崇左—爱店口岸公路宁明盆地段膨胀岩土工程特性分析及路堑边坡防护方案研究

2022-09-30吴光航沈光辉韦永超

西部交通科技 2022年6期

吴光航，沈光辉，韦永超

(广西交科集团有限公司，广西南宁 530007)

0 引言

宁明盆地地处低纬度地区，且毗邻北部湾，是我国最早发现的典型膨胀土区域之一。受海洋季风调剂，宁明盆地形成了终年温度较高，夏季风极盛，常受台风影响，多大雨、暴雨天气，雨季旱季分明的亚热带季风气候。特殊的气候条件，外加地质构造作用形成了宁明盆地内典型的新进系膨胀土。工程实践表明，无论建筑、公路等行业均需针对膨胀土采取特殊的工程应对措施，否则将会出现严重的病害，危及工程安全[1-2]。

本文对崇左—爱店口岸公路宁明盆地段膨胀土区域内16个勘察工点取样试验结果进行整理[3-4]，对塑性指数、收缩系数、膨胀力等膨胀土基本物理指标进行了归纳，并分析了划分膨胀岩土等级指标的选取及膨胀岩土变形指标、膨胀力与膨胀岩土指标的相关性，最后针对膨胀土路段路堑特性，分析了两种柔性防护方案的防护机理。

1 宁明盆地段膨胀岩土成因、特征

宁明盆地为新生代构造断陷内陆湖盆地，盆地内沉积了厚约1 500 m的湖相那读组深灰色、灰褐色黏土岩、泥质粉砂岩及部分砂岩；盆地内明江由西向东而流，形成了宁明盆地内二级阶地地貌。膨胀岩土主要为残积-坡积膨胀岩土、二级阶地冲洪积沉积物。崇左-爱店口岸高速公路路线线位总体呈南北向横穿盆地，其中路线K16+280～K27+050段位于宁明盆地膨胀岩土区域。该路线范围内属剥蚀浅切割丘陵地貌，谷地分布纵横交错，地形平缓，谷地周围为起伏不大的微丘地貌，微丘上有树枝状浅沟发育，丘陵山体规模较小，顶部多呈宽缓浑圆，自然坡角多为8°～15°。

项目区域内揭露的膨胀岩土主要为两层，上层为黄褐色、灰黄色膨胀岩土，可塑-硬塑之间，厚度约为3～4 m；下层为灰白色、灰褐色膨胀岩土，硬塑状，厚度约为5～8 m，均以黏粒为主，土质细腻，手触摸有滑感，旱季呈坚硬状、雨季黏滑。

2 基本特性指标分析

2.1 天然孔隙比、塑性指数、液性指数

从试验结果可知(图1～3)，路线区域内膨胀土原状样天然孔隙比在0.3～1.1均有分布，但多集中分布在0.5～0.8，占比>80%，其余区间孔隙比占比较小；液性指数在-1～1分布，-1～0区段内分布占比>80%，说明大多膨胀岩土处于硬塑状态，这与现场膨胀岩土的高承载力、低孔隙比相对应。

图1 天然孔隙比柱状图

图2 液性指数柱状图

由图3可知，膨胀土塑性指数在10～60均有分布，占比区间最大的是30～40(占比>40%)，最高可达42；膨胀岩土具有“高塑性”特征，土体处于可塑状态，含水量范围较大，土颗粒细、比表面积较大、蒙脱石类等黏土矿物含量高，水化作用剧烈。

图3 塑性指数柱状图

2.2 自由膨胀率、膨胀力、收缩系数

膨胀岩土自由膨胀率分布在8%～85%，大多试样自由膨胀率<65%。膨胀力分布在0～300 kPa，大多试样膨胀力<200 kPa，其中100～200 kPa分布占比较大(占比>55%)，但个别试样膨胀力较大，达到297 kPa。如图4～5所示。

图4 自由膨胀率柱状图

图5 膨胀力柱状图

由图6可知，收缩系数分布在0～1.2，占比区间最大的为0.2～0.6(占比>60%)，说明区域内膨胀岩土直线收缩阶段含水率每减少1%相对平均竖向变形约为0.2～0.6，少数试样收缩系数可达1.18，说明区域内膨胀岩土收缩特性突出，这与区域内膨胀岩土的高度裂隙性相吻合。

图6 收缩系数柱状图

3 膨胀岩土强度等级划分指标分析

膨胀岩土等级的划分随着工程实践及相关理论研究而不断深化调整。公路行业标准采用了自由膨胀率、塑性指数指标分别对膨胀岩土进行分级[5]，如图7、图8所示；广西区内地方标准则采用相对膨胀率、胀缩总率两个胀缩指标双控的方法对膨胀岩土进行等级判别[6-7]，如图9所示。

图7 自由膨胀率-膨胀岩土等级划分散点图

图8 塑性指数-膨胀岩土等级划分散点图

图9 相对膨胀率-胀缩总率的膨胀岩土等级划分散点图

对比图7～9可知，由自由膨胀率指标判别的膨胀岩土等级划分较低，而由塑性指数、相对膨胀率-胀缩总率双指标控制的膨胀岩土等级划分则较为接近。自由膨胀率在一定程度上表征了膨胀岩土的黏土矿物成分、粒度成分和交换阳离子成分等基本特性，故《膨胀岩土地区建筑技术规范》中采用自由膨胀率来表征膨胀潜势，而塑性指数在表征土的颗粒、亲水矿物(如蒙脱石)特性方面具有很好的吻合性，但这两种指标作为单一指标来判别膨胀岩土等级仍然存在很大漏判风险。

膨胀岩土的等级划分应从地质成因、胀缩机理等观点出发才能得出合理的分级进而指导工程实践。《铁路工程岩土分类标准》采用了蒙脱石含量、阳离子交换量对膨胀岩土进行判别是较为合理的，但蒙脱石含量、阳离子交换量测试困难，难以在公路部门推广应用。根据大量工程经验、文献研究，在该路线区域内采用相对膨胀率-胀缩总率双指标控制的膨胀岩土等级划分是合理的，能为工程处置提供较好依据，但针对较为重要的构筑物仍以根据荷载大小计算的胀缩变形量来划分地基胀缩等级的方法进行判断更为可靠。

4 膨胀岩土线变形指标分析

分别绘制试样塑性指数、天然孔隙比与线缩率、相对膨胀率的关系如图10～13所示。由图可知，区域内膨胀岩土线缩率、相对膨胀率与塑性指数均有很好的线性关系。在塑性指数20～45区间内塑性指数与线缩率关系为：

图10 塑性指数与线缩率关系散点图

δsi=0.17IP-1.25

(1)

式中：IP——塑性指数；

δsi——线缩率。

在塑性指数25～45区间内塑性指数与相对膨胀率关系为：

δxe50=0.136IP-1.98

(2)

式中：IP——塑性指数；

δxe50——相对膨胀率。

线缩率与天然孔隙比为0.6～0.9，具有较好的相关性，随着孔隙比的增大呈增大趋势，但天然孔隙比、相对膨胀率之间则没有明显的相关关系。

图11 塑性指数与相对膨胀率关系散点图

图12 天然孔隙比与线缩率关系散点图

图13 天然孔隙比与相对膨胀率关系散点图

研究表明，膨胀岩土的胀缩特性控制性因素为有效蒙脱石含量，胀缩特性指标随着蒙脱石含量的增加而呈逐渐增大的趋势，而其他矿物含量的变化对胀缩特性的影响则非常有限。由此可知，塑性指数这一宏观指标能较好地反映膨胀岩土的有效蒙脱石含量。

5 竖向膨胀力指标分析

依据试验结果，绘制塑性指数-膨胀力、天然孔隙比-膨胀力、初始含水率-膨胀力关系如图14～16所示。由图可知，膨胀力随着塑性指数的增大呈增大的趋势，具有很好的相关性，在塑性指数30～45区间内，膨胀力相关性最为明显。但天然孔隙比、初始含水率和膨胀力的相关关系则不明显，这与膨胀岩土地层的分布多为不均匀有关。

图14 塑性指数-膨胀力关系散点图

图15 天然孔隙比-膨胀力关系散点图

图16 初始含水率-膨胀力关系散点图

竖向膨胀力为土体充分吸水、泡水且在侧向变形为零情况下保持其体积而不发生竖向膨胀变形所需施加的最大压力。但在实际工程中，对支挡结构的膨胀力应考虑为侧向膨胀力大小，且室内土工试验测试膨胀力条件为试样完全浸泡在水中，而膨胀岩土除本身的低渗透率外，其遇水后土体表面膨胀将使孔隙封闭，阻止水分进一步浸入，含水率很难达到室内的饱和状态。根据试验结果，区域内膨胀岩土平均值、中位数值分别为83 kPa、59 kPa，而侧向膨胀力约为竖向膨胀力的25%[8]，故在初步估计支挡结构的侧向膨胀力时可取值14～21 kPa。鉴于膨胀岩土在微变形后膨胀力衰减较快，故区域内采用柔性支挡结构是合适的。

6 膨胀岩土路堑边坡防护方案

路堑开挖后，在大气干湿循环等风化应力作用下，边坡土体内部反复膨胀收缩，裂隙逐渐发育，水平应力逐渐增大，土体开裂崩解、强度极速降低，降雨入渗后极易出现不同形式和不同程度的滑塌等变形破坏，甚至发生滑坡。综上，设计主要遵循“防水、保湿、防风化”为主要思路，路堑边坡防护方案如下：

(1)对开挖高度<6 m的路堑边坡，采用“护脚墙+坡面柔性防护”方案(见后页图17)。坡面柔性防护分为三层：“两布一膜”隔水层、“土工格室+水泥土”缓冲压重层和植草绿化层。“两布一膜”铺设于柔性防护底部，紧贴坡面，起到防水、保湿作用；缓冲压重层为土工格室内填充水泥土(水泥掺量为25%)，厚度为20 cm，土工格室起到固土防裂作用，相当给予具有一定强度的水泥土“加筋”作用，当边坡发生胀缩变形后仍能维持坡面防护整体稳定性不致被破坏；植草绿化层采用客土喷播，厚度为10 cm。

图17 “护脚墙+坡面柔性防护”方案平面图

(2)对开挖高度>6 m的路堑边坡，采用加筋柔性挡墙防护方案(见后页图18)。该方案以超挖回填土工合成材料加筋边坡土体为主，辅以防排水系统、坡面防护系统组成，不但能承受膨胀压力，而且允许边坡土体产生一定的变形，可吸收边坡土体因超固结引起的应力释放和含水率变化产生的膨胀能，同时兼具防水、保湿作用。采用超挖回填的膨胀岩土可以很好地解决弃土增加的问题，同时，柔性挡墙施工采用压路机施工，机械化程度高，施工质量及进度均能兼顾。