膨胀土的特性分析与路基设计措施

李志波

摘要：膨胀土的特点是岩土中含有大量的亲水性粘土矿物成份，在环境湿度变化影响下，可产生强烈的胀缩变形。邯郸是膨胀土的集中分布区，需要针对膨胀土特点，采取有针对性的防治设计措施，确保路基设计整体可靠性，并达到最佳效果。

关键词：膨胀土 特性分析路基设计

中图分类号：U448文献标识码： A

1膨胀土的主要工程地质特征

1.1 膨胀的粘土矿物成份主要为蒙脱石和水云母等亲水性较强的矿物，具有吸水膨胀，失水收缩的性。其中蒙脱石含量愈高，土中扁平颗粒定向度愈强，其胀缩性愈强。此外，土的初始含水量和干密度也对其胀缩性有明显影响。初始含水量愈大，干密度愈小，其膨胀量愈小，收缩量愈大；反之，膨胀量愈大，收缩量愈小。因此，在工程中可利用往膨胀土中掺加非膨胀土或白灰和粉煤灰的方法降低其胀缩性，也可采用温度控制的方法，减少其胀缩量。

1.2 多裂隙性

膨胀土由于吸水膨胀，失水收缩，使土体中裂隙发育。裂隙面是土体中的主要软弱面，大多数膨胀土滑坡均是循裂隙面发展而成。膨胀土中软弱裂隙面的存在是土体失稳破坏的主要原因。

1.3 强度衰减性

膨胀土的抗剪强度具有典型的变动强度特征，其天然峰值强度极高，残余强度极低。此外，膨胀土强度衰减还与气候条件及施工条件有关，一般雨季衰减快，旱季衰减慢；开挖面大，在空中暴露时间长，其强度衰减快。因此膨胀土路基尽量选在旱季施工，不要采用全断面开挖，开挖后要及时封闭。

1.4 超固结性

膨胀土形成年代较早，在漫长的地质历史过程中曾经经受过比目前的上覆压力大的荷载作用，已达到完全或部分固结的程度，具有较大的结构强度，呈超固结状态。其初始强度高，但风化后强度衰减很快。

1.5 崩解性

膨胀土吸水后体积膨胀、软化、解体。一般强膨胀土崩解快，弱膨胀土崩解慢。初始含水量愈高，土崩解愈慢；反之，崩解愈快。

1.6 风化性

膨胀土因富含亲水性粘土矿物，具有非水稳性和多裂隙性，对水、热特别敏感，暴露于大气中后很快会产生风化。膨胀土风化程度由地表向下逐渐减弱，一般可分为3个带；

（1）强风化带 位于表层，厚1.0m，裂隙极发育，土体呈松散碎石或砂粒状；

（2）弱风化带 位于强风化带下，厚1.0～1.5m，裂隙发育，呈张开状，土体呈碎块状；

（3）微风化带 位于弱风化带下，厚大于1m，裂隙不太发育，呈闭合状，土体呈棱块和短柱状。

膨胀土中的风化带分界面是一个主要的软弱面，膨胀土边坡的破坏大多沿此面发生。

2膨胀土地区公路路基病害及成因分析

2.1 路堑变形破坏类型

（1）冲蚀坡面松散表土在集中水流冲刷侵蚀作用下，沿坡面形成的沟状冲蚀现象。主要发生在雨季。

（2）剥落路堑边坡表层强风化土体在重力作用下沿坡面滚落的现象，主要发生在旱季。

（3）溜塌边坡表层强风化层内的土体，吸水膨胀软化，处于过饱和状态，在重力与渗透压力作用下，沿坡面向下产生塑流状塌移的现象。常发生在雨季。

（4）泥流坡面松散土粒与坡脚剥落堆积物，被水流裹带搬运形成。常堵塞边沟或涵洞，严重者可冲毁路基，淹埋路面。

（5）坍滑边坡浅层膨胀土体，在湿胀干缩效应与风化作用影响下，土体强度衰减，稳定性变差，沿一定滑面整体滑移并伴有局部坍落的现象。

（6）滑坡边坡土体开挖后，由于坡脚支撑或软弱夹层被切断，在胀缩效应与风化作用的影响及水的促滑作用下，边坡土体丧失稳定平衡，沿一定滑面整体向下滑移的现象。

2.2路堤变形破坏类型

（1）沉陷主要由于填土压实不够，膨胀土湿胀干缩效应和崩解引起。

（2）纵裂路肩顺线路方向产生的纵向开裂，主要由于该部位填土压实不够，路肩临空，受风华作用，影响面大，干湿交替频繁引起。

（3）坍肩坍肩主要是由于路肩土体压实不够，又处于两面临空，易受风化作用影响，强度衰减所致。

路堤变形破坏类型除上述几种外，还有溜塌、滑坡等，其主要由于表土压实不够，风化剧烈所致。

综上所述，膨胀土路基变形破坏主要是由于膨胀土表层风化效应、湿胀干缩效应及软弱结构面效应所引起。此外，路堤填料选择不当，施工时压实不够都会引起路基病害。因此，在进行膨胀土路基设计时要密切注意这些问题。

3膨胀土地区的公路路基设计

3.1路基主体设计

路基主体设计包括路堤和路堑的外形设计及路堤填料选择，要满足稳定、环境和经济要求。

（1）路堤

应选用非或弱膨胀土作填料，用中膨胀土作填料需进行改性处理或做成包心路堤。同一类型的土最好填筑在同一层，压实度要均匀。胀缩性较大的土最好填在下部，上部为非或弱膨胀土，其目的是利用自重限制膨胀。

由膨胀土填筑的路堤一般不能过高，边坡坡度不宜小于1：1.75，一般采用直线或折线坡。高路堤应设边坡平台，平台上要设排水沟。

（2）路堑

膨胀土路堑设计视膨胀土类别和边坡高度而定。中一弱膨胀土矮边坡一般采用直线或拆线坡，强膨胀土路堑或高边坡采用台阶形边坡。边坡平台依软弱面位置可设一道或多道，平台上设排水沟或支挡设施。边坡坡脚要留边沟平台，防止边坡垮落物堵塞边沟，影响排水。

膨胀土边坡坡度视膨胀土类别和坡度而定，可参考规范办理。

3.2 路基防护与加固设计

膨胀土地区路基病害大多发生在边坡上，所以其路基防护与加固设计主要为边坡防护与加固设计，有坡面防护和支挡工程两类。

（1）坡面防护工程

坡面防护工程是针对膨胀土易随含水量变化产生胀缩变形和易风化的特征，采取的一些坡面防护措施，主要有植物防护、片石护坡等：

①植物防护用于坡面防水保湿和防水流冲刷，主要措施有植树、种草、铺草皮等，其中以铺草皮和种紫穗槐效果最佳。当边坡高度不大时，植物防护可单独使用；当坡高较大时，可配合其它防护措施一起使用。对风化层较厚或易风化、易产生胀缩变形的强膨胀土边坡，当坡高不大时，应尽量采用扎根深、固着力大，蒸腾量小的植物防护。植物防护是一种柔性防护，它可适应膨胀土边坡较大的胀缩变形，又能起到减缓风化、减轻水流冲刷、美化环境的作用。因此，应尽量多采用适宜的植物防护，充分发挥其综合效能。

②骨架护坡用于防止坡面表土冲刷，加强风化层土体的支撑稳固作用。用于风化层较浅的膨胀土边坡，骨架形式有方格型、拱型和人字型3种。一般采用片石砌筑，骨架内铺草皮，种紫穗槐或抹面。由于骨架嵌入坡面深度小于1.0m，所以当风化层厚度大于1.0m时，应设支档工程。

③片石护坡用于整治已产生局部溜塌变形的边坡，有干砌和浆砌片石两种。干砌片石用于已变形的坡面嵌补，恢复坡面的完整。浆砌片石护坡整体强度较高，自重较大，对抑制土体膨胀有一定效果，同时，也可起到防风化作用。应注意的是浆砌片石护坡必须设泄水孔，防止坡后积水引发胀缩变形。

④全封闭护坡有混凝土抹面和混凝土预制块护坡两种。用以防止表土风化和表水冲蚀坡面，混凝土块还具有抑制膨胀的作用。但全封闭护坡不能排出坡内水流，且混凝土隔热性差，因此不适用于渗水边坡。

（2）支挡工程

支挡措施主要有挡墙、抗骨桩、片石垛等，用于防治有可能下滑的土体。一般用于风化层较厚的强膨胀土边坡，也用于滑坡治理。支挡措施可依软弱面位置设置一道或多道，其埋深要穿过风化层或软弱层深度，基础要牢固。

支档措施一般和其它坡面防护措施一起使用。

3.3 路基排水设计

水是影响路基稳定的主要因素，膨胀土对水尤其敏感，只要土中含水量有1%的变化，就会引起土体发生胀缩变形。此外，水对边坡还有冲蚀和引起风化的作用。因此，在膨胀土地修建公路必须要设置完善的排水系统，并保证其发挥效能，运转良好。

膨胀土路堤要设置坡脚排水沟，排除路基附近的地面水；高路堤要在边坡平台上设排水沟，减少冲刷下部坡面的水量并设支撑渗沟排除堤内水。

膨胀土路堑要设边沟排水；每级边坡平台均要设排水沟，减轻坡面水对下部边坡的冲蚀作用；堑顶上方要设一道或多道截水沟，排除流向路基的地面水。且堑顶上方一定范围内不得有蓄水设备，否则要做好防渗工作；边坡内地下水可由水平孔或支撑渗沟排除。

当地基地下水位较高时，可于排水沟或边沟下设置盲沟，以降低地下水位，减轻其对路基的不利影响。

膨胀土地区的排水沟比一般地区的排水沟断面要大要深，并且均浆砌加固，防止渗漏。排水纵坡要略陡一些且横向排水的距离不能太长。路基要及时设置横向排水设施，如吊沟、渡槽等，以使可能威胁路基安全的水尽快排离路基。排水沟要定期清淤，防止淤塞溢水。

3.4环保设计

（1）植物防护膨胀土路基边坡如有可能尽量采用植物防护，尤其扎根深、固着力强的植物。植物防护是一种柔性防护，具有防水保湿、防风化、防水流冲蚀的特性，又可起美化环境、净化空气、调节气温的作用，是一种综合性的防护措施，也是目前路基防护的主导潮流。

（2）植树造林膨胀土路基除了要采用正确的路基主体设计、路基防护加固设计和排水设计措施外，还要注意路基外围的环境保护工作，如植树造林等。植物根系可固着土壤，减少水土流失；植物还可起到降低水流流速，减小其冲蚀能力的作用。

4 结语

膨胀土是一种工程地质性质非常复杂的特殊土，对环境（尤其水）的变化非常敏感，具有易风化、易产生胀缩变形、多裂隙和强度衰减等特征。因此在膨胀土地区修建公路，要针对膨胀土的特点和具体情况进行合理的设计。