浅谈膨胀土对公路路基沉降和边坡稳定性的影响

刘华超

摘要 近年来，随着我国经济快速发展，高等级公路也迎来了大规模建设，然而我国地质条件十分复杂，膨胀土分布十分广泛。膨胀土属于黏性土，对路基压实度和边坡稳定性影响较大，严重制约道路的通行能力。因此文章对膨胀土地区公路病害、膨胀土路基沉降特性、路基边坡稳定性进行了研究，提出膨胀土地区路基边坡处置措施，同时表明设置排水设施的重要性。

关键词 膨胀土；公路病害；边坡稳定性

中图分类号 U416.167文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）09-0138-03

0 引言

随着经济的发展，我国公路进入大规模建设阶段，公路网不断扩大，西部地区公路建设工程上马得越来越多。由于我国西部地区膨胀土分布广泛[1]，造成各类工程问题和事故屡屡发生，所以对膨胀土工程研究提出了更高质量和工艺的要求，因此对膨胀土路基沉降和边坡稳定性问题研究也已到了刻不容缓的地步。

1 现时期的膨胀土研究状况

我国对于膨胀土的认知与了解，早在20世纪就有相关记载。对黏性土地基变形破坏和边坡失稳事件分析存在相关记录，由于技术落后和意识的短缺没有引起人们的注意[2]。我国对膨胀土问题研究起始于20世纪60年代。公路、铁路工程的建设过程中经常会遇到膨胀土问题，如成渝铁路、成昆线北段、焦枝线、阳安线等工程施工过程中都遇到了膨胀土病害[3]。近年来，我国在膨胀土工程地质特性的评定、试验技术、胀缩机理、边坡的工程实践、强度特性等多个方面都有相当水平的科研成果。

2 研究膨胀土的意义

膨胀土定义：系指土中矿物成分主要由亲水矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的黏性土。膨胀土属于黏性土的一种，且膨胀结构比较特殊[4]，主要矿物成分为伊利石和蒙脱石等，属于强亲水性矿物，包含大量黏粒。膨胀土在天然状态下为硬塑状态，呈现棕色、褐色、黄色、红色、灰白色等。各类膨胀土中蒙脱石、伊利石的含量见表1。

膨胀土在天然状态下为硬塑状态，具有较高的强度。由于膨胀土存在胀缩性、裂隙性和超固结性，因此对环境变化较为敏感。如：当土壤环境含水量增加时，膨胀土便会膨胀；当含水量减少时，膨胀土发生收缩，且自由膨胀率不低于40%[5]。当膨胀土发生多次膨胀收缩时，强度会发生大幅度降低，甚至引起膨胀土崩解。我国幅员辽阔，地质复杂，各个地区膨胀土由于其结构不同，埋藏深度差异，造成了各地膨胀土都存在一定的差异性。由于膨胀土膨胀收缩特性和其特殊缝隙结构，会对公路及铁路建设造成比较大的困难。

3 膨胀土地区公路路基病害

天然状态下的膨胀土为硬塑状态，在未发生膨胀时，路基稳定性较好，路基强度较高。但是随着时间推移，表面风化、膨胀、收缩等多重因素作用下就会出现路基翻浆冒泥、路基波浪形沉降、路堤与路堑边坡失稳、路基渣囊以及路肩纵向开裂与坍塌等多种病害[6]。

3.1 路基翻浆冒泥

膨胀土路基发生失稳破坏且得不到及时处理时，在循环膨胀收缩和车辆碾压作用下，会导致路基强度降低和泥化现象，引起路基松弛渗水。当孔隙水压增加时，周围泥土杂质在水压作用下进入到粒料中，沿裂缝冒出，形成路基翻浆冒泥现象，如果不及时处理甚至引起路基变形与沉陷。

3.2 路基波浪形沉陷

在长时间风化和雨水作用下，不同路段路基中的膨胀土涨缩效果也存在差异，路基便会形成波浪形沉陷，而且路基沉降形变随着路堤的增高变形明显。路基沉陷会影响正常行车，当沉降过大时极易引起交通事故[7]。

3.3 路堤与路堑边坡失稳

膨胀土路基经过长时间风化导致边坡表面剥落。当遇到雨水时，膨胀土吸水膨胀，降低了膨胀土抗剪强度，当压实度较差时，还会引起路堤溜滑、路肩溜塌和滑坡等现象。

路堤与路堑在雨水冲刷下会形成泥土流，造成涵洞和边沟的堵塞，严重情况下会造成路面被淹没或路基被冲毁。从以往项目经验总结得出：膨胀土路堤和路堑边坡发生滑坡现象一般都是在投运3～5年后发生，部分膨胀土路堤和路堑事故潜伏时间还会更长。要想有效预防膨胀土滑坡，需要采取合适的防排水措施，还应对边坡上的膨胀土进行加固和改良[8]。

3.4 路基渣囊

当路基出现泥化现象，路面基层内的粒料被挤入泥化的基床中形成渣囊结构，渣囊不仅会破坏地基结构，同时也会成为储水容器和渗水通道，使深层土体的泥化现象加剧，进而加速渣囊的形成，造成恶性循环。

3.5 路肩纵向开裂与坍塌

路肩部位由于其临空特殊性，其承受外力作用较大，又由于工程施工时机械碾压不到位，常常造成路肩沉降形变远大于堤身部位。膨胀土路肩极易形成纵向开裂现象，路肩开裂后虽然不至于影响道路安全使用，但如果不及时修复，纵裂缝便会成为渗水通道，加速水分渗入，从而引起路肩塌陷现象。

4 膨胀土路基沉降的特性

4.1 荷载作用下膨胀土路基的沉降

4.1.1 荷载作用下膨胀土路基的沉降三分量

和普通土质路基相似，主固结沉降、次固结沉降和瞬时沉降构成荷载作用下膨胀土路基的三个沉降分量。次固结沉降，膨胀土由水铝片和硅氧片的构成结构相对稳定，对于膨胀土路基沉降影响微乎其微，可忽略不计。在公路长期使用过程中，膨胀土的瞬时沉降与主固结沉降会产生一部分，主要原因为大重型卡车和高速汽车对路面的反复荷载作用；另一部分是在公路建设过程中，路面承受荷载随着工程推进而逐渐增加，每一次荷载的施加都会引起主固结沉降和瞬时沉降[9]。综上所述，次固結沉降影响小，而主固结沉降和瞬时沉降在公路使用期间和建设过程中随荷载和时间一同变化。

4.1.2 反复车辆荷载作用下膨胀土路基的沉降特点

公路长期使用期间，在车辆的往复荷载作用下，膨胀土路基土的应力与应变的关系如图1所示[10]。

从图1可以看出，膨胀路基土变形由不可恢复塑性变形和可恢复弹性变形两部分构成，其中，路基瞬时沉降主要是弹性形变造成，路基主固结沉降由塑性变形造成。在长时间循环加荷－卸荷的作用下，路基塑性变形在每次卸荷载后都无法完全恢复，变形也是不断累积，而弹性变形就可以完全恢复。路基土承受荷载大小和加荷－卸荷作用次数都直接影响塑性变形积累的沉降总量，荷载大小、循环次数都与主固结沉降累积量成正比关系。综上可以得出，路基承受的车辆重量与道路车流量都影响着路基土的沉降量，且与道路应力有关。

4.2 膨胀土路基的胀缩沉降规律

膨胀土路基在膨胀与收缩的循环作用下会出现胀缩变形，引起路基的胀缩沉降。其中膨胀土发生膨胀后会造成路基向上变形，其方向定义为负，收缩后会造成路基向下沉降，其方向定义为正[10]。特殊情况下膨胀土吸水后会引起路基湿陷变形，导致出现膨胀土得水出现正沉降现象。为了验证膨胀土路基胀缩沉降与时间的关系，通过对某项目路基膨胀土进行浸水试验，得到膨胀土自由膨胀率与时间的关系如图2所示[10]。

从图2可以看出，膨胀土变形随时间加长会出现阶段性特性，根据特性可分为三个阶段：

第一阶段（oa）：该阶段时间处于膨胀土浸水0～

30 min，膨胀率和时间在该阶段大致呈正比关系，且膨胀土膨胀较快，此階段特点总结为膨胀土匀速急剧膨胀。

第二阶段（ab）：该阶段时间处于膨胀土浸水30～

160 min，膨胀土虽然还在膨胀，但是膨胀率随时间变化其增长速率已经显著变缓，此阶段特点总结为减速膨胀。

第三阶段（bc）：该阶段时间处于膨胀土浸水160 min以后，膨胀土变形基本稳定，膨胀率基本不再随时间增长而变化，此阶段特点总结为缓慢膨胀阶段。

膨胀土路基当水开始浸入，最先是膨胀土表面膨胀，由于路基各个部分浸水的先后顺序，所以膨胀沉降速度在路基各个部分都有明显差异。在浸水刚开始时，路基表面膨胀土首先进入第一阶段，膨胀土匀速急剧膨胀，而且路基上层的膨胀土不用承受较大的自身重力，所以上层膨胀土沉降量也相对非常大。当水分随着时间慢慢向路基内部渗入后，路基中下部膨胀土也开始沉降，但是由于上层土已经膨胀完成，对中下层膨胀土压力较大，而且上层土膨胀时，阻碍了水向中下层渗透，致使中下层膨胀土膨胀沉降速度减缓，所以中下层的沉降量相对较小。

5 路基边坡的稳定性分析研究

膨胀土与普通土边坡相比，边坡内变形与受力差别较大，主要因为膨胀土膨胀和收缩特性。近些年来，技术人员通过对膨胀土边坡分析研究发现，此前路基工程最常采用的边坡稳定性分析方法，如圆弧滑动面条分法等并不适用于膨胀土这种特殊土质的边坡，并总结出膨胀土边坡是一种渐进性破坏的真实失稳形式。近年来随着我国计算机技术的快速发展，膨胀土边坡稳定性分析的新型理论逐渐丰富起来，如灰色理论与模糊数学等。边坡的稳定性分析方法也日新月异，现在主要有离散元法、流形元法、限元法三种。由于工程数字化和虚拟仿真技术的不断发展和逐渐成熟，也为边坡稳定性研究提供了新思路，由二维向三维、静态向动态的方向发展。

近年来，我国针对膨胀土边坡稳定性的分析研究，理论方面还不够成熟，但是实践应用方面已经积累了一定经验，比如在膨胀土边坡加固等方面都有丰富的应用经验。随着我国科学技术的不断发展，膨胀土路基方面研究虽然还处于刚起步阶段，但是通过专家的分析研究，关于路基土改良方面的研究已取得了许多成果，比如针对铁路工程中膨胀土进行了土工合成材料加固路堤的施工技术研究，就强夯法在膨胀土高填方路堤填筑中的应用进行了研究、对石灰稳定膨胀土效用及其施工质量控制进行了试验研究等。目前就预防治理膨胀土路基病害的措施方法根据机理上的不同可分为边坡支护与加固、压实和换填法、土工织物加筋法、保湿法、土性改良法等几大类，具体方法有改性土桩、粉喷搅拌桩强化基床、素混凝土和改性土骨架护坡、土工织物治理膨胀土基床病害、植物护坡、土钉墙等几十种。

6 结论

该文通过借鉴前辈科研人员的研究成果并结合自身工作经验，通过对公路膨胀土路基沉降和边坡稳定性影响分析总结得出以下结论：

（1）膨胀土路基的主要病害有翻浆冒泥、路基波浪形沉降、路堤与路堑边坡失稳、路基渣囊以及路肩纵向开裂与坍塌。

（2）荷载作用下膨胀土路基的沉降特性为次固结沉降影响小，而主固结沉降和瞬时沉降在公路使用期间和建设过程中随荷载和时间一同变化。

（3）根据膨胀土路基胀缩沉降规律分析得出上层膨胀土沉降量相对较大，而中下层沉降量相对较小。

参考文献

[1]李星. 公路膨胀土路基的沉降和边坡稳定性研究[J]. 工程建设与设计， 2023（4）： 25-28.

[2]秦梓航. 膨胀土填方路基变形稳定特性及处治技术研究[D]. 南宁：广西大学， 2021.

[3]翁晓波. 设置土工材料防水增强层的路基路面结构数值模拟研究[D]. 重庆：重庆交通大学， 2019.

[4]王文良. 膨胀土高填方变形控制及边坡稳定性研究[D]. 西安：长安大学， 2018.

[5]张鲁军. 蒙自绕城高速公路工程膨胀土路基改良方案研究[D]. 重庆：重庆交通大学， 2015.

[6]马昌林. 公路膨胀土路基边坡稳定性计算及评价研究[J]. 西部探矿工程， 2011（4）： 173-177.

[7]柏松平. 云南复杂地质环境公路地质病害诱发机理及其对策研究[D]. 昆明：昆明理工大学， 2008.

[8]陈善雄. 膨胀土工程特性与处治技术研究[D]. 武汉：华中科技大学， 2006.

[9]杨卫红. 宁淮高速公路马武段膨胀土路基处理研究[D]. 南京：东南大学， 2006.

[10]龚文惠. 公路膨胀土路基的沉降和边坡稳定性研究[D]. 武汉：华中科技大学， 2004.