广东地区高等级道路高液限路基处治实践应用

2015-10-23李雪莲

城市道桥与防洪 2015年3期

关键词：液限广东地区设计院

李雪莲,张文

(1.广东省建筑设计研究院,广东广州 510010;2.广东省公路勘察规划设计院股份有限公司,广东广州 510507)

广东地区高等级道路高液限路基处治实践应用

李雪莲1,张文2

(1.广东省建筑设计研究院,广东广州 510010;2.广东省公路勘察规划设计院股份有限公司,广东广州 510507)

采用未经处治或处治力度不够的高液限土填筑路堤时,对路基路面易造成波浪变形、溅浆冒泥、横纵向裂缝等典型病害。通过分析广东地区高液限土分布与工程特点,以及典型高等级道路高液限土处治工程应用情况,介绍了广东地区高液限土路基工程分类,归纳出广东地区高等级道路高液限路基处治实践应用,可以为本地区类似工程提供参考。

高等级道路;高液限路基;广东地区;处治实践

0 引言

《公路路基设计规范》(JTG D30—2004)第3.3.1之4条及第7.7.2之3条规定:“液限大于50、塑性指数大于26的细粒土,不得直接作为路堤填料”,“高液限土不得直接作为路堤填料,当利用挖方路段高液限土填筑路堤时,应进行处治”。［1］

对于挖方路段满足高液限土评定标准的,开挖后可作弃方处理;如果需要利用作路堤填料时,则应进行技术处理,经检验合格方可使用。

1 高液限土路堤的典型病害机理

采用未经处治或处治力度不够的高液限土填筑路堤时,对路面造成的典型病害主要有:波浪变形、溅浆冒泥、横纵向裂缝等。

(1)波浪变形。由于路幅内路堤含水率的不均匀变化,引起高液限土体的不均匀涨缩,易产生幅度很大的横向波浪形变形。这种变形一般随季节和年度变化。

(2)溅浆冒泥。雨季路面渗水,路堤受水浸并软化,在行车荷载作用下,形成泥浆,挤入颗粒基层,并沿路面裂缝、伸缩缝溅浆冒泥。路面溅浆冒泥多发生在雨季,对于地下水浸润线较高路堤,也可在其它季节发生。

(3)横向裂缝。横缝大多数属于半刚性基层开裂引起的路面反射裂缝,雨水沿裂缝渗入路面结构层内部,会造成哪浆、沉陷等病害,缩短路面使用寿命。

(4)纵向裂缝。由于路基和路堤的不均匀沉降而引起的,对于高液限土填筑的路堤,若路堤施工过程中存在压实不均匀,局部压实不足等现象,再加之开放交通后,在行车荷载的长期作用下,车辆轨迹带区域的路堤进一步压实固结,从而易导致纵向裂缝的形成。

(5)网裂。造成的原因是基层局部强度不足,如胶结料偏少、集料分离、压实度不足等;其次路基或路堤的强度不足,如变形、下沉;再就是面层强度不足,孔隙率过大,造成渗水、哪浆,矿料的离析也能使面层模量变小,在重车作用下面层拉断成裂缝,变形成为网裂。

2 广东地区高液限土分布与工程特点

广东地区高液限土的分布主要集中在如下4个代表性区域:

(1)以韶关为中心的北部地区(Ⅰ区,分布区域较广,分布密度不高);

(2)湛江和茂名一带的南部地区(Ⅱ区,分布区域较广,分布密度高);

(3)深圳、广州、云浮一带的珠江流域地区(Ⅲ区,分布区域广,分布密度高);

(4)以梅州、揭阳、潮州、汕头为中心的东部地区(Ⅳ区,分布区域较广,分布密度较高)。

从已收集的地质资料上看,除上述4个相对集中的区域外,其它地区也有零星的高液限土分布。

广东地区的高液限土具有地区性分布特点,主要反映如下。

(1)根据高液限土成因,Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅳ区是典型的丘陵地区,高液限土一般分布于沟谷之间。其矿物成分与母岩成分相近,搬运作用不明显。

(2)Ⅲ区分布在广东地区的珠江三角洲地区上,占地面积约11 000 km2,由于西江、北江、东江等河流夹带的泥沙在海湾内不断地填充、堆积,逐渐形成了三角洲平原,但至今海湾未完全填实,珠江口仍具开阔的喇叭形态,三角洲还会扩大。因此,整个地区的高液限土受江水的影响较大。

(3)零星分布的高液限土成因比较复杂,各处分布的范围均不大。

通过广东地区高液限土物理力学指标的综合分析,广东地区高液限土除了具有高液限(如普惠高速,最高达85.3%)、高塑性指数(普惠高速,最高达47.2)、高液性指数(广清高速,最高达1.02,流塑状)、CBR 强度低、细颗粒含量大(普惠高速,最高达85.2%)等这些高液限土的共同特征之外,还具有种类多、土质极不均匀(不同区域高液限土指标差异较大)、粗颗粒含量变化很大等特点。

高液限土不同的物理力学特性在工程应用中反映出不同的工程特点。从广东地区高液限土的整体工程特性看,常表现出以下特点:透水性差、不易压实、干时坚硬不易挖掘,浸水后能较长时间保持水分;毛细现象显著,承载力较小,水稳定性差;具有一定裂隙性、触变性、蠕变性。作为路堤填料应用时,必须解决以下问题。

(1)高天然含水率、高液限和高塑性指数问题。高液限土天然含水率普遍很高,要降低至最优含水率附近比较难。

(2)水稳定性问题。填料在含水率较低时填筑,土体过于坚硬,难以破碎和碾压;一旦吸水浸湿后,含水率又很难降低,很难得到较高的压实度。

(3)路堤填筑施工工艺问题。由于高液限土具有上述诸多不良性质,需要在施工过程中加强质量控制,而且也需了解填筑后高液限土的病害,进行有针对性的处置。

3 广东地区典型高等级道路高液限土处治应用调查

通过调研广东地区相关项目对高液限土的处理效果,广东省高液限土路基主要处理措施如表1。

综上,广东地区高液限土施工处治有如下几类。

(1)直接填筑。当高液限土液限较低、细颗粒含量较小时,可以直接填筑,但填筑时采取必要的施工措施,以满足规范对路基土的填筑要求。

(2)掺料改良。目前改良材料多选用石灰、水泥、中粗砂以及它们的组合来改良高液限土的各项力学性能。

表1 广东地区典型高等级道路高液限土处治应用

(3)弃方处理。对于那些液限较高、细颗粒含量较大的高液限土,由于其较差的工程力学性质,掺料改良极不经济,因此应直接作为弃方处理。

4 广东地区高液限土工程分类

根据系统研究成果和广东地区高液限土的工程特点,广东地区一般将高液限土分为四大类,即高液限粉土、含砂高液限粉土、高液限黏土、含砂高液限黏土,各类土的工程特点如下。

(1)高液限粉土。主要以粉粒为主,砂粒和黏粒较少,颗粒间联结较弱。在非饱和状态下,具有一定黏性和结构强度;在饱和状态下,结构软化强度降低,压缩性增大。对作为路堤填料而言,由于高液限粉土粒径相对比较单一,级配不良,土体在碾压时难以达到理想的密实状态,即粉粒之间的空隙没有更小的细颗粒来填充,而且,粉粒既不能像黏粒那样具有较强的粘结作用,也不能像粗颗粒一样在土中起到骨架支撑作用,因此,高液限粉土中粉粒含量偏高对于作为路堤填料而言极为不利,应该进行改良处理或作为弃方处理。

(2)含砂高液限粉土。相对于高液限粉土而言,含砂高液限粉土存在较多的粗颗粒,在碾压过程中可以使细颗粒紧密地填充在粗颗粒的空隙中,在碾压作用下能够得到较好的密实效果。而且,由于粗颗粒的存在,土体的透水性较好,碾压时超孔隙水压力容易消散,土体压实后能够具有较高的强度和较好的稳定性。对作为路堤填料而言,土质比高液限粉土好,但在天然含水率不易降低时,也应采取改良处理。

(3)高液限黏土。高液限黏土中土体颗粒主要为黏粒,在含水率适当的情况下土体的粘结性能较强,碾压性能比较好。在含水率较高的情况下,由于土体渗透性差,碾压过程形成的超孔隙水压力很难消散,土体在碾压过程中很容易形成“橡皮土”,压实效果不好;而在含水率较低的情况下,土体呈硬块状难以破碎和压实。所以,对于高液限黏土作为路堤填料而言,施工工艺很难控制,压实质量难以得到保证,应该采用改良措施。但是,在进行掺料改良时,由于黏粒的颗粒很小,活性较好,容易与掺入的各种改良剂料发生反应。

(4)含砂高液限黏土。对于含砂高液限黏土而言,由于土中存在一定含量的粗颗粒能起到骨架支撑作用,使细颗粒可以有效填充在粗颗粒形成的空隙中,加之黏粒的有效粘结作用,在一定含水率范围内压实性能较好。作为路堤填料时,在控制好含水率的情况下,经有效碾压后能得到较好的压实效果。

5 广东地区高液限土工程处治指标与应用

广东地区在上述四大类分类基础上,提出三指标控制方法,即选择液限、细颗粒含量、素土CBR 值三指标为控制指标,根据各指标的变化范围确定具体的改良方案［7］。从液限指标方面,分为液限50%～70%、70%～90%和大于90%等三个处理段;从细颗粒含量指标方面,分为细颗粒含量50%～75%、75%～90%和大于90%等三个处理段;从素土CBR 值指标方面,分为CBR 值小于3% 和CBR值大于或等于3% 等两个处理段。掺入材料的选择、掺入比例的确定等可根据上述三个指标具体确定。处治主要基本原则如下。

(1)填筑或弃方。判别高液限土是填筑还是弃方时,可选择高液限土的液限指标,一般而言,当土体液限大于70%、细颗粒含量大于90%、CBR 值小于3% 时应作弃方处理。

(2)直接填筑或改良填筑。判别高液限土是直接填筑还是改良填筑时,需要用CBR 指标,当CBR≥3% 时,为土体直接填筑提供了可能,而CBR＜3% 的高液限土必须改良填筑或者弃方。

(3)改良填筑掺入比。一般而言,当土体细颗粒含量大于90%时,应作弃方处理;当细颗粒含量介于75%～90%之间时,选用石灰、水泥、中粗砂以及材料组合来对高液限土改良。当确定高液限土改良填筑时,需确定高液限土改良填筑改良材料的掺入比。

广东地区常用高液限路基处治设计方案如下。

(1)填方路段:路面结构下设150 cm粗粒土或其它合格土，两侧边坡设包边土1 m，路基底部设40 cm砂垫层，其上设60 cm亚黏土或黏土封层，中间填筑高液限土。为了防止地表水渗入到高液限土中,在封层土底部设置一层不透水复合土工布(见图1)。