论安徽中部膨胀土地区公路路堤结构设计

关 飞,卢元均

(1.安徽省公路学会,安徽合肥 230051;2.安徽省交通投资集团,安徽合肥 230011)

论安徽中部膨胀土地区公路路堤结构设计

关 飞1,卢元均2

(1.安徽省公路学会,安徽合肥 230051;2.安徽省交通投资集团,安徽合肥 230011)

膨胀土作为路基填料或路基边坡,由于其吸水膨胀、失水收缩的特性给高速公路建设带来许多病害,膨胀土问题成为安徽中部高速公路建设工程的主要不良工程地质问题。在全面认识膨胀土工程特性的基础上,根据膨胀土路基病害发生机理,结合公路路基断面特点,确定合理的路堤结构形式,对于保证路基的稳定性具有重要意义。

膨胀土;路基病害;发生机理;特点

0 引言

安徽中部地区是我国膨胀土覆盖的典型地区之一,近年来公路建设蓬勃发展,合(肥)宁(南京)高速公路、合(肥)安(庆)、合(肥)徐(州)、合(肥)淮(南)、合(肥)六(安)叶(集)、合(肥)巢(湖)芜(湖)、蚌(埠)宁(南京)高速公路等公路建设项目,均大段穿越江淮膨胀土地区。膨胀土作为路基填料或路基边坡,由于其吸水膨胀、失水收缩的特性给高速公路建设带来许多病害,膨胀土问题成为安徽中部高速公路建设工程的主要不良工程地质问题。在全面认识膨胀土工程特性的基础上,根据膨胀土路基病害发生机理,结合公路路基断面特点,确定合理的路堤结构形式,对于保证路基的稳定性具有重要意义。

1 膨胀土路基病害发生机理

膨胀土是一种具有裂隙性、胀缩性和超固结性的高塑性黏土,在天然状态下往往强度很高,但对气候变化特别敏感,当含水量变化时,引起膨胀土的膨胀或收缩变形,强度降低,随着干湿循环次数增加,强度衰减幅度增大;干缩开裂裂隙的存在破坏了土体的整体性,强度大大减小,同时方便了水分的浸入和土中水分的蒸发,天气变化时将导致裂隙的进一步扩展和向土层深部发展。另外,膨胀土的应力历史和广义应力历史决定了膨胀土具有超固结性,一旦开挖暴露,由于其超固结应力释放而失去平衡,裂隙就会发展,使强度降低,这些特性对膨胀土强度都有强烈的衰减影响。

公路建设对路基填料性能有严格的要求,除了要满足压实度控制标准外,同时还要满足CBR强度指标要求。膨胀土作为路基填料直接填筑,根据有关试验研究,弱膨胀土在控制含水率和一定压实功条件下,可满足路基压实度和强度指标要求,中等强度以上膨胀土不能同时满足要求,需改性处理。膨胀土路基虽然经过人工压实,但击实膨胀土的膨胀性状较原状土大,而且密实度越高,膨胀量与膨胀力就越大。在气候环境变化下,当含水率变化时,引起压实膨胀土的膨胀或收缩变形,路基压实度减小,强度降低,并随着干湿循环次数增加,强度衰减幅度增大,进而引发路面断板、沉陷、路肩坍塌、浅层坡面滑塌等各种病害。

通过对膨胀土路基病害发生机理分析研究,膨胀土胀缩特性是病害发生的内在条件,大气环境影响和湿度、温度变化是其发生的直接诱因。工程上要防治膨胀土路基病害,应从膨胀土胀缩特性,特别是压实膨胀土的胀缩特性,以及大气环境影响深度几方面着手。

2 膨胀土胀缩特性

2.1 原状膨胀土胀缩特性

江淮地区膨胀土的自由膨胀率 Fs为40.0%～69. 1%,液限为45%～49%,属弱～中等膨胀潜势,地域分布上:西部区的膨胀土为弱～中等膨胀潜势,东部区的膨胀土为弱膨胀潜势。试验段原状膨胀土胀缩性指标见表1。

表1 原状膨胀土涨缩性指标

2.2 击实膨胀土胀缩特性

膨胀土作为路基填料,其压实后与天然原状膨胀土的工程特性有很大差别。击实膨胀土的胀缩特性较原状土更强,其膨胀变形率同时受到含水率与干密度的控制。膨胀率试验结果表明,不管是弱膨胀土还是中膨胀土,对于同一种土,击实后含水率越大,膨胀率越小;含水率一定时,膨胀率随干密度增大而增大,在相同干密度下,无荷膨胀率随含水率的减小而增大;含水率对膨胀率的影响比干密度显著,且中膨胀土的膨胀率在相近含水率条件下明显较弱膨胀土高。收缩试验结果表明,对于同类膨胀土,缩限是特定土质固有的特性,几乎不受含水率与干密度的影响,但体缩率随含水率增加而增大,近似成直接关系,收缩系数也随含水率增加而增大,而干密度对收缩指标影响甚微;但中膨胀土的缩限、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率条件下远较弱膨胀土大。不管是弱膨胀土还是中膨胀土,击实膨胀土的膨胀力同时受到击实含水率和压实度(或干密度)的控制,但膨胀力随起始含水率的减少而增大,随干密度的增大而增大。当击实含水率为13.5%、压实度为96%,弱膨胀土膨胀力可达242kPa;当击实含水率为16.2%、压实度为96%时,中膨胀土膨胀力可达358kPa,是原状膨胀土的6～10倍。

对于中、弱膨胀土,在最优含水量附近压实至足够压实度(≥90%)时,压实中、弱膨胀土均具有较高的膨胀势。从工程观点看,这应是值得重视的。

3 膨胀土路基处置深度确定

膨胀土的膨胀、收缩变形主要受环境温度、湿度的变化控制。对于表层土,胀缩变形可随环境变化反复发生,其强度会迅速衰减。而对于深层膨胀土,受环境变化的影响很小,膨胀土的胀缩变形较微弱,且能保持较高的强度。在膨胀土地区进行公路建设,无论采用何种处置方法(换填、改性、包边),都需要确定合理的处置深度。处置深度主要受自然条件下的大气影响深度控制,并与处理方法及排水设计相关。

合肥地区大气影响深度为3.12m,大气影响急剧层深度为1.39m。

3.1 零填及挖方路段

零填及挖方路段,膨胀土地基处置深度参照《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ 112—87)附录四中计算膨胀土地面换土层厚度的方法来确定路基的处置深度。该方法是依据以膨胀土作为基础的构筑物的承载能力大于基底单位面积上的膨胀力来确定的,其计算式为:

式中:h——处置深度(mm);

δep0——膨胀力试验卸荷至零时的膨胀率(%)。

根据试验结果统计,零膨胀率最大值为7.00%,按上式计算,对应的处置深度为0.60m。

3.2 填方路基段

道路建设前,表层土长期受失水收缩、遇水膨胀的影响发生深层变形,孔隙比较大,透水性较好,能直接接受大气降水而膨胀。道路建成后,面层下土体较密实,相对隔水,且上有面层隔水,不能直接接受大气降水,故膨胀土遇水膨胀的条件不充分。上覆有一定厚度的道面和强度较高的水泥稳定碎石土缓冲垫层,膨胀土膨胀威力将锐减。

路面面层封盖区域,处置深度按《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ 112—87)的方法确定:自水泥稳定碎石底面算起的处置深度为0.4～0.6m。

路堤边坡无上部结构面层,处置深度按自然条件下的大气影响深度考虑,即大气影响深度为3.12m,大气影响急剧层深度为1.39m。考虑到高速公路路堤边坡坡面有植草防护层,且具有完善的排水设施,参考膨胀土地区风化作用影响深度,路堤边坡的处置深度取2.0～2.2m(垂直于坡面)。

4 路堤结构形式

弱膨胀土采用稍大于最优含水率的填筑标准,只要压实功控制得当,可获得较高的压实度,具有比较高的初期强度,并且浸水后的膨胀量及强度衰减都比较小,有较好的水稳定性,可直接用于填筑下路堤。

中膨胀土CBR值与水稳定性虽然也主要受控于含水率和干密度,但中膨胀土压实度与CBR强度值不能一致达到设计规范要求,不宜直接用于填筑路堤,如用中膨胀土作为路基填料,需要采用处理措施,如用石灰改性或进行路堤包边处理。

膨胀土地区公路建设前人做了大量研究,积累了丰富的工程经验,一般处理有夯实法、物理改良法、化学改良法、保湿法、换土法等。安徽省江淮膨胀土地区公路建设一般都采用掺石灰改性处理。在全面认识膨胀土工程特性的基础上,根据膨胀土路基病害发生机理,结合公路路基断面特点,确定合理的路堤结构形式,对于保证路基的稳定性具有重要意义。

由于全断面改性经济成本较高,考虑高速公路路基断面较宽,且路面层覆盖可一定程度上减小大气环境对路基膨胀土影响,在对膨胀土勘察胀缩性强度细分的基础上,根据本地区大气环境风化影响深度、路基填筑高度及施工条件等确定了3种断面形式:全断面改性、一般包边和三明治—包边结构。各断面形式适用条件及结构特征参数见表2。

表2 膨胀土路堤结构形式

全断面改性的断面形式主要用于填方高度小于2m的情况,普通包边形式用于填方高度在2～5m的情况,夹层包边形式主要用于填方高度超过5m的情况。对包边路堤,一般设置厚40cm的底封层,以阻断毛细水或减小其上升高度,包边路堤中设水平夹层也是为了达到阻断毛细水的目的,顶封层采用6%的改性土。为提高高填方路基的整体性,可在路基顶面铺设1～2层土工格栅。

弱膨胀土可直接用于填筑下路堤,不必采用包边形式,只需设底封层。根据填筑高度确定了3种断面:全断面改性、直填形式和三明治一直填形式(表2)。直填路堤设置底封层和顶封层,底封层采用4%的改性土或砂石垫层,顶封层(路床部分)采用6%的改性土。

零填及挖方段膨胀土路基采用灰土换填和路侧渗沟排水设计方案,灰土换填深度60cm,底部设20cm厚砂垫层,或者灰土换填深度80cm,底部采用复合土工膜,以隔断地下水和毛细水上升的影响,路侧设置深度120cm渗沟隔断侧面影响。

5 结论

(1)膨胀土路基病害发生主要是膨胀土受大气环境影响,发生湿度、温度变化,引起膨胀土的膨胀或收缩变形,压实度减小,强度降低,进而发生各种路基路面病害。

(2)对于弱～中等膨胀土,在最优含水率附近压实至足够压实度(≥90%)时,压实中、弱膨胀土均具有较高的膨胀势。一般采用高于最优含水率2%～3%进行施工控制。

(3)膨胀土路基处置深度的确定应结合大气影响深度、上覆面层结构、处置方法、防护与排水条件等综合考虑。

(4)在全面认识膨胀土工程特性的基础上,提出全断面改性、一般包边和三明治-包边3种路基结构形式,对于保证路基的稳定性、节省工程造价具有重要意义。

[1] J TG D30—2004.公路路基设计规范[S].

[2] GBJ 112—87.膨胀土地区建筑技术规范[S].

[3] 赵华宏,张胜,刘长平.合肥至六安高速公路膨胀土路用性能试验研究[J].交通标准化,2008:265-268.

[4] 陈善雄,李伏保,等.弱膨胀土工程特性及其路基处治对策[J].岩土力学,2006,27(3):353-359.

[5] 陈修和,张胜,等.皖中膨胀土的承载比(CBR)强度特性研究[J].工程地质学报,2006,14(3):386-389.

[6] 陈善雄,余颂,等.中膨胀土路堤包边方案及其试验验证[J].岩石力学与工程学报,2006,25(9):1776-1782.

责任编辑:钱让清

U416.1+2

A

1671-8275(2010)01-0005-02

2009-10-26

关飞(1964-),男,安徽芜湖人,安徽省公路学会工程师。