市政道路膨胀土路基检测及对路面结构的影响研究

戴 欣,赵心源，王 萍

（济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司，山东 济南 250101）

0 引言

全世界约40多个国家和地区都含有膨胀土，我国膨胀土主要分布在河南、河北、安徽、湖北、四川、广西、贵州等地。这种土具有胀缩性、超固结性、裂隙性等特殊工程性质，具有遇水膨胀、失水收缩的特性，很容易引起公路路基的收缩和胀裂，破坏路基的整体强度和稳定性，造成公路的早期破坏，影响行车安全，并会造成很大的经济损失。主要常见的病害有基床翻浆冒泥、路肩鼓胀、路堑侧沟壁挤出等，边坡浅层滑坍和深层滑动的比率也较大，而且具有渐进性和长期性的特点。膨胀土的往复胀缩变形对道路的结构破坏十分严重，且不易修复[1-6]。本文结合山东某市政道路病害检测，发现路基填料及地基中均含大量膨胀土，且分布不均；通过室内检测分析，确定了膨胀土类型及力学特性，分析了富水环境作用下膨胀土膨胀变形的特征，揭示了其对半刚性路面结构的破坏机理。本文研究成果的取得对类似工程的设计与施工具有较好的指导和借鉴意义。

1 工程概况

该市政道路2010年9月进场进行路床土方开挖，2011年3—5月进入道路结构层的施工，2011年6月基本竣工放开通行。2011年11月开始，道路逐渐出现道路纵向裂缝、道路波浪起伏、检查井下沉、雨水收水口下沉、立沿石移位等现象。道路病害发生后，施工单位于2012年6～8月采用路基注浆、设置止水墙等工程措施对两侧快车道进行了整治。然而自2013年4月又逐渐出现道路不均匀变形，不仅表现为沿道路纵向的波浪起伏，在横向也出现了明显的横纵向裂缝及车辙现象。

因此为了探究该道路病害发生机理，对后续道路维修提供科学依据，有必要对路基和地基进行钻孔勘察、路面结构取芯，并对土样进行室内测试分析。

2 地质勘察及道路取芯

2.1 勘探范围及方法

根据道路沉降观测结果，主要在道路隆起与沉降严重部位布置27个点，均为取土孔。取芯分为路床顶面以上（道路结构）和路床顶面以下两个部分，路床顶面以上部分包括面层、基层、底基层，路床顶面以下部分包括路床顶面下10 cm、50 cm、90 cm、150 cm、200 cm、300 cm、400 cm、500 cm、700 cm、900 cm；地基中取样间隔1.0 m[7-8]。同时为了更直观地揭示路面结构层病害特征，采取分层开挖的方式对水泥稳定碎石基层、二灰稳定碎石基层及路床区进行了钻孔取芯，共开挖9组探坑。

2.2 测试结果

2.2.1 地基土分布情况

地基土为灰白色、灰黄色强风化泥岩、黏土分层叠加分布，厚度变化较大，土层分布不均。泥岩埋藏厚度约在3～5 m，风化严重，风化裂隙很发育，大部分风化为碎块状，手可掰断，少量较硬，锤击即碎。经检测29组土样，发现该路段黏土、强风化泥岩具有一定的弱膨胀性，检测样本的自由膨胀率一般为0.35～0.46，如图1和图2所示。

图1 地基土

图2 路基土

2.2.2 路基土情况

根据取芯情况分析，整条路段路床区含水量普遍偏高，填料中含有厚度不等的强风化泥灰岩风化料。路基土含水率普遍高于最优含水率2%～6%，局部路段压实度不足，K值介于92%～97%。

2.2.3 路面结构情况

根据现场取芯（包括26组面层、水稳基层、二灰稳定碎石基层，共计78个试样）情况分析，重新加铺后的沥青面层成型相对较好，共取出5组完整芯样。如图3所示，水稳基层破碎严重，未能取出完整芯样，多数发生自下而上的反射裂缝。如图4所示，二灰基层湿度较大，松散严重，无法成型。

图3 水泥稳定碎石基层破损情况

图4 二灰稳定碎石基层破损情况

2.3 道路水环境调查

经检测分析，用作路基填料的强风化泥灰岩具有弱膨胀性，该类土若防水措施不当，极易引发路基膨胀变形，造成路面结构因底部臌胀而发生破坏[9-11]。因此开展了道路水环境调查。

如图5所示，该道路排水设计呈W形，快车道汇水集中；道路红线外绿化带宽、标高高于快车道，且未见设置截水沟，该区域降水亦汇至快车道，一旦出现淤塞即容易发生道路积水，积水将通过立沿石侧壁等途径入渗至路面结构层内；中央绿化带未做有效防水措施，灌溉水会入渗至路面结构层内。这些原因都可能会造成二灰基层及路基含水量增大，从而引起结构层水损坏及路床区压实风化料的膨胀变形，造成路面鼓胀、雨水井井壁竖向拉裂。

图5 客水来源及排水设施破损情况调查

为了更进一步揭示路基土膨胀变形对路面结构的影响，本文重点针对膨胀土的特殊力学特性进行了检测分析，开展了土体自由膨胀率、膨胀力、有荷载膨胀量等试验。

3 膨胀土物理力学试验

3.1 无荷载条件下土体膨胀量试验

为了分析路基土遇水膨胀性，在击实筒中进行压实填土，压实度分别按照85%、90%、95%控制，并将含水量按照2%的增长比例进行注水试验，测试土体表面变形量。

如图6和表1所示，强风化泥灰岩遇水后发生了明显的膨胀变形，压实度越高、含水量越大，膨胀变形量越大。同时，膨胀量与时间还存在着密切关系，即在同样的含水量条件下，随着时间的延长，膨胀量会进一步增大。这表明，路床区顶部膨胀性土压实度最高，对路面结构的破损贡献率应最大。

图6 土体遇水膨胀试验

表1 强风化泥灰岩遇水变形膨胀率试验结果

3.2 有荷载条件下土体膨胀量试验

为模拟不同覆盖压力条件下压实土体有侧限膨胀量，设计了有荷载膨胀量试验。对强风化泥灰岩进行压实，压实度控制在95%，初始含水率控制在17%，最大干密度为1.85 g/cm3。

如图7所示，在上覆荷载作用下，土体遇水产生一定膨胀量，随上覆荷载的增大，膨胀量降低，说明增加上覆荷载可以起到减小膨胀变形的作用。

3.3 压实土体膨胀力试验

为了分析加铺路面结构的效果，有必要确定压实土的膨胀力值。对强风化泥灰岩进行了压实，压实度控制为85%、90%、95%，分析其遇水后的膨胀力。

图7 有荷载膨胀量试验结果

由图8和表2可知，路床区的土体膨胀力明显大于下部路堤和地基土膨胀力，且其值达到300 kPa以上，该值相当于1.3～1.5 m的路面结构自重，但现状路面结构厚度为80 cm，因此不能抑制路基膨胀变形。

图8 土体膨胀力试验

表2 土体膨胀力试验结果

4 膨胀土路基变形对半刚性路面结构受力特性及变形的影响

为揭示膨胀土遇水后产生的膨胀力对道路结构受力特性的影响，使用BISAR程序进行力学分析。

4.1 计算参数选取

参数取值见表3。

表3 道路结构层计算参数取值表

4.2 不同膨胀力对路面结构稳定性的影响

由图9可知，二灰稳定碎石基层弯拉应力与膨胀力及二灰基层强度均有显著的线性关系，膨胀力越大，基层弯拉应力越大，且远大于二灰基层容许弯拉应力；基层模量越高，弯拉应力值越大，容易发生基层的弯拉破坏。当结构层发生结构性破坏后，路表水极易下渗至基层中，同时叠加行车动荷载作用，引发道路结构发生严重的水损坏，造成基层细集料被动水压力冲走，结构发生松散。

图9 不同二灰稳定碎石基层强度条件下膨胀力与弯拉应力关系

4.3 不同膨胀力对路基变形的影响

由图10可知，随着路基土膨胀力的增大，路表位移近似呈线性关系增长，膨胀力从0.1 MPa增加到0.5 MPa，其位移增幅为500%，从而揭示出该道路膨胀不均匀变形严重的发生机理。

图10 路基土膨胀力-路表位移关系

5 结语

本文结合某市政道路病害检测，研究了膨胀土力学特性，分析了膨胀土路基浸水后对路面结构及道路变形的影响机理。根据研究成果，提出如下结论：

（1）土体膨胀量与土体压实度、含水率和时间有关。一般来说，含水率相同时，压实度越大，膨胀变形量越大；压实度相同时，含水率越大，膨胀变形越大；在同样的含水率条件下，随着时间的延长，膨胀量会进一步增大。

（2）根据有荷载膨胀量试验可知，膨胀量与上覆荷载有关。随上覆荷载的增大，膨胀量有所降低。测试表明，该类膨胀土的膨胀力随压实度变化较大，路床区土体膨胀力高达300 kPa以上，因此对于该类弱膨胀性土，若通过增厚路面层厚度控制膨胀变形较难实现。

（3）路床膨胀力与路面结构受力基本呈线性正相关关系，随着膨胀力的增大，路面结构受力相应增大。对于本工程对应膨胀力，基层极易发生结构性破坏。

（4）随着路基土膨胀力的增大，路表位移近似呈线性关系增长。因路基填料膨胀土分布不均，计算表明，膨胀力从0.1 MPa增加到0.5 MPa，其位移增幅可达500%，从而揭示出该道路膨胀不均匀变形严重的发生机理。

（5）外界水入渗是造成膨胀病害发生的直接诱因，其作用机理分为三个阶段：浸入路基引发土体膨胀、入渗至路面结构层内引发动水压力加速道路破损、造成排水设施损坏引发路基及基层灌入大量雨水。

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