合肥至六安高速公路膨胀土工程特性研究

王建春

(中铁上海设计院集团有限公司, 安徽合肥 230011)

1 概述

膨胀土是颗粒高分散、成分以黏土矿物为主、对环境的湿热变化敏感的高塑性黏土,其吸水膨胀软化、失水收缩干裂的特性，使膨胀土地区的房屋建筑、铁路、公路、机场、水利工程等经常遭受巨大的破坏,给世界各国造成巨大的经济损失。

合肥至六安高速公路是上海—武威国家重点公路的一段,也是西部开发大通道南京—西安高速公路的重要组成部分[1]。膨胀土主要分布于推荐线K00+000～K60+850、K66+400～K68+850、K69+400～K80+750、K83+700～K89+550段，以及比较线BK77+200～BK81+250、BK84+200～BK90+000段,限于环境条件,不得不采用膨胀土作为路堤填料。

膨胀土具有很高的黏聚性,如果含水量高的膨胀土直接用作路基填料,将会增加施工难度,延长工期,且质量难以保证。膨胀土路基遇雨水浸泡后,土体膨胀；若在干燥季节,随着水分的散失,土体将严重干缩龟裂,雨水可通过裂缝直接灌入土体深处,使土体深度膨胀湿软,从而丧失承载能力。且膨胀土具有极强的亲水性,土体愈干燥密实,其亲水性愈强,膨胀量愈大,当膨胀受到约束时,土体中会产生膨胀力,当这种膨胀力超过上部荷载或临界荷载时,路基出现严重的崩解,从而造成路基局部坍塌、隆起或裂缝。归结起来,就是强度低和反复的胀缩变形危害路基的稳定和变形[2-5]。

膨胀土地区另一个严重的工程问题就是边坡变形。由于大气物理风化作用和湿胀干缩效应,边坡土块崩解,土体抗剪强度衰减,造成边坡的溜塌、滑坡等变形病害，常常使路基的坚实和稳定性遭受破坏,影响行车安全。

本文结合实际工程研究膨胀土的工程特性,试验成果对全线膨胀土的治理及施工具有重要意义,也为研究安徽地区膨胀土的工程特性提供有益的参考与借鉴作用。

2 膨胀土基本物性指标

合六高速公路膨胀土基本物性指标列于表1,指标的分布特征见图1～图6所示。

表1 膨胀土基本物性指标统计

本次试验所取土样均为高液限黏土,是一种高塑性黏土,具中—弱膨胀性。

皖中西部膨胀土各项指标均具有近似正态分布的特征。自由膨胀率、液限、塑性指数、标准吸湿含水量、<0.002 mm胶粒含量值的分布区间很大,说明该地区膨胀土膨胀潜势地区差异较大。皖中膨胀土自由膨胀率均值为49.40%,液限均值为52.01%,塑性指数均值为28.94,标准吸湿含水量均值为5.34%,<0.002 mm胶粒含量均值为37.13%。

图1 自由膨胀率频次分布

图2 液限频次分布

图3 塑限频次分布

图4 塑性指数频次分布

图5 标准吸湿含水量频次分布

图6 <2 μm颗粒含量频次分布

分析以上几项指标的均值,根据规范推荐的划分标准,液限、塑性指数、<0.002 mm胶粒含量均处于弱—中膨胀土划分界限附近,根据膨胀土膨胀潜势综合指标分析方法,可以得出皖中西部膨胀土膨胀潜势平均水平在弱—中分界附近,且在这个值附近具有近似正态分布的特征。

50%土样的自由膨胀率值大小落在40%～58%之间,液限落在46%～56%之间,塑性指数落在24.3～32.1之间,标准吸湿含水量落在4.2%～5.3%之间,<0.002 mm胶粒含量落在33%～37%之间；根据以上数据同时结合指标正态分布特点,皖中膨胀土主要以弱偏中、中膨胀土为主。

同时还可以看出皖中膨胀土自由膨胀率划分标准应低于全国水平,自由膨胀率达到50%左右可以考虑其为中膨胀土；皖中西部膨胀土标准吸湿含水量明显偏高。

自然条件下,地表土层1.0～1.5 m范围内,膨胀土发生季节性变化。在地面以下大于1.5 m属水分稳定区域,土的含水量被称为平衡含水量。弱膨胀土的天然含水量变化范围大约在19.5%～25.1%之间,中膨胀土的天然含水量在大约22.4%～25.9%之间,土的平衡含水量低于塑限,约为塑限的80%～90%,此含水量比最优含水量高3%～5%。

3 膨胀土压实特性

研究表明：土的压实过程和压实效果受多种因素的影响,弄清这些影响对深入了解压实的原理和指导路基填筑与压实具有重要意义。

影响膨胀土压实效果有内因和外因两方面,内因主要是含水量和土的性质,外因指压实功能、压实机具和压实方法等。不同击实功条件下膨胀土击实曲线见图7和图8,相应的最佳含水量与最大干密度见表2。

击实膨胀土的最佳含水量和最大干密度随击实功、膨胀土种类变化而变化,膨胀土的种类、含水量以及压实功均能显著影响其压实效果。

(1)同一种膨胀土,压实功能愈高,土的最大干密度也愈大,而对应的最佳含水量愈小。

(2)不同种类的膨胀土,上述指标存在明显差异,相同击实功条件下的弱膨胀土最大干密度较中膨胀土高,而对应的弱膨胀土最佳含水量较中膨胀土低。

表2 不同击实功条件下膨胀土的最佳含水量与最大干密度

图7 不同击实功条件的弱膨胀土击实曲线

图8 不同击实功条件的中膨胀土击实曲线

单纯从压实的角度,膨胀土的填筑含水量在最佳含水量±3.0%范围内,只要压实功能得到保证,压实度一般能满足要求。

4 膨胀土胀缩特性

膨胀土的胀缩特性是膨胀土最基本的特性,膨胀土各类工程性质无不与之有关。因此,胀缩特性一直是膨胀土研究所关注的重点问题之一,对于给定的膨胀土种类,影响其胀缩性能的主要因素为含水量和干密度。

另外,击实土的膨胀性远较原状土为大,密实度越高,膨胀量与膨胀力越大,这是在膨胀土路基设计中特别值得注意的问题。

4.1 击实膨胀土膨胀性指标及其特性

不管是弱膨胀土还是中膨胀土,击实膨胀土的膨胀变形率同时受到击实含水量与击实干密度的控制,但含水量对膨胀率的影响比干密度显著,且中膨胀土的膨胀量在相近含水量条件下明显较弱膨胀土高。因此,要想控制路基填方段不致产生过大的胀缩变形,必须同时兼顾填筑含水量与干密度两个条件。从膨胀土的膨胀特性角度看,只有当填筑含水量控制在较最佳含水量稍大,干密度较最大干密度低的条件下,对于填土的稳定性比较有利。

膨胀力是指土体的体积膨胀受到限制时吸水后所产生的最大应力,它可直接影响路基和边坡的工作状态。不管是弱膨胀土还是中膨胀土,其膨胀力随起始含水量的增大而减少,随干密度的增大而增大。

4.2 击实膨胀土收缩性指标及其特性

膨胀土体缩率随含水量增加而增大,近似成直线关系,收缩系数也随含水量增加而增大；干密度对收缩指标影响甚微；但中膨胀土的收缩系数和体缩率均较弱膨胀土高,尤其是体缩率在相近含水量条件下远较弱膨胀土大。因此,从膨胀土的收缩特性角度考虑,膨胀土路基填筑含水量又不宜超过最佳含水量过多。

5 膨胀土的强度特征

5.1 膨胀土的强度(CBR)特征

不同击实功获得的弱膨胀土CBR值随含水量的变化规律类似于击实曲线,在击实功较大时(每层击数N=98),其CBR最大值所对应的含水量比最佳含水量大4.7%。当起始含水量比最优含水量大2%～4.7%范围内,其压实度可以达到下路堤要求的93%,CBR值达到3.1%以上,可以用于直接填筑下路堤。

对于中膨胀土而言,其CBR值均较小,虽然在含水量很高时其CBR值接近于3.0%,但室内击实试验表明,在如此高的含水量下进行压实,其压实度均小于90%,黏锤严重,且易出现“橡皮土”现象。中膨胀土无法同时满足填筑路基压实度和CBR值的规范要求,如不采用处理措施(如改性或包边处理),不宜直接用来填筑路堤。

5.2 膨胀土抗剪强度特征

原状膨胀土抗剪强度特征和压实膨胀土室内抗剪强度特征分别见表3和表4所示。

表3 原状膨胀土抗剪强度特征

在非饱和条件下,中膨胀土和弱膨胀土具有较高的抗剪强度,一旦浸水使其含水量增加到接近饱和,会使其抗剪强度指标大幅度下降。

表4 压实膨胀土室内抗剪强度特征

5.3 膨胀土无侧限抗压强度

弱膨胀土和中膨胀土的无侧限抗压强度在最优含水量附近最大,而饱和无侧限抗压强度在最优含水量+3%附近最大,可见膨胀土吸水软化明显。另外,现场若按最优含水量+3%控制进行碾压,可以获得浸水强度的最大化。

6 结论

(1)本次试验所取土样均为高液限黏土,是一种高塑性黏土,具中—弱膨胀性。

(2)皖中膨胀土自由膨胀率划分标准应低于全国水平,自由膨胀率达到50%左右可以考虑其为中膨胀土；皖中西部膨胀土标准吸湿含水量明显偏高。

(3)单纯从压实的角度,膨胀土的填筑含水量在最佳含水量±3.0%范围内,只要压实功能得到保证,压实度一般能满足要求。

(4)在非饱和条件下,中膨胀土和弱膨胀土具有较高的抗剪强度,一旦浸水使其含水量增加到接近饱和,会使其抗剪强度指标大幅度下降。

[1] 管 斌.合六高速公路膨胀土分析及其施工对策[J].安徽建筑,2008(4):106-108

[2] 张海彬.石灰改良膨胀土的理论与实践[J].铁道建筑,2005(10):38-40

[3] 段海澎,陈善雄,余 飞,等.新公路膨胀土判别与分类方法对皖中膨胀土的适用性研究[J].岩石力学与工程学报,2006,25(10):2121-2127

[4] 闫毅志.公路膨胀土地质问题常用的处置方法及评价[J].山西建筑,2003,29(16):22-23

[5] 刘邦玉.高速公路膨胀土路基的施工处理方法[J].大众科技,2006(7):4-5