膨胀土高填方路堤变形控制及边坡稳定性分析

陈华

摘要 受膨胀土自身属性影响，在荷载作用下的路堤变形程度较大，为此，进行膨胀土高填方路堤变形控制及边坡稳定性分析研究。在考虑膨胀土高填方路堤结构构成以及应力情况的基础上，结合膨胀土路堤与大气环境之间的湿热交换对路堤含水率的影响，综合分析了膨胀土路堤的变形属性；在路堤变形控制阶段，采用水泥搅拌桩对膨润土高填方工点进行处理，结合膨胀土路堤变形属性对水泥搅拌桩规格进行差异化设置，辅以钢塑格栅结构，实现对边坡稳定性的保障。测试结果表明，不同荷载状态下，路堤水平方向和垂直方向变形程度均在10.0 mm以内。

关键词 膨胀土；高填方；路堤变形控制；边坡稳定性；湿热交换；变形属性；水泥搅拌桩；钢塑格栅结构

中图分类号 TU47文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）12-0079-03

0 引言

膨胀土是一种具有显著吸水膨胀和失水收缩特性的黏性土，分布广泛。膨胀土的特殊性质使得其在作为路堤填料时具有很大的不确定性。当膨胀土处于干燥状态时，其体积收缩、强度增加；而当其吸水时，体积膨胀、强度降低。这种性质的反复变化使得膨胀土路堤在建设和使用过程中面临巨大的变形压力和滑坡风险，尤其是在高填方路堤中，由于填筑高度大，土压力和滑坡力也随之增大，对路堤的稳定性提出了更高要求。

在开展道路施工建设的过程中，为了能够最大限度保障工程的质量和稳定性，结合实际的地质构成情况对其进行合理的变形控制措施极为必要[1]。其中，富含强亲水性矿物的膨胀土在实际的道路施工建设中较为普遍。在吸水状态下，膨胀土会发生明显的膨胀，增加路堤的对外压力[2]；在失水状态下，膨胀土又会出现明显的收缩，对于来自外部的荷载应力能力下降。在上述两种情况下，都会增加路堤变形的概率，使得边坡的稳定性受到不同程度的影响，威胁修建于道路周围的构筑物安全[3]。针对此问题，结合攀西地区某工程实际情况，对膨胀土路堤很容易出现竖向隆起或沉降变形的区域实施有效的控制措施，就成为极为重要的施工环境之一，也是保障最终施工质量的关键[4]，无论是在经济价值方面还是在工程建设方面，都具有重要的实际意义。特别是该工程周边高填方所用填土均为膨胀土，且具有区别于一般膨胀土的缺点。

为此，该文针对膨胀土高填方路堤变形控制及边坡稳定性进行了分析研究，并开展了实际应用测试，验证了设计路堤变形控制技术的应用价值。

1 膨胀土高填方路堤变形控制技术设计

1.1 膨胀土路堤变形属性分析

实现对膨胀土高填方路堤变形的有效控制，首先需要结合实际情况，对具体的控制强度进行分析。可以简单地理解为，当膨胀土路堤变形属性较弱时，可以适当采取较为柔和的控制技术；相反地，当膨胀土路堤变形属性较强时，可以适当采取更加强硬的控制技术。通过这样的方式，才能最大限度地有效保障最终采取的路堤变形控制技术能够实现对边坡的稳定性。结合上述理论基础，该文首先开展了对膨胀土高填方路堤变形属性的分析研究。

对于膨胀土高填方路堤而言，大多是采用分层压实的方式进行施工。在具体的施工阶段，对应的压实控制含水率，以及初始干密度均为设计阶段制定的固定参数，这也为膨胀土高填方路堤变形属性的分析带来了极大便利。除此之外，对于膨胀土高填方路堤实际应用阶段的应力情况进行综合分析，也是关系到最终路堤变形属性分析结果的关键。对于各膨胀土填筑层而言，一方面，其受到来自上覆土层自重、上部结构自重的固定荷载作用；另一方面，其也受到来自列车的不固定荷载作用（考虑为静载）。但是需要注意的是，膨胀土路堤与大气环境之间的湿热交换不可避免，由此带来的最直接影响就是路堤含水率会在一定范围内发生改变，具体的平衡含水率将在6～8年内逐渐达到。但是受膨胀土自身湿胀特性的影响，在此阶段发生膨胀变形是膨胀土路堤发展的必然趋势。其中，该文关于具体的膨胀率计算方式可以表示为：

式中，εi——第i层膨胀土的膨胀率参数；εm——在无荷载的情况下，对应第i层膨胀土的膨胀率参数；we——第i层膨胀土的平衡含水率；w0——第i层膨胀土的原始含水率参数；Pi——第i层膨胀土受到的上覆压力强度参数；Pm——第i层膨胀土的恒体积膨胀力参数；G——第i层膨胀土的相对比重参数；ρ0——第i层膨胀土的初始干密度参数；n——拟合参数，为正整数，取值范围为[1-10]。

按照上述所示的方式，在实现对膨润土平衡含水率达标过程中，可以分析计算具体的膨胀率，那么对应的膨胀土路堤变形程度的计算方式可以表示为：

Δ=∑εihi （2）

式中，Δ——膨胀土路堤变形量；hi——第i层膨胀土的厚度参数。

借助这样的方式，对膨胀土路堤变形属性做出准确分析，可以更好地理解膨胀土的工程性质，为后续的变形控制提供执行基础。

1.2 膨胀土高填方路堤变形控制

在膨胀土高填方路堤的建设中，对路堤变形的控制至关重要。结合1.1部分对膨胀土路堤变形属性的分析结果，接下来探讨如何有效地控制其变形。该文在开展膨胀土高填方路堤变形控制的过程中，采用水泥搅拌桩对膨润土高填方工程进行处理[5]。其中，水泥搅拌桩的规格以1.1部分分析得到的膨胀土路堤变形量结果为基础，具体的设置标准如表1所示：

按照表1所示的方式，实现对水泥搅拌桩规格的合理设置。通过分析表1可知，水泥搅拌桩的规格设置与膨胀土路堤的变形量有关，随着变形量的增加，桩径、桩距和桩长都有所变化。随着变形量的增加，水泥搅拌桩的桩径逐渐增大，从0.5 m增加到3.0 m；桩距逐渐减小，从1.5 m减小到0.5 m；桩长逐渐增加，从7.0 m增加到8.5 m。为了更好地控制变形，采用更大直径和更长桩长的水泥搅拌桩，同时减小桩距，这种设置方式可以更好地提高路堤的稳定性。

在对水泥搅拌桩的桩位进行布局时，该文以膨胀土高填方路堤边坡所在平面为基础，按照呈现等边三角形的方式进行布局。其中，具体的布局方式如图1所示。

在按照图1所示的方式对水泥搅拌桩进行布局时，需要注意的是，保障桩加固材料的强度能够达到实际应力条件下的边坡稳定控制需求，也是最小化边坡变形问题的关键[6]。针对此，该文将42.5级普通硅酸盐水泥作为具体的施工材料，并在目标路堤底部铺设钢塑格栅结构，使其与水泥搅拌桩以组合的形式存在，构成桩-网复合地基结构，最大限度地降低应力条件下受膨胀土自身属性带来的变形。在对钢塑格栅的铺设标准进行设置时，该文按照沿路堤纵向每3 m通铺一层的方式开展具体施工。

按照上述所示的方式，实现对膨胀土高填方路堤变形的有效控制，最大限度保障其稳定性，确保在应力状态下不会出现大幅度的变形。

2 边坡稳定性分析

2.1 测试环境

在测试该文设计的膨胀土高填方路堤变形控制技术实际应用效果的过程中，以某道路的路基工程为基础，开展了对比分析。其中，对施工环境的基本概况进行分析发现，对应路基的总施工长度为3.125 km；起始位置的里程信息为K0+000，终点位置的里程信息为K3+162。在此基础上，考虑膨胀土高填方路堤变形控制的主要影响因素为施工环境的基础地质情况，因此对其进行了统计分析。其中，侵蚀丘陵地貌单元为拟建道路路基工程场地的主要特征，在沿线周边范围，大多为田地、水塘及林地类型的地质。从整体地势角度对其进行观察可以发现，其呈现出东低西高的趋势，对应的地质构造也较为简单，相关地震活动整体呈现较弱的特点，因此，可以初步判断施工区段的构造具有相对稳定的属性。在此基础上，对拟建场范围内的特殊性岩土构成情况进行统计，其主要分为杂填土、淤泥、淤泥质粉质黏土、泥质粉砂岩。为了提高杂填土、软土的承载力，为工程性质提供保障，将膨胀土作为路基填料，对其进行填筑治理。其中，不同地质构成的具体参数信息如表2所示。

以表2所示的数据信息为基础，分别采用该文设计的路堤变形控制技术，以及文献3和文献4提出的路堤变形控制技术开展对比测试。通过分析不同荷载状态下的变形情况，对该文设计技术的应用效果以及变形控制性能做出客观评价。

2.2 测试结果与分析

在上述基础上，对不同控制技术下边坡的稳定性进行分析时，该文分别在不同测试区段设置了10个监测点，统计不同荷载条件下的位移均值，具体的测试结果如表3所示。

结合表3所示的测试结果，对三种不同变形控制技术的应用效果进行分析可以看出：在文献3技术和文献4技术下，当无列车通过时（荷载强度为0），水平方向和垂直方向上的变形情况基本一致，且稳定在较低水平。当常规列车通过时（荷载强度为60.0 kPa），文献3技术下测试路基水平方向和垂直方向上的变形程度明显加大，分别达到了14.25 mm和59.64 mm；相比之下，文献4技术下测试路基水平方向和垂直方向上的变形程度相对较小，分别为10.53 mm和34.71 mm。但是当满载列车通过时（荷载强度为70.0 kPa），文献4技术下测试路基水平方向和垂直方向上的变形程度，与常规列车通过时（荷载强度为60.0 kPa）相比，对应的增幅分别达到了5.69 mm和29.38 mm，稳定性明显较低。在此基础上，对该文设计的变形控制技术的测试结果进行分析，其中，当无列车通过时（荷载强度为0），对应路基的水平方向和垂直方向变形程度均在1.10 mm以内；当常规列车通过时（荷载强度为60.0 kPa），水平方向和垂直方向变形程度均稳定在6.0 mm以内；当满载列车通过时（荷载强度为70.0 kPa），水平方向变形程度低于对照组10.0 mm以上，垂直方向变形程度低于对照组55.0 mm以上，表明该文设计的膨胀土高填方路堤变形控制技术能够有效提高边坡的稳定性。

3 结束语

由于膨胀土具有显著的吸水膨胀和失水收缩特性，因此在实际应用中，控制其变形和保持边坡稳定性成为一个技术难题。为了能够进一步保障道路在荷载条件下的稳定性，最大限度地降低路基的变形程度，该文对膨胀土高填方路堤变形控制及边坡稳定性进行分析研究，从实际的角度出发，充分考虑了膨胀土的属性特征以及应力条件下的变形机制，设计了针对性的控制技术，切实实现了提高边坡稳定性的目的。实验结果表明，当荷载强度为0时，对应路基的水平方向和垂直方向变形程度均在1.10 mm以内；当荷载强度为60.0 kPa时，水平方向和垂直方向变形程度均稳定在6.0 mm以内；当荷载强度为70.0 kPa时，水平方向变形程度低于对照组10.0 mm以上，垂直方向变形程度低于对照组55.0 mm以上，该文设计的膨胀土高填方路堤变形控制技术能够有效提高边坡的稳定性。

参考文献

[1]聂去尘， 庄心善， 周荣， 等. 膨胀土变形特性和基于Mohr-coulomb准则本构关系[J]. 湖北工业大学学报， 2023（4）： 88-91+116.

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[3]谢规球， 薛国毛， 郑中， 等. 基于数值仿真的轻质土换填路堤变形特性研究[J]. 广东土木与建筑， 2022（7）： 60-62+68.

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