标准、杨世基标准、杨涛等提出的等效数值评判法、李生林等提出的塑性图判别法等。笔者依据国家交通运输部通用的《公路路基设计规范JTJ013-95》标准对膨胀土性能进行分类，具体分类见表1所列。

表1 交通运输部《公路路基设计规范JTJ013-95》标准

比如，商洛至商州高速公路月子岭段，属于山间盆地、粘土型地貌，中间有膨胀土夹层，经检验其自由膨胀率在47%～69%之间。该工程共产生挖方110万立方米，最高边坡达32米，对照表1中数据可知该路段膨胀土呈中弱膨胀性。为此，西商高速公路管理处多次组织专家到现场调研，针对该地段膨胀土的物理及力学性质，根据地质勘测所得数据，并借鉴国内治理膨胀土的工程经验，最后采用抗滑桩支挡、坡面排水相结合的综合治理方案，取得了增强坡面排水能力、降低土体膨胀率、减少土体遇雨膨胀的良好效果。由此可见，只有认真研究高速公路建设区膨胀土的性质，正确地对土壤的膨胀性能做出分类，才能为后期的施工处理打基础，做出客观实际的应对措施，防治灾害的发生，同时也节省了人力和物力，加快了施工进程。

二、膨胀土的工程特性

1.胀缩性

膨胀土吸水后体积膨胀，使其上面的建筑物或路面隆起。如果膨胀受阻即产生膨胀力，失去水分后体积收缩，造成土体开裂，并会使其上面的建筑物下沉。膨胀土的胀缩性有别于其他粘土，重复多次干缩湿胀后，在很大程度上降低了土体的有效凝聚力和强度。膨胀土的胀缩特性往往会导致裂缝的产生。

2.崩解性

膨胀土浸水后体积膨胀，在无侧限压力的情况下会吸水湿化。且不同类型的膨胀土其崩解性不一样，强膨胀土浸入水后，几分钟很快就完全崩解；弱膨胀土浸水后，则需要经过较长的时间才能逐步崩解，且不完全崩解。

3.裂隙性

膨胀土中的裂隙，主要分为垂直裂隙、水平裂隙与斜交裂隙3种类型。裂隙将土体分割成不同几何形状的块体，如菱块状、短柱状等，且破坏了土体的完整性。膨胀土路基边坡的破坏，大多与土中裂隙有关，且滑动面的形成主要受裂隙软弱结构面控制。

4.超固结性

膨胀土大多具有超固结性，天然空隙比较小，干密度较大，初始结构强度较高。超固结膨胀土路基开挖后，将产生土体超固结应力的释放，边坡与路基面出现卸荷后膨胀，并常在坡脚形成应力集中区和塑性区，使边坡产生破坏。

5.风化特性

膨胀土受气候因索影响，极易产生风化破坏作用。路基开挖后，土体在风化作用下，很快会产生碎裂、剥落和泥化等现象，使土体结构破坏，强度降低。按其风化程度，一般将膨胀土划分为强、中、弱3层。

三、典型的病害类型

1.裂缝

膨胀土路基出现的反射裂缝大多是由于土体的失水收缩所致，缝宽度一般在1～3厘米。在整个路幅内，随土基含水量的变化引起不均匀的胀缩，而产生横向的波浪变形。由于路基填土的密实度未达到规范要求，在大气干湿交替变化中，常会在路肩沿路线方向产生纵向开裂。

2.翻浆冒泥

路基上部在气温高低变化的作用下，反复热胀冷缩，然后在水的作用下路基土迅速吸水膨胀，其强度也迅速降低，此时在行车荷载等外力作用下，路基和面层之间形成的泥浆被挤压上翻，从而对路面造成破坏。如果在雨季路面渗水后，在行车荷载作用下，常会出现沿路面裂缝、伸缩缝溅浆冒泥的破坏。

3.坍肩和溜坍

在进行碾压时，路堤外边缘受力不均匀，其土体压实度难以达到标准，会造成路基强度不足。在雨季或潮湿季节，水渗入路基，在荷载作用下产生滑坍，随时间推移由路边缘向路面中心破坏。当表层风化、吸水过饱和，在行车荷载作用下，常出现沿坡面向下的塑流状路基塌移。

4.搓板

搓板是黑色柔性路面最常见的病害之一，在膨胀土地区，在整个路幅内路基吸水后含水率不均匀变化。当路基路面较宽时，会差别较大的横向变形，这种变形就造成车辆行驶时发生剧烈颠簸震动，长时间会产生路面搓板。

5.路基下沉

在有裂缝的路基路面处，在雨季或汛期雨水沿裂缝渗入，膨胀土路基迅速吸水膨胀，强度降低，随后土体发生崩解。在上部路面、路基自重与汽车荷载的作用下，基床翻浆冒泥，路基下沉，并促使混凝上路面板块错台、断裂。当一部分软化土被挤出后，路基会产生沉陷，从而降低了路面的平整度，造成路面沉陷破坏。

四、膨胀土路基处理方法

膨胀土路基病害常常会造成道路破坏，并影响交通。常见的几种典型的膨胀土路基处理对策如下。

1.换填基床

在具体施工过程中，先挖掉工程性质不良的膨胀土，再换上填好的非膨胀土或砂砾土。由于各地区的膨胀土的临界含水量不同，换土的临界深度通常在1～2米，因此应根据膨胀土的强弱和当地的气候特点来确定换土的深度，同时做到快速施工，保证路床不受地表水的浸害。

2.增设隔水墙

膨胀土路基面层的结构和材料相对密实，雨水和径流不易渗入，在路面横坡的作用下，雨水沿路肩或边坡排出，在流量较大部位会产生路肩失稳现象。此时，可采取在路基的两侧增设隔水墙的办法，待隔水墙夯实后铺设在基层以下1.0～1.2米的深度内。

3.改良土质

在膨胀土中加入工程性质稳定的石灰、水泥、粉煤灰等建筑材料，以增加路基的强度。在遇到弱膨胀土土质时，《公路路基设计规范》中常用的方法是掺入石灰，使其中的钙离子与膨胀土中的蒙脱石、伊利石等矿物发生化学作用，使膨胀土减弱亲水性，从而达到使土基自身稳定的目的。

4.湿度控制法

膨胀土路基处理可采用预先加湿和维持含水量两种方法。尽量维持原土体的含水量，使其不受扰动，减少受外界环境影响的程度，在施工时采取封闭隔绝的方法。利用土工布或粘土处理，尽量减少膨胀土内部的湿度迁移。

5.土钉锚杆护坡

路基边坡的防护也会对路基起到很好的保护作用。在高路堑的膨胀土地区，可采用土钉锚杆和坡面筋网架方法对坡面加固，该方法通过施加预应力，在土体膨胀时有一定伸缩性，允许一定的边坡变形。一方面，控制土体膨胀力，控制变形，保持土体的湿度。另一方面，抑制因反复干缩湿胀，降低土体抗剪强度。该方法施工难度大、造价高，多用于膨胀土高边坡路基的局部。

由于膨胀土路基工程性质存在诸多缺陷，要从设计开始分析膨胀土的类型，进而研究其工程特性，预测可能出现的路基病害类型，在施工、维修方面建立综合防治病害体系；确保膨胀土路基的防水、保湿，防止其反复变形；路堤高度的设计，其边坡采用的柔性或刚性坡面防护都应考虑在内；路基强度的处理，从而使膨胀土路基尽量减少病害，能更好地发挥性能。

（作者单位：青岛市公路规划设计院；中交公路规划设计院有限公司；榆林路桥勘察设计院；长安大学公路学院）

10.3963/j.issn.1006-8864.2014.12.018