摘要:本文结合某工程阐述了公路膨胀土的工程地质分类及性质，分析并提出了其路基的施工处理方法。
关键词:膨胀土,路基,处理方法
引言：
膨胀土是指粘粒成分主要由强亲水性矿物质组成,并且具有显著胀缩性的粘性土。在膨胀土地区的公路工程建设和工程运营会因膨胀土的性质使道路受到极大的破坏。为了保证道路在较长时间内路基的稳定和路面的平整度,达到安全、舒适行车的目的,必须解决因膨胀土而造成的一系列工程问题。近年来,我国岩土工程界在膨胀土微观结构特征及其工程性质的研究中取得了丰硕的成果,对膨胀土产生工程病害的原因给予了科学的解释,并提出了许多切实可行的处理办法。
笔者结合公路施工中有关处理膨胀土的经验,谈谈如何合理施工处理膨胀土的体会。
一、膨胀土的工程地质分类及性质
对膨胀土进行判别, 按以下分类标准较为合适。当试验数据较为缺乏时可参考CBR 试验中土的浸水膨胀量对膨胀土进行判别与分类。
表1 膨胀土分类标准
指标 膨胀潜势等级
弱膨胀土 中膨胀土 强膨胀土
液限% 40～ 50 50～ 70 > 70
塑性指数 18～ 25 25～ 35 > 35
自由膨胀率 40～ 65 65～ 90 > 90
< 0. 005 mm 颗粒含量% < 35 35～ 50 > 50
胀缩总率% 0. 7～ 2. 0 2. 0～ 4. 0 > 40
膨胀土的工程性质分为胀缩性、崩解性、裂隙性、超固结性、风化特性、强度衰减性。
二、膨胀土的路基处理方法
2. 1 换土
换土是膨胀土路基处理方法中最简单而且有效的方法。即挖除膨胀土,换填非膨胀土或砂砾土,换填深度根据膨胀土胀缩性的强弱和当地的气候条件确定。在一定深度以下的膨胀土含水量基本不受外界气候的影响,该深度称之为临界深度,该含水量称之为该膨胀土在该地区的临界含水量。由于各地的气候不同,各地膨胀土的临界深度和临界含水量也有所不同,换土深度要考虑受地面降水的影响而使土体含水量急剧变化的深度,基本上在1～2 m ,即强膨胀土为2 m ,中弱膨胀土为1～1. 5 m ,具体换土深度要根据调查后的临界深度来确定。
2. 2 湿度控制
湿度控制包括预湿和保持含水量稳定。为控制由于膨胀土含水量变化而引起的胀缩变形,尽量减少路基含水量受外界大气的影响,需在施工中采取一定的措施。如利用土工布和粘土将膨胀土路基进行包封,避免膨胀土与外界大气有接触,尽量减少膨胀土内部的湿度变化。
2. 3 改性处理
化学固化就是利用石灰、水泥或其他固化材料通过与膨胀土的物理化学作用进行膨胀土的改性处理,以达到降低膨胀土的膨胀潜势,增加强度和提高水稳定性的目的。石灰的固化作用是由于盐基交换、次生碳酸钙胶结性、粘土颗粒与石灰相互作用形成的新的含水硅酸钙、铝酸钙等新的矿物而显示出来的;水泥的固化作用是由于钙酸盐与铝的水化物和颗粒间胶结作用,胶结物逐渐脱水和新生矿物的结晶作用,从而降低膨胀土的液限,增大了膨胀土的塑限和抗剪强度;NCS 固化
材料除具有石灰、水泥的优点消除土的膨胀性外,还具有吸水增强作用,改善土的压实性并生成微型加筋结构,提高土的强度。
三、膨胀土路基的适用范围及其使用要求
3. 1 弱膨胀土
弱膨胀土可直接用于填筑上、下路堤, 但不宜用于路床。
弱膨胀土用作路堤填料, 压实含水量宜按最佳含水量+ 3% 控制, 弱膨胀土可直接用于填筑上、下路堤。弱膨胀土最优含水量为17. 5% , 但当含水量为14. 6%时, CB R 值仅为2. 2%; 而含水量为20. 8%时, CB R 值为5. 7%。根据《公路路基设计规范》(JTJ013—95) , 取土场的弱膨胀土可直接用于填筑上、下路堤, 压实含水量宜按20. 8%控制, 但不宜用于路床。当缺乏优质回填土料时,可考虑用弱膨胀土填筑下路床, 但要十分慎重。现场碾压是保证路基压实度和路基质量的关键环节, 应予以充分重视。
3. 2 中膨胀土
中膨胀土在最优含水量附近, 其膨胀量大且CB R 值小于3. 0% , 未能达到规范要求, 需要对中膨胀土处理, 如采用改性膨胀土或包边处理。采用掺石灰改性时, 石灰掺入量为4%～ 6%的石灰改性土CB R 值均大于8% , 膨胀量小于0. 04% , 胀缩总率小于0. 7% , 即可达到路用要求。取土场的中膨胀土在最优含水量附近, 其膨胀量大且CB R 值小于3. 0% , 未能达到规范要求, 需要对中膨胀土进行改性处理, 如直接用于填筑路堤, 压实含水量应按18. 0% 控制, 且应对堤身采取适当的防护措施, 如采用改性膨胀土进行包边处理, 以达到防水、防风化的目的。在路堤填筑施工过程中, 建议用石灰改性中膨胀土的质量掺合比为5. 0% , 压实含水量按23. 0% 控制。中膨胀土掺粉煤灰改性后, 改性土的CB R 值有所提高, 但在最优含水量条件下, 其膨胀量略偏大, 相应的CB R 值相对偏低。但只要控制好施工时的压实含水量, 如大于最优含水量2% ～ 3% ,CB R 值和胀缩总率可满足筑堤的设计要求。建议粉煤灰掺合量为40% 时, 压实含水量按19. 0%控制; 粉煤灰掺合量为50% 时, 压实含水量按23. 3% 控制。
中膨胀土经石灰- 粉煤灰改性后[掺合比为:m (粉煤灰) ∶m (石灰) ∶m (土) = 40∶4∶56, 膨胀性基本消除(膨胀量小于0. 02%) , 击实土样CB R 值均大于100% , 改性效果明显。
四、试验结果及分析
(1) 根据科学试验段现场试验结果和按有关规范进行的数据分析处理, 石灰改良路堤、不改良包边路堤及路堑的不浸水和浸水剪切试验的抗剪强度(C、U) 和残余抗剪强度(C r、Ur) 值列于表2中; 石灰改良路堤和不改良包边路堤的不浸水与浸水载荷试验的承载力基本值、变形模量及回弹模量列于表3 中。
表2 抗剪强度试验结果汇总表
试验段名称 不浸 浸水
C/kPa /( )
Cr/kPa r/()
C/kPa /( )
Cr/kPa r/()
石灰改良段 69.9 39.1 48.1 33.5
不改良包边段 94.5 28.0 68.7 12.2
路堑段 37.2 27.2 22.8 17.4 24.9 11.3 17.6 6.6
表3 载荷试验结果汇总表
名称 不浸水载荷 浸水载荷
承载力基本/kpa 变形模量/Mpa 承载力基本/kpa 回弹模量/Mpa
石灰改良段 258 20.6 165 46.3
不改良包边段 287 23.0 100 21.4
( 2) 经石灰改性的中膨胀土填筑路堤, 其抗剪强度、地基承载力和回弹(变形) 模量均较高, 即使在浸水条件下, 其力学指标虽有所下降, 但仍可满足高速公路有关规范的设计要求。由此可见, 石灰改性中膨胀土用于填筑路堤是可行的。
( 3) 不改良包边段路堤在不浸水条件下, 中膨胀土抗剪强度指标、地基承载力和回弹(变形)模量同样较高, 可满足高速公路有关规范的设计要求; 但路堤堤芯部分一旦充分浸水, 相关指标明显下降, 难以达到高速公路有关规范的设计要求。因此, 不改良包边的路堤型式不能用于浸水路堤,而仅适用于非浸水路堤。
(4) 膨胀土路堑的边坡稳定性直接受控于土的抗剪强度指标。路堑膨胀土的现场剪切试验结果表明, 天然膨胀土的峰值强度与残余强度指标浸水后急剧下降; 路堑开挖后未及时防护, 多次干湿循环造成土的抗剪强度急剧下降, 多处已发生不同程度的滑坡。因此, 为了保证路堑边坡的长期稳定性, 在路堑开挖后, 宜及时采用合适的防护型式进行路堑边坡的防护施工。
(5) 鉴于路堤局部地段表面下约60 cm 深度范围内存在含水量偏高的软弱夹层, 以及路基表面长时间的直接暴露, 经历了多次干湿循环, 龟裂现象比较严重, 为确保路堤的质量, 建议对现有路床60 cm 范围内的路堤进行重新填筑。对襄荆高速公路膨胀土沿线的施工而言, 宜在路基施工完成后尽快进行路面的施工, 以减小干湿循环对路基的不利影响。
五、结语
膨胀土是影响道路及其他构造物建设的一种特殊土质, 在实际工程中, 其破坏力是巨大的。高速公路上必需认真对待膨胀土路基的问题。特别是当弱、中膨胀土作为路基填料时, 应着重从影响其物理、力学性质变化的内在因素和外在因素上考虑,从而通过改变土的力学性质达到处理的目的。
