膨胀土包芯填筑路基变形开裂原因分析与处治

罗得把，米德才，叶琼瑶

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029)

膨胀土包芯填筑路基变形开裂原因分析与处治

罗得把，米德才，叶琼瑶

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029)

文章结合南宁外环公路工程实际，分析了该膨胀土包芯填筑路基变形开裂情况，揭示路基基底存在软弱土层是膨胀性泥岩包芯筑填路基变形开裂的主要原因，场地微地形及特定地下水环境对路基变形开裂也有一定不利影响；提出采用压力化学灌浆对基底软弱土体及填筑土体进行固结增强，并于坡脚设置微型钢管群桩加钢筋混凝土系梁加固稳定路堤坡脚，处治效果良好。

南宁外环公路；膨胀土包芯利用；路基开裂；化学灌浆；微型钢管桩

0 引言

南宁外环公路是国家高速公路网规划“7918”网中“横18”广州至昆明高速公路的重要路段，于2009年6月23日开工建设，路线全长81.54 km，设计速度120 km/h，双向4车道，路基宽28 m，于2014年12月26日建成通车。

K6+000～K29+600段自西北向东斜穿南宁盆地。南宁盆地是中国典型的膨胀性岩土分布区，以灰黄、灰白色粘土及灰绿、青灰色泥岩为典型代表。公路膨胀土路段挖方总量约为240万方，为了减少膨胀岩土弃方占用更多的土地资源，公路修建期间，专门对膨胀土路堤包芯利用进行了研究。

K9+700～K9+800是利用膨胀土包芯填筑路堤的段落之一，路段在铺筑路面水泥稳定碎石基层后，发生变形开裂。由于是利用膨胀岩土包芯填筑的路段，各方对开裂原因给予了高度关注，设计单位对开裂路段进行了详细勘察，对裂缝基本特征、路堤岩土体结构、裂缝发育区内的微地形及水文地质条件等进行了综合分析，查明了路基基底存在的软弱土层是路基开裂根本原因。在查明原因的基础上，制定了开裂路基的处治方案。从目前公路表观看，路堤稳定，路面平整，表明处治效果较好。这一案例为类似膨胀土路基的综合治理方案设计、施工措施提供了一定的借鉴经验。

1 工程概况

南宁外环公路K9+700～K9+800段为过水塘路段，勘察阶段的软土平均厚度为2.8 m，采用换填透水性良好的材料处理，但实际施工时换填不彻底，底层还存在软弱土层，厚度为0.55～2.0 m不等。

路堤采用膨胀性泥岩包芯利用方案，以弱膨胀土作为路堤包芯填料，其胀缩总率≤0.7%，天然稠度为1.00≤ωc≤1.30；包边土为非膨胀土，填料选用隔水性、施工碾压性好的非膨胀性粘土，其标准CBR试验强度在3%以上，包边宽度大于当地干湿循环显著影响区范围1m。膨胀土包芯层约6m，路基按1∶1.5的坡率进行填筑，高度为8～12m。

路堤于2011年3月开始施工，2013年7月完成级配碎石垫层及水泥稳定碎石基层，于2013年10月14日发现路基出现四条裂缝：裂缝①，呈直线形，长67.8m，距路中心10.25m，宽度为1～30mm，其左侧路面有轻微沉陷，起止桩号为K9+700～K9+767.8；裂缝②，呈直线形，长59.8m，距路中心4.6m，宽度为1～30mm，起止桩号为K9+725～K9+784.8；裂缝③，呈曲线形，长约10m，出现在K9+760位置；裂缝④，呈曲线形，长约13.6m，出现在K9+764右半幅位置，路缘石的边界处水泥浆亦出现裂缝。路堤两侧边坡不够平整，雨水冲刷破坏较严重，局部路堤边坡骨架鼓胀破坏，出现脱空断裂现象。

2 路段地质条件

采用地质测绘、钻探、探槽、标准贯入试验、室内土工试验等勘察方法，查明路基开裂的范围、形态、规模、地质结构、水文地质条件及岩土体的物理力学性质，共完成钻孔6个，取原状土样23件，原位测试43次，编制了若干工程地质分析图件和岩土物理力学指标统计表。

2.1 地形地貌

场地属剥蚀残丘地貌。路段原始地形波状起伏，地面高程为110～138m，坡度10°～15°；路基基底地形标高111.60～109.65m。开裂段沿路线方向中间低两头高，横向上由右向左倾斜。

2.2 岩土层结构

开裂路段路堤可划分为3大类6个岩土结构层：

(1)第四系人工填筑层

③-4层：为路面的4%～5%水泥稳定碎石基层及级配碎石垫层，呈密实状，层厚0.75m。

③-3层：黄白色，成分为含砂粘土，土质不均匀，局部含少量碎石、砾砂，呈密实状，层厚1.95～3.00m。

③-2层：深灰色，为膨胀性泥岩包芯利用填筑层，成分为泥岩碎块，局部含煤块，呈密实状。路基填筑时即为边坡开挖后直接调运填筑，层厚3.60～5.40m。

③-1层：黄、褐红色，夹条带状白色，成分以粘土为主，局部含较多粉砂，呈密实状，层厚1.95～6.30m。

(2)第四系残坡积层②：粘土，灰黄、灰色，局部含较多粉砂，呈软塑状，层厚0.55～2.00m。

(3)新近系①：泥岩，深灰、灰色，泥质结构，层状构造，半成岩，岩质极软，遇水易软化，失水易干裂，局部为粉砂质泥岩。

路基土层分布如图1所示。

图1 路基土分布断面图

2.3 水文地质

区域内地表水主要为路基两侧的大水塘，左侧水位为114.47m，右侧水位为114.16m；水塘水位受人为因素影响大，会出现左高右低或左低右高的更替现象。该区域内地下水类型主要为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水，主要为地表水补给，钻孔揭示的稳定地下水位为110.80～112.40m，主要赋存于残积软土层及下部填土层内。地表水位整体高于地下水，加上路基两侧水位的更替现象，当左侧水位高时，地下水向右侧渗透，反之，地下水向左侧渗透。

3 路基开裂原因分析

可以从路基岩土层特性、场地微地形及地下水等因素，分析路基开裂的原因。

(1)地基残坡积软弱土层的压缩变形是路基开裂的根本原因

综合分析路基各岩土结构层的标准贯入锤击数和主要物理力学性质指标(见表1)，可以看出：包芯利用的膨胀性岩土层③-2，虽然其自由膨胀率为41%，属弱膨胀性粘土，但其表现出较好的力学特性，且各项力学指标具较好的一致性。第四系残坡积层②，为软塑状粘土，在路基各结构层中性状最差，标贯击数仅5击，各项指标均显示其为软弱土，其压缩变形是路基开裂的根本原因。

表1 路基结构层岩土主要物理力学性质指标表

(2)微地形

路基开裂处微地形总体呈纵向由两头向中间倾斜，横向上由右向左倾斜，横坡约为1∶32.8～1∶2.56，矢量方向与裂缝方向基本一致。在膨胀土地区，很小的地形高差就可能导致坡体或构造物沿基底滑移或使这种滑移趋势加大。因此，场地微地形对路基开裂有一定的不利影响。

(3)地下水

地下水主要富存于残积软土层及下部填土层内，由于受地表水位更替变化影响，地下水总是向低水位方向渗透，路基处于微承压不对称的地下水动力条件下，由于地下水的渗透会产生水力劈裂作用，加快通道的扩张，路堤底部的软弱土层受地下水的作用，其本身的水稳性就差，再加上长期浸泡，力学性质将会不断降低，引起软弱层压缩变形增大并最终导致路堤变形开裂。

综上所述，路堤开裂主要受软弱土层、微地形坡度、地下水综合作用所致。

4 治理方案设计

根据路基开裂原因及特点，为避免裂缝继续发展导致路堤整体破坏，需对开裂路段进行加固处治。经多方案比选，确定采用压力化学灌浆对填方土体及基底软弱土层进行固结，以改善软弱土层的力学特性，增强土体自稳能力，并于坡脚设置钢管群桩+钢筋混凝土系梁加固稳定坡脚，确保路基整体稳定。

处治设计示意图见图2～3。

图2 路基灌浆平面设计图

图3 路基开裂处治设计图

(1)路基灌浆孔按梅花形布设，纵向排距为3.0m，横向排距为2.5m，灌浆深度平均为14.2m，穿过软弱土层进入泥岩层。

(2)软弱土层段灌浆压力为0.2～0.5MPa，以上填土层灌浆压力为0.1～0.3MPa。

(3)纯水泥浆采用强度等级为P.C32.5的复合硅酸盐水泥配制，水灰比为0.6∶1.0，并掺入2%的速凝材料。

(4)灌浆施工遵循“围、挤、压”顺序：平面上各区段先灌四周最外侧一排，再由外至内逐排灌注，每排则隔孔灌注；垂直方向上低压自下而上逐段灌注。

(5)为防止路基边坡整体滑移及提高坡脚、坡体土体的力学性能，采取了以下措施：①于左侧下边坡第一级坡平台，按梅花形布设3排φ57钢管群桩，钢管桩纵横向排距为1.0×0.5m，钢管桩长约8.5m，进入泥岩层≥3.0m；②利用钢管群桩孔(孔径≥φ90mm)进行压力化学灌浆；③群桩桩顶采用C25钢筋混凝土系梁(规格为宽×厚=1.2m×1.0m)连接，形成整体，增加固脚效果。

(6)完善路基、路面上的排水系统。从施工期间及施工后的监测资料获悉，处治后的路基，变形均控制在有效范围内，建成通车之后路面没有再出现裂缝及不均匀沉降，路基坡脚亦没有出现新的位移及隆起变形，综合治理取得明显成效。

5 结语

通过对本段膨胀土包芯利用填筑路段路基开裂的原因分析和成功处治，可得以下结论：

(1)在膨胀土地区，利用膨胀土包芯填筑路堤是可行的。

(2)在膨胀土地基上填筑路基，对基底处治应彻底，做到“一次解决，不留后患”。

(3)对存在一定坡度的膨胀土基底上填筑路基，应更加重视路基的稳定性。

(4)膨胀性岩土对水十分敏感，应充分重视场地水环境及地下水动力作用对公路等构造物稳定的影响。

(5)压力化学灌浆加固填方土体及处治基底软弱土层和钢管群桩稳固坡脚的处治措施，对路堤开裂滑塌破坏具较好的适用性。

[1]郑健龙，杨和平.公路膨胀土工程[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2]JTGD30-2004，公路路基施工技术规范[S].

[3]JTGC20-2011，公路工程地质勘察规范[S].

[4]唐咸远.膨胀土地基失稳引起路堤滑坡的综合处治技术[J].公路，2011(12)：6-10.

Deformation Cracking Cause Analysis and Treatment of Cored Filling Expansive Soil Embankment

LUO De-ba，MI De-cai，YE Qiong-yao

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Combined with the practical engineering of Nanning Outer Ring Road，this article analyzed the de-formation cracking situation of this cored filling expansive soil embankment，revealed that the presence of soft soil layer in roadbed subgrade is the main cause for the deformation cracking of expandable mudstone cored filling embankment，and the venue microtopography and specific groundwater environment also have a certain negative impact on the roadbed deformation cracking.It proposed using the pressure chemical grou-ting for consolidation reinforcement of subgrade soil body and filling soil body，and setting the micro steel-pipe group pile and reinforced concrete tie beams to reinforce and stabilize the embankment toe，which has a good treatment effect.

Nanning Outer Ring Road；Expansive soil cored utilization；Roadbed cracking；Chemical grouting；Micro steel-pipe piles

U416.1+67

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.04.004

1673-4874(2015)04-0014-04

2015-03-05

罗得把，高级工程师，从事公路工程、地质灾害、岩土工程勘察与设计工作。