膨胀土路基工程特性分析和施工方法探讨

2017-01-19桑东恒陈志炜

中国石油大学胜利学院学报 2017年4期

桑东恒,陈志炜

(中国石化胜利建设工程有限公司东非项目部,山东东营 257000)

膨胀土是一类典型的非饱和土,成因以残积或残坡积为主,在中国很多地区均有分布[1]。膨胀土具有显著的吸水膨胀和失水收缩性能,以及高塑性特性。膨胀土对气候变化特别敏感,一般在天然状态下强度较高。同时,由于膨胀土本身的超固结性,使得一旦开挖暴露于自然环境中,超固结应力释放,裂隙随之发展,造成强度降低。这些性质决定了膨胀土的工程性能极差。在工程实际中,膨胀土产生的工程病害具有多发性、反复性和长期潜在性的特点。一直以来,对膨胀土病害的防治都是岩土力学和实际工况下的难题。近年来,随着高速公路、高铁等大型工程的修建,对膨胀土的特性和工程危害进行深入研究,找到有效、合理、经济的处理方法和施工工艺显得尤为重要。

1 膨胀土的判定和危害类型

1.1 膨胀土判定

在工程建设中,首先要正确识别膨胀土,并判断膨胀土实际工程特性,依此制定合理的施工方案指导现场施工。根据以往的道路工程建设经验,因为没有对膨胀土性质的正确判断,而制定有效的处理方法,造成了质量问题和巨大的经济损失。因此,对于膨胀土的判别显得尤为重要。目前,国内外对膨胀土的判别方法没有统一标准,一般采用现场定性和试验定量相结合的方法,根据实际施工中地质情况和试验测定的土的自由膨胀率判定:①裂隙发育,在自然条件下表现为硬塑性的地质特征;②施工中,表现出的浅层滑坡、地表开裂、开完坑槽壁易出现溜坡、垮塌等;③常存在于二级或二级以上的山前丘陵、阶地和盆地的边缘,地形走势平缓、无显著的自然陡坎;④建筑物裂缝随自然条件变化(主要是湿度、温度)而反复变化,表现为超固结性;⑤自由膨胀率大于或等于40%,远远大于普通黏土。具备以上特点的土一般可判定为膨胀土,为准确地掌握土的实际特性制定施工方案,还需通过试验方法对黏土工程物理指标系数等进行全面分析研究。

1.2 膨胀土危害类型

1.2.1 对路面造成的病害

膨胀土对高速公路路面造成的危害类型有路面波浪变形、开裂、唧浆等[2]。波浪变形是由于高速公路路基土的含水量变化,引起塑性变化,路基由于涨缩而失稳,表现在路面上就是波浪变形。波浪变形的影响因素主要是气候的变化,尤其雨水的影响。如果含水量达到一定值,路基涨缩幅度继续变大,便可导致路面出现不规则的开裂裂缝。当雨季来临,雨水通过路面开裂裂缝渗入路基,瞬间路基出现大面积的积水,形成泥浆,当路面有载荷施加,泥浆从不规则裂缝处被挤出,形成路面唧浆现象。如果雨水继续渗入裂缝,使唧浆现象加剧,在重复载荷的作用下,开裂处会出现更严重的破坏,给路面造成更大面积的损害。

1.2.2 路基病害

路基病害分路堑病害和路堤病害。由于自然风化作用的影响,路堑坡面表层土壤剥落,破坏坡面的防水作用,在雨水的侵蚀作用下,路堑含水量增加,由于膨胀土的遇水膨胀的特性,路堑土瞬间形成泥流,当雨水继续增大,将会发生路堑溜塌、严重的形成泥石流灾害,破坏路基。

在高速公路路提施工过程中,如果膨胀土路基的压实不够充分,压实度不达标,再加上路提坡面防护不够,自然降水间接影响路基膨胀土的含水量、引起塑性变大,在高速公路投入使用后,由于路面载荷的增加,路堤或路肩就会因为膨胀土含水量增加引起的性质变化而发生沉陷、纵裂、溜塌、坍塌等病害。

2 膨胀土物理特性分析

膨胀土成分中所含膨胀性矿物主要有蒙脱石及与高岭石、伊利石、绿泥石组成的混层矿物,这些膨胀性矿物成分决定着土的物理化学性和亲水性;决定着土的塑性、膨胀收缩性、压缩、强度以及随环境变化的性状。对膨胀土性质的准确研究需要通过实验测定膨胀土基本物理力学指标,包括:自由膨胀率、膨胀率、膨胀力、收缩率、收缩系数等[3]。

2.1 自由膨胀率

自由膨胀率δef指的是人工制备的烘干的土试样在水中的体积增量与浸水前原体积之比,计算为

式中,Vw为土试样在水中充分膨胀稳定后的体积，m3;V0为土试样原有体积,m3。

自由膨胀率反映了无结构力影响下黏土在水中的膨胀特性,受土中黏性颗粒含量和矿物成分组成支配。黏土中黏性颗粒含量高低,决定了矿物亲水性的强弱和自由膨胀率的大小。

2.2 膨胀率

膨胀率δep指的是在施加外在压力下,土试样浸水膨胀稳定后的高度增量与浸水前原高度之比,计算为

式中,hw为土试样在水中膨胀稳定后的高度，m;h0为土试样的原始高度,m。

2.3 膨胀力

膨胀力Pe指在试验中,在保持土试样体积不变的条件下,土试样在达到最大浸水量后产生的最大内应力。土的膨胀率越大,说明膨胀性越强,其产生的内应力也越大。施工中,膨胀力的大小是直接导致路基或路面变化的直接因素。

2.4 土的收缩率和收缩系数

土的收缩率δs指土试样在充分干燥失水平衡后的高度与土试样试验前原高度之比,计算为

式中,h为土试样收缩稳定后的高度,m;h0为土试样原始高度,m。

收缩系数λs是指原状土样在收缩阶段,含水量减少1%时的收缩率,计算为

λs=Δδs/Δw.

(4)

式中,w为在收缩阶段上任意两点土试样含水量之差;Δδs收缩阶段上相应的Δw两点收缩率之差。

实际施工过程中,一定要通过试验对膨胀土的各个指标进行全面的分析,通过这些定量分析,才能准确地掌握膨胀土的实际性质。自由膨胀率的分析,以及实际土壤的组成成分,可以为施工中确定合理、有效经济的改良材料提供指导。而膨胀率和膨胀力的分析,可以为工程设计施工方案提供指导。一般情况下,膨胀土含水量低时,吸水膨胀明显;开挖路基初始含水量较高时,其膨胀率较低。收缩率和收缩系数反应的是膨胀土的收缩特性,是干燥地区膨胀土施工中着重掌握的数据。膨胀土物理特性的分析,对合理处理膨胀土路基意义重大,对制定膨胀土有效的路基处理方法具有理论指导作用。

3 膨胀土路基处理方法

3.1 路基边坡防护处理

膨胀土路基边坡处理一般是采用边坡全封闭防护法,目的是阻止雨水深入路基内部,从而增加膨胀土路基含水率,因此主要采用浆砌片石、混凝土六角块满铺、土钉墙加固边坡、抗滑桩、挡墙等方法进行防护。但实际工程施工中,根据膨胀土实际情况,也可采用铺设土工格栅、铺设复合土工膜、干砌护肩等方法。在现场施工过程中,膨胀土路基施工应该尽量避开雨季,如果实在困难,施工中要注意增加临时边沟,避免雨水对膨胀土路基的长时间浸泡。其次对于高填方路段,在边坡防护中也要加急流槽、泄流槽等排水设施。

3.2 换填土法

换填土法要根据工程实际,首先要确定膨胀土的临界深度和临界含水量。根据土壤特性,在一定深度以下,膨胀土的含水量不再受外界环境变化的影响,此深度通常称之为临界深度,在临界深度的含水量称之为临界含水量。施工中,换填土深度要根据临界深度来确定,一般在1～2 m。其中强膨胀土,深度为2 m,中、弱膨胀土,深度为1～1.5 m。换填土法施工简易,但换填土过程中的层层碾压,增加了施工时间和施工成本,且开挖弃土会对环境造成影响,不适合大规模的膨胀土路基处理。

3.3 湿度控制法

对于膨胀土路基,可以采用控制膨胀土路基湿度的方法,稳定膨胀土路基的含水量,避免含水率的动态变化,防止膨胀土路基由于含水量变化引起的塑性动态变化,施工中出现的胀缩变形。湿度控制法就是在施工过程中严格控制膨胀土的湿度,尤其是在最佳含水量情况下完成的施工路基,要进行外部覆盖,对于层层填筑的路基,要在碾压完成后,尽快完成上层填土的覆盖工作;对于填筑的边坡可以采用黏土覆盖的方法,避免膨胀土与自然环境的长时间直接接触。其次对于强膨胀土区域,成本允许的情况下,可以通过增加路基填筑宽度的方法进行湿度控制。

3.4 无机材料改良处理法

无机材料改良法,一般采用石灰、水泥等无机材料改良膨胀土。在控制膨胀土含水量前提下,在土中掺入石灰、水泥拌和,使之产生物理化学反应,达到降低或消除膨胀土吸水膨胀失水收缩的特性,增强水稳性和耐久性的目的。

4 膨胀土施工技术控制

4.1 控制分层摊铺和碾压

高速公路膨胀土路基施工中,做好分层摊铺与粉碎工作非常重要,同时膨胀土施工尽量不要选择在雨季进行,如果实在困难,做好施工现场的排水工作,适当的情况下设置临时排水沟等排水设施。摊铺设备和压实设备的选择要基于对各方面影响因素的分析和工程实际,控制摊铺厚度和压实厚度的要求为,分别不超过30 cm和25 cm。施工中,根据设计准确计算石灰、水泥的用量,划好灰线方格,控制好灰土配比和含水量,进行均匀摊铺或拌和。

4.2 控制路基土粒径

膨胀土粒径的大小决定土与石灰或水泥混合后能否充分发生物理化学反应改良膨胀土的特性。一般要求膨胀土路基土层粒径不能超过5 cm。如果施工遇到气温较低时,则土层粒径必须控制在3 cm以下。施工中,要充分利用拌和机将水分与土壤进行均匀的拌和接触,可以有效降低土壤自身膨胀性,提高路基的致密性和整体稳定性。

4.3 控制膨胀土路基的压实度

由于膨胀土路基的特殊性,在施工中必须采用大吨位的压路机进行碾压,碾压的过程中要严格控制好行驶速度,不能高于4 km/h。碾压的顺序应该根据施工要求,遵循先两边后中间的顺序,保证路基各区域都要碾压到,严格控制好碾压次数,不能出现漏压和少压的情况。施工中注重路提、路堑边缘区域,以及与路肩结合区,要着重进行碾压,提高结合处的密实性。特殊情况下,为了进一步保证施工质量,也可以适当地增加路提宽度,增加边缘区域碾压质量,提高路基整体性。