膨胀土地区公路工程病害分析及预防处治措施

摘要：膨胀土在我国多个地区均有分布，是公路病害的一种诱因，如果设计、施工处治不好，将造成巨大的危害。本文介绍了膨胀土的工程特性及判别指标，分析了由膨胀土带来的各种路基病害，依照公路路基有关设计规范，提出了膨胀土地区公路预防处治的措施。

关键词：公路 膨胀土 工程特性 病害分析 处治措施

中图分类号：X734 文献标识码：A 文章编号：

1、前言

膨胀土【expansive soil】是一种以强亲水性矿物蒙脱石、伊利石或伊利石-蒙脱石为基本矿物成分，具有吸水膨胀和失水收缩两种显著变形特性的高塑性粘土。

在自然条件下，多呈硬塑或坚硬状态，裂隙较发育，常见光滑面和擦痕，裂缝随气候变化张开和闭合，并具有反复胀缩的特性。多出露于二级及以上的阶地、山前丘陵和盆地边缘；地形坡度平缓，无明显自然陡坎。

2、膨胀土的工程特性

胀缩性

胀缩性即膨胀土吸水膨胀失水收缩。土中蒙脱石含量越多，其胀缩潜势越大，膨胀力越大。土的初始含水量越低，膨胀量和膨胀力越大。击实土的膨胀性远比原状土大，密实度越高，膨胀量和膨胀力越大。

多裂隙性

膨胀土中的裂隙主要有垂直、水平和斜交三种，致使土体被分割成具有一定几何形态的块体，破坏了土体的完整性。裂隙面光滑，且多充填灰白色或灰绿色薄膜、条带或斑块，其矿物成分主要是蒙脱石，有很强的亲水性，具有软化土体强度的显著特性。

超固结性

膨胀土地层多为老粘性土，超固结性明显、天然孔隙比小、干密度较大、初始结构强度较高。超固结膨胀土路基开挖后，将产生土体超固结应力释放，边坡与路基将出现卸荷膨胀，并常在坡脚形成应力集中区和较大的塑性区，容易导致边坡失稳破坏。

风化特性

膨胀土受气候因素影响，容易产生风化破坏作用。路基开挖后，土体在风化应力作用下，很快会产生碎裂、剥落和泥化现象，使土体结构破坏，强度降低。

强度衰减性

膨胀土的抗剪强度为典型的变动强度，具有峰值强度极高和残余强度极低的特性。由于膨胀土的超固结性，其初期强度极高，一般开挖都很困难。然而，由于土中伊利石或蒙脱石矿物的强亲水性以及多裂隙结构，随着土体受胀缩效应和风化作用的时间增加，抗剪强度将大幅衰减。

3、膨胀土详判指标及膨胀潜势分级

3.1膨胀土详判指标

关于膨胀土的判别，国内外尚不统一，根据多年来工程实践的经验总结和工程地质特征分析，《公路路基设计规范》JTG D30-2004提出采用自由膨胀率、标准吸湿含水率及塑性指数三项指标来判别：即自由膨胀率Fs（%）≥40、标准吸湿含水率ωf（%）≥2.5、塑性指数Ip≥15。当符合上述两项指标时，即应判定为膨胀土。

3.2膨胀潜势分级

《公路路基设计规范》将膨胀土的膨胀潜势分为弱、中、强三级。

膨胀潜势的分级

4、公路路基工程病害分析及处治措施

4.1路面波浪变形鼓包、溅浆冒泥及坑槽病害

病害原因

在填方路基采用强度不符合要求的膨胀土或改性土填筑，其胀缩性和含水量不均匀，或挖方路基及零填路基未按规范要求作超挖换填，在其他外部因素作用下，路面产生裂缝，路面积水大量渗入，致使灰土基层和路床土基不均匀吸水而胀缩软化，产生幅度很大的波浪变形或鼓包。该病害也可使灰土基层和路床土基形成泥浆，挤入基层和面层，并带出路面。进而逐步扩大成片发展为坑槽病害，最终使路面破坏。

处治措施

应在切实作好路面结构设计和防排水设计，强化施工质量的前提下，公路路基填土高度小于路面结构与路床的总厚度时，若基底为膨胀土，宜挖除地表0.3-0.6m深的膨胀土，并将路床换填或掺灰处理。对强膨胀土、地下水发育、运营中处理困难的路堑、路床的换填深度应加深至1.0-1.5米，并采取防渗和地下排水措施。

4.2路堤沉陷病害

病害原因

在于膨胀土初期结构强度较高，在施工时不易被粉碎，亦不易被压实，在路堤填筑后，由于风化作用和湿胀干缩效应，土块崩解。在路基自重与车辆荷载作用下，路堤易产生不均下沉，如伴随有软化挤出，则可产生很大的沉降量，尤以桥头高填路堤不均匀下沉更为严重。路基不均匀下沉导致路面变形破坏。

处治措施

膨胀土不适合作为路堤填料。桥头高填等重点地段可酌情采用换填、压浆、水泥土搅拌桩及CFG桩复合地基处治。

4.3路堤纵向裂缝病害

病害原因

因路肩临空，大气风化作用特别敏感，干湿交替频繁，肩部土体失水收缩远大于堤身，其风化作用程度在路堤纵向上一致，故在路肩顺路线方向常产生纵向开裂，形成长数米至上百米的裂缝。该纵裂缝甚至可影响到路面，但其裂缝宽度细小。除此之外，在路堤采用非膨胀土或改性土包边时，由于包边土与路堤填芯的膨胀土两者工程性质差异较大，在施工中难易均匀控制压实度，也常在两土体结合部产生路面纵裂缝。

处治措施

堤填料与施工应符合规范要求，经改性处理后的填料胀缩总率不超过0.7%。并对路肩和斜坡作硬化封闭防护设计。采用包边设计方案的范围，应不包括路床和上路堤部分。

4.4路堤坍塌及滑坡病害

病害原因

作为膨胀土路堤填料，随着通车时间的延续，路堤经过几个干湿季节的反复收缩与膨胀作用后，表层填土风化加剧，裂隙发育，形成强风化带，当有水渗入时，其膨胀软化，强度降低，导致边坡局部塌滑，尤其高填路堤，易发生整体失稳的滑坡病害。

处治措施

路堤填料要求胀缩总率不超过0.7%，边坡坡率尽可能放缓，超过6米应设计2米宽的平台。也可酌情采用坡面夯实、骨架植物防护、设置坡脚挡墙等处治措施。

4.5挖方边坡坡体碎裂、剥落和泥化病害

病害原因

膨胀土挖方边坡受气候影响，极易产生风化作用，其表层风化尤为强烈，加快产生碎裂、剥落和泥化病害。

处治措施

应做浆砌片石护面或拱形骨架防护设计，并强化排水及防渗设计。

4.6挖方边坡坍塌或滑坡病害

病害原因

膨胀土具超固结性，干密度大，初始强度较高，当其开挖后，将产生土体超固结应力释放，坡面出现卸荷膨胀，并常在坡脚形成应力集中区和较大塑性区，导致坡体失稳。

当路基开挖后，膨胀土受大气因素影响极易产生风化破坏作用，形成风化带，致使强度降低，不同程度地丧失结构联结力，其坡体常沿风化界面坍塌或滑坡。

处治措施

膨胀土地区挖方边坡发生坍塌或滑坡是常见病害，特别是深挖方路基坡体失稳滑动，将导致堵塞道路和危及行车安全。对此，公路在通过膨胀土地段时，应避免大填、大挖，以浅路堑、低路堤通过为宜。边坡设计应遵循“缓坡率、宽平台、固坡脚”的原则。大于6米的膨胀土路堑边坡应采取护墙、挡土墙、抗滑桩等支挡措施。

并且需要设置完善的排水系统，强化截水沟、排水沟及边沟防渗设计。边坡应连续施工，并作好临时排水设施。

5、结语

在膨胀土地区，应重视对膨胀土路基危害性的研究，制定经济合理的膨胀土路基设计、施工、防治和维护措施。对膨胀土路段公路工程，应从防水、排水、填料处治以及边坡设计(封闭坡面、放缓坡率)等方面比选优化；在施工过程中应强调开挖后连续施工，做好防护，施工避开雨季作业，加强现场排水。从设计到施工，膨胀土地区路基应遵循 “防排结合、防渗保水”的原则，防止膨胀土内水分剧烈变化。切实做好膨胀土地区公路工程勘察、设计和施工是减轻这种地质灾害，确保公路工程建设质量的关键所在。

参考文献

[1] JTG D30-2004 公路路基设计规范[S]

[2] JTG F10-2006公路路基施工技术规范[S]

[3] 张季如，尹光辉，李明海.弱膨胀土特性及路堤填筑控制标准的探讨[J].武汉理工大学学报，2003(1)