膨胀土特性及施工注意要素分析

2015-06-29王细珍

四川水泥 2015年6期

关键词：边沟路堑路堤

王细珍

(河南省新乡公路桥梁建设有限责任公司，453003)

膨胀土特性及施工注意要素分析

王细珍

(河南省新乡公路桥梁建设有限责任公司，453003)

膨胀土是一种具有特殊性质的土，对公路、铁路、水利等工程危害十分严重。正确判别膨胀土的性质，采取合理的施工措施，加强施工过程的检测控制，可以有效防止病害的发生。

膨胀土；路堤；施工措施

一、概述

膨胀土指土的粘土矿物成分中富含亲水性粘土矿物，具有吸水显著膨胀软化、失水急剧收缩以及往复湿胀干缩特性的高塑性粘土。在公路、铁路、水利和工业与民用建筑中，膨胀土的危害是十分严重的。许多由膨胀土修筑的路基在交工使用之后，普遍出现路基下沉、翻浆、边坡沉坍、滑坡等病害。最近几年修造的高等级公路也出现了油面开裂、松散脱落、路基翻浆等质量问题。

1、判别

膨胀土的液限WL≥50(76g锥确定为40%)，自由膨胀率FS≥40%，胀缩总率＞0.7%。

（1）可根据表1判定膨胀土的等级。

（2）胀缩总率ep3按下式计算：

式中：ep3—胀缩总率，%；

wm—地基土在收缩过程中可能产生的含水量下限值，%；

w—土的天然含水量，%；

Cs1—收缩系数，通过收缩试验确定；

ep50—50kPa压力下的膨胀率，%。

如式中ep50为负值时，按负值考虑；如w-wm大于8%，按8%考虑；小于零时，按零考虑。

（3）地表下1～3m深度内含水量下限值wm，可按下列二种情况分别确定。

①当地基土的收缩变形主要受大气降雨和蒸发影响时，wm可按下式计算：

式中：wm—同上式；

K—条件系数，可按表2选用；

wp—土的塑限含水量，%。

计算蒸发量及降雨量时，均取10年平均值。

KC＜1.00时，为湿润区；KC=1.00～1.49时，为亚湿润区；KC=1.50～3.49时，为亚干旱区KC＞3.50时，为干旱区。

②当常年地下水位比较稳定且位于地表下30m以内时，可取土的天然含水量值。

2、特性

膨胀土的粘土矿物成分中富含有亲水性矿物成分，如蒙脱石、伊利石等；多含有钙质或铁锰质结核；有较强的胀缩性；有多裂性结构；一般呈棕、红、黄、褐及灰白等色；自然坡度平缓，无直立陡坡；对公路路基及工程建筑有较强的潜在破坏作用。

3、分布

膨胀土的分布多具有区域性工程地质特征，多数属浅、坡积型。比较典型的分布区有四川成都平原、广西南宁盆地、河南和湖北的南阳-襄樊盆地、安徽的淮南盆地及淮河岗地等地区。

二、膨胀土的施工措施和要求

1、路基断面

断面形式要求能适应膨胀土的土体稳定特性，有利排水同时减小表水对坡面的冲蚀，有利于土基防水保湿，减少或消除湿胀干缩效应和强度衰减。具体可采取如下措施。

1）采用不透水路面面层以防止表水下渗后软化土基。高等级公路宜采用厚层石灰土底基层。

2）路基横坡应较一般土质路基尽可能大一些，以利排水。

3）路肩应较一般土质路肩适当加宽。

4）边沟需适当加宽并尽可能采用深边沟排水。

5）路侧一般不宜种树。

2、路基高度

路堑开挖导致原有稳定平衡丧失，边坡很易出现变形破坏。路基愈高、边坡愈长，土体临空面愈大。即使经过粉碎碾压施工，但土的微结构和土质特性仍然存在，一部分经粉碎压实后的土体，由于粘土颗粒的重新定向等原因，不仅膨胀潜势没有减小，相反比原状土更大。

膨胀土填筑后，受大气风化和湿胀干缩效应影响，土块崩解，在自重与行车荷载作用下产生压缩下沉。路基高度应做如下考虑。

1) 路基挖、填高度不宜过大，其高度最好不大于3.0m。

2) 超过3.0m的填土路堤，应考虑沉降稳定问题。

3) 高度大于6.0m的路堤则需考虑预留沉降和路基面的加宽，路堑应考虑台阶式断面和坡脚的稳定问题。

3、路基边坡

膨胀土因富含亲水性粘土矿物成分，对环境因素特别敏感。膨胀土的人工边坡较之一般土坡要缓，为增强稳定性，可考虑以下措施。

1) 路基边坡坡度可按普通粘土边坡放缓1～2级。

2) 特殊路基或高边坡，应根据土工试验资料进行稳定性验算后确定。

3) 路基边坡坡面应进行防护。

4、路基排水

如能较好的保持膨胀土中水分稳定，采取防水保湿措施，则可以防止或减轻膨胀土湿胀干缩效应的有害影响。可采取如下措施。

1) 设有完善的排水措施，并形成排水网系，使地表水及地下水能畅通排泄，防止水浸入路基造成土体软化。

2) 路堑堑顶应设截水沟，防止水流冲蚀坡面与渗入坡体。

3) 边沟应较一般土质路基的边沟适当加宽加深。

4) 台阶式高边坡，应在每一级平台内侧设截水沟，以截排上部坡面水，同时也为了保护坡脚。

5) 所有地面排水沟特别是路基范围内或近路基水沟，均应铺砌加固，以防渗漏或冲刷。

5、路基压实

1) 高速公路、一级公路路堤原地面处理可按下列规定办理：填高不足1.0m的路堤，必须挖去地表30～60cm的膨胀土，换填非膨胀土，并按规定压实度压实。一般填高路堤换填深度控制在1.2m左右；地表为潮湿土时，必须挖去湿软土层换填碎、砾石土、砂砾或挖方坚硬岩石碎渣，或将土翻开、掺石灰稳定，按要求压实。一般换土深度可控制在1.2m左右。

膨胀土地区的路堑、高速公路、一级公路的路床应超挖30-50cm，并立即用粒料或非膨胀土分层回填或用改性土回填压实。

2) 压实特性

膨胀土原有结构被破坏，使压实土的膨胀潜力反而较原状土更大。对同一类土而言，若填土的密实度越大，初始含水量愈低，则土的膨胀量和膨胀力愈大，反之，其膨胀量和膨胀力愈小。膨胀土的天然含水量比较高，填筑时欲将土的含水量降到重型击实标准的最佳含水量相当困难，尤其在南方多雨湿润地区晾晒更不容易，费工费时，影响施工进度。填土即使按重型击实标准压实到规范规定的密实度，由于施工期间或通车以后的环境变化，膨胀土仍有可能吸水膨胀而使密实度降低，且压实度愈高吸水膨胀变形愈大。膨胀土因原始结构强度高，粉碎困难，致使压实后的后期沉降量较大，坡度越大，沉降量越大。

6、路堑边坡

为确保路堑边坡的稳定性，在膨胀土施工中，选择合适的施工方法非常重要。为此，应充分了解施工过程中膨胀土的以下重要工程地质特性的变化规律。其变化规律主要有：路堑开挖，即产生卸载膨胀；边坡土体暴露于大气之中，产生脱水风化干缩；遇水膨胀软化。

正确的施工方法和程序，必须注意以下要点：膨胀土施工应遵循先排水、后主体、快速开挖、及时支挡的原则；路堑开挖应自上而下，分层逐级开挖；应尽量做到在旱季施工，集中力量一气呵成；支挡建筑物施工，须从两端开始，采用跳槽开挖基坑，边挖边砌基础的连续作业。

鉴于膨胀土的以上工程特性，应选择膨胀潜势较弱的土，经人工粉碎并控制到要求的填土级配，按规范要求的标准进行压实，严格控制其含水量和密实度。路基建成后，在自然环境条件和路基路面系统影响下，经过防水保湿和自然平衡，土的含水量将逐渐稳定在某一平衡含水量范围内。经过压实和沉降稳定后，土体就不致发生较大的变形。

在实际施工中，除强膨胀土不宜使用外，对中等和弱膨胀土必须采取相应的处理措施。主要办法是在膨胀土中加入稳定剂（石灰、水泥）进行改性处理和冲稀材料（砾石、粉煤灰）从而达到减弱亲水性，增加自身稳定性的目的。