基于气候环境影响因素确定益娄高速公路膨胀土包边厚度的研究

苏 伟

(中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙 410004)

膨胀土是一种由亲水性矿物蒙脱石、伊利石组成的特殊性土，具有显著的吸水膨胀软化、失水收缩干裂的胀缩特性[1-3]。膨胀土对周围环境的湿热变化敏感，其稳定性、强度受含水率的影响大。道路工程中常因膨胀土处治不当引发多种不良破坏形式，如路堤局部坍塌、隆起或裂隙；路堤边坡表层冲沟、流泥、滑坡；路面出现波浪变形、坑槽等工程问题，且这些破坏具有渐进性、长期性、难以修复性等[4-7]。

工程中为保证膨胀土免受外界气候环境的影响通常采用封闭包边法进行处治，即采用非膨胀土将膨胀土包芯于内部，避免膨胀土受外界气候环境的影响，保持含水率可控状态下膨胀土的强度和稳定性，因此确定合理的包边厚度成为研究的关键所在[3]。关于膨胀土包边厚度的确定方法有很多，杨和平等[3]通过实体工程土体的含水率及位移的变化确定合理的包边厚度，虽然这种方法结果可靠，但是持续时间长，而且只能反应观测年的情况；余飞等[4]建议在大气影响深度的基础上以膨胀力与零膨胀率的相关性来确定处治深度，这种方法比较准确，但是没有考虑长期干湿循环下裂隙深度的影响；何漓江等[8]采用力学分析方法也得到一个包边宽度，计算结果十分可靠，但计算过程中膨胀土的力学计算参数较难确定，而且没有充分考虑气候环境的影响。

益娄高速公路采用石灰改良膨胀土的包边法进行处治，为确定合理的包边厚度、保证理想的处治效果，在参考大量文献的基础上，鉴于包边的目的是保证内部膨胀土避免受外界气候的影响，本人认为应综合考虑益娄高速公路当地气候环境的影响、干湿循环下裂隙的影响深度等因素，确定包边厚度，以充分保证包芯于内部膨胀土工程特性的稳定。

1 工程概况

益娄高速公路从2标～5标，以及12标段之间断续分布有厚薄不等的、具有弱到中等膨胀性的膨胀土。膨胀土主要分布在K9+500～K25+300、K26+692～K39+000、K41+600～K41+750、K93+600～K96+280等路段，且多为挖方，总计约71.8万 m3。

益娄高速公路途经地区多为山地丘陵，主要以红壤为主，其次还有黄壤、黄褐土等。境内属亚热带大陆性季风湿润气候，阳光充足，雨量充沛。年平均气温16.0～17.3 ℃，日照1 348～1 772 h，无霜期263～276 d，降雨量1 230～1 700 mm。由于雨水偏多，土壤较为湿重。

2 大气影响深度的确定

2.1 大气影响深度确定的依据

大气影响深度是指在自然气候环境的影响下，由降水、蒸发和温度等因素引起地基土胀缩变形的有效深度，大气影响急剧层深度是指0.45倍的大气影响深度，根据《膨胀土地区建筑技术规范》的规定，大气影响深度应由所在气候区土的深层变形观测或含水量观测及地温观测资料确定；无资料时，可根据土的湿润系数确定大气影响深度[9]。

2.2 气候观测台站的选择

益娄高速公路无土的深层变形观测、含水量观测及地温观测资料，也无准确的依据当地10年以上土的含水量变化确定土的湿润系数。鉴于此，为确定益娄高速公路的大气影响深度，应根据当地气候观测站台调取近年来降雨量、蒸发量、气温、湿度值等资料，以此确定当地土体的大气影响深度。从中国气象局气象数据中心可获取益阳(沅江台站57671)、娄底(台站57763)的降雨量、气温、湿度值等资料，但无法获取益阳、娄底的蒸发量资料；而周边城市长沙、常德、永州的蒸发量资料可获取，根据益娄高速公路的延伸方向及周边3个台站的位置，为使蒸发量更好地反应益娄高速公路的实际蒸发量，选取长沙台站57687、常德台站57662、永州台站57866进行综合确定更具有合理性。具体益娄高速公路的延伸方向及3个台站的位置，如图1所示。

图1 益娄高速公路的延伸方向及3个台站的位置

2.3 台站的气象观测资料

气象台站数据是根据《气候资料统计整编方法(1981—2010)(发布版)》及《地面气象观测规范》有关规定，进行整编统计而得。数据内容包括累年、月、日气温、降水、蒸发、地面温度、日照等要素的数据。为确定益娄高速公路的大气影响深度，根据工程气象资料数据所需，选择长沙台站57687、常德台站57662、永州台站57866中的蒸发量资料及益阳(沅江台站57671)、娄底(台站57763)的降雨量、气温、湿度值等资料。具体资料数据如表1、表2、表3、表4所示。

2.4 土的湿度系数计算

土的湿度系数应根据当地10年以上土的含水量变化确定，无资料时，可根据当地有关气象资料进行计算[9]。出于安全考虑，益娄高速公路平均月气温、平均月降雨量采用益阳和娄底2个台站30年统计资料的最大值；平均月蒸发量采用长沙、常德、永州3个台站的平均值。如表5所示。

表1 周边城市3个站台30年累年平均月蒸发量统计表

表2 益阳、娄底2个站台30年平均月降水量统计表

表3 益阳、娄底2个站台30年平均月气温统计表

表4 益阳、娄底2个站台30年平均月湿度值统计表

表5 益娄高速公路平均月气温、平均月蒸发量、平均月降雨量统计表

湿度系数计算公式为 ψω= 1.152 - 0.726α - 0.001 07c ，式中：α为当地9月至次年2月的月份蒸发力之和与全年蒸发力之比值；c为全年中干燥度大于1.0且月平均气温大于0°月份的蒸发力与降水量差值之总和，干燥度为蒸发力与降水量之比值。

2.5 大气影响深度

经计算确定益娄高速公路膨胀土的湿度系数为0.88，根据膨胀土地区建筑技术规范中的规定：土的湿润系数0.8、0.9，对应大气影响深度分别为3.5m、3.0 m[9]。故益娄高速公路的大气影响深度为3.0 m，大气影响急剧层深度为1.4 m。

3 干湿循环影响下裂隙深度的确定

3.1 裂隙深度确定的意义

气候环境作用下改良膨胀土受到干湿循环的作用，最直观的结果就是导致土体表面出现裂隙，而裂隙又会在反复干湿循环作用下不断变宽变深，进一步加剧气候环境对改良土体的影响[10-11]。然而裂隙的影响不是持续恶化的，刘清清等[5]认为改良膨胀土的裂隙率随干湿循环作用次数的增加而增加，最终趋于一种稳定状态。刘泽俊等[12]认为改良膨胀土随浸水时间的增长表面的松散度、裂隙率不再显著增加。鉴于此，在确定包边厚度时应充分考虑干湿循环作用下影响，确定稳定后的最大裂隙深度，避免包边厚度因裂隙深度的开展无法达到设计要求。

3.2 试验分析裂隙发育的程度

本文采用室内试验模拟工程场外气候环境，采用“插钢丝”法测量改良膨胀土裂隙的深度[13]。以室内试验测量的裂隙深度为基础，探讨大气影响深度下的裂隙深度。

根据《公路土工试验规程》的标准，试件采用内径尺寸为10 cm，高度为12.7 cm的结实桶，压实度控制在96%附近，气温控制平均月气温最高29.1 ℃，相对湿润控制在90%以上[14]。试件湿润采用莲花头水管连续均匀淋溶，试件烘干采用70 ℃恒温烘箱控制，一次干湿循环持续2 d，要求试验环境尽可能与施工现场环境相吻合。

本试验采用3个试件平行试验，每个试件均匀取10个观测点，每1次干湿循环裂隙深度取观测的平均值，共进行15次干湿循环，裂隙深度采用“插钢丝”法测量。裂隙深度变化值如表6所示。

表6 石灰改性土压实度≥96%在干湿循环作用下裂隙的深度

由表6可知，石灰改良膨胀土压实度≥96%在干湿循环前5次作用下裂隙的宽度、深度变化很明显，5到11次裂隙的宽度、深度变化较为平缓，11到15次裂隙的宽度、深度基本上没有变化。由此可知，石灰改良膨胀土在自然环境下表面会产生一定的裂缝，且裂缝在“降雨—蒸发—降雨—蒸发”反复作用下会不断地变宽变深，直至内部结构达到一个不可变的力学平衡停止发育，这种影响主要发生在大气影响急剧层。

4 益娄高速公路包边厚度的确定

由表6试验数据可知：石灰改良膨胀土裂隙的最大深度为2.1 cm，采用同比例放大法包边厚度为3.0 m的裂隙深度约0.5 m。为避免石灰改良膨胀土干湿循环下因裂隙的深度、宽度加大影响包芯内部膨胀土的稳定性及强度，在确定包边厚度时应充分考虑裂隙深度的影响。

益娄高速公路的大气影响深度为3.0 m，干湿循环作用下3.0 m厚的包边层裂隙深度约0.5 m，考虑到裂隙深度的影响，本文认为包边厚度应为大气影响深度值和干湿循环作用下裂隙深度之和。即益娄高速公路包边层的厚度确定为 3.5 m较为合理，可避免因裂隙的开展引发包芯于内部膨胀土的胀缩破坏。

5 结论

1) 工程现场无准确的气象资料时，可参照周边相似地区的气象资料，以此作为工程所在地区的气象资料具有现实的合理性。

2) 膨胀土受周围气候环境影响较大，采用封闭包边法进行处治防止内部膨胀土发生胀缩破坏，其关键是确定合理的包边厚度。本文综合大气影响深度及干湿循环作用下裂隙深度共同确定包边厚度，最大限度保证包芯于内部膨胀土的稳定性及强度。

3) 益娄高速公路包边厚度通过大气影响深度计算及干湿循环作用下裂隙深度试验分析，最终确定包边厚度为3.5 m，该处治厚度仅适用于益娄高速公路，其他地区应根据具体的气候环境确定。

参考文献：

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