益娄高速公路膨胀土工程特性及处治方法

苏 伟，文畅平，陈宗辉

（中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙 410004）

0 引 言

膨胀土是在自然地质变迁中形成的一种多裂隙、易风化、显著胀缩、反复破坏的特殊性黏土，其黏粒成分主要由亲水性矿物蒙脱石和伊利石组成，对环境的湿热变化敏感，土体遇水极易破坏［1－3］。因此，膨胀土不能直接用于路基填筑，并应防止其因裸露在空气中受外界气候的影响引发湿胀干缩的恶性循环，从而导致一些地质灾害如路基局部坍塌、隆起、裂隙，以及路基边坡表层滑坡和路面随季节变化的大幅度波浪变形等问题。

工程中对膨胀土的处治方法主要有：换填法、掺无机结合料改性法、包边法、土工织物加固法、“三明治”互层法等，这些处治方法都已成功运用于实际工程中，但具体处治方法的选择还需结合土性及施工环境等因素［4－7］。

益娄高速公路的膨胀土经室内试验初步判定为弱中性膨胀土，经过进一步物理力学试验发现其整体趋于弱膨胀土，同时益娄高速公路两边多农田村庄，运土弃土较为不便。为保证工程的经济性、可操作性、生态环保性等，综合分析决定采用石灰改良膨胀土的包边法进行处治。本文基于益娄高速公路项目对石灰掺量、包边材料、处治厚度的确定进行研究。

1 工程概况

益娄高速公路二标至五标以及十二标段之间断续分布有厚薄不等、具有弱中等级的膨胀土。主要分布路段包括K9＋500～K25＋300、K26＋692～K39＋000、K41＋600～K41＋750、K93＋600～K96＋280等，总计约71.8万m2。

2 膨胀土等级及物理力学特性

2.1 试验目的

膨胀土分布具有地域差异性，工程特性因地而异，处治方法也不尽相同。本文通过试验研究膨胀土具体的表观特性、膨胀性、物理力学特性等，以准确把握益娄高速公路膨胀土的工程特性并确定合理的处治方法。

2.2 试验方案

2.2.1 试验土样

根据益娄高速公路特殊路基设计工程数量表，试验土样选择在膨胀土主要集中路段，取样深度在1.0～6.0m，针对性取回32个代表性土样。

2.2.2 试验内容

探讨益娄高速公路膨胀土的表观特性，为直观判别该地区膨胀土提供经验；根据膨胀性试验、液塑限联合试验、标准吸湿含水率试验对膨胀土进行分级判别；通过击实试验、直剪试验、无侧限抗压强度试验等进一步把握益娄高速公路膨胀土的工程特性。

2.2.3 试验方法及依据

试验方法参照《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）、《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）等。判别依据为《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）、《公路工程地质勘察规范》（JTG C20—2011）等。

2.3 试验结果

2.3.1 土样的表观特性

通过对土样颜色、成分、手摸感、干湿硬度等观察，对取回土样进行编号、分类、分析，具体土样的表观特性描述见表1。

表1 32个代表性土样表观特性描述

2.3.2 膨胀土的分级判别

首先对取回的32个代表性土样进行初步判别，判定土样是否可能为膨胀土，判别的指标为：土壤的颜色、成分、干湿状态等。然后，对32个代表性土样进行详判，验证初步判别的准确性并确定膨胀土的膨胀潜势，详判指标为自由膨胀率、塑性指数、标准吸湿含水率，判定依据为《公路工程地质勘察规范》（JTG C20—2011）［11］。采用初判和详判结合的判别方式，不仅可为表观判别提供经验参考，而且可使判别更具有条理性、针对性，避免造成漏判、错判。膨胀土的判别结果见表2。

2.3.3 膨胀土的工程特性

膨胀土的工程特性通过其自身的物理力学特性显现。本文通过室内试验对益娄高速公路弱、中级膨胀土的物理力学特性进行研究，试验参照《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）。膨胀土的物理力学特性见表3、4。

2.3.4 试验结果及分析

为确定所取回32个土样是否为膨胀土及相应的膨胀等级，试验从自由膨胀率、塑性指数、标准吸湿含水率3个指标进行判断。由试验结果可知，所取回土样78%属于膨胀土，其中弱膨胀土占62.5%，据此推断益娄高速公路存在的大量膨胀土以弱膨胀土为主，中膨胀土较少，具有弱中膨胀土的特性。

为进一步探究益娄高速公路膨胀土的工程特性，本文开展了膨胀土的物理力学试验。由膨胀土的物理特性指标可知益娄高速公路膨胀土黏粒含量、天然含水率、液塑限相对较高，而自由膨胀率偏低，尤其弱膨胀土更加明显；由膨胀土的力学特性指标可知，益娄高速公路膨胀土的直剪强度、无侧限抗压强度、加州承载比相对较高，而有荷及无荷膨胀率、膨胀力、胀缩总率相对较低。综合分析可知，益娄高速公路膨胀土的膨胀等级偏低，整体趋于弱膨胀土的工程特性。

表3 膨胀土的物理特性指标

3 处治方法

3.1 处治方法的选择

工程中处治膨胀土的常用措施有：换填法、掺无机结合料改性法、“三明治”互层法、包边法、土工织物及土工格栅加固法等。益娄高速公路二标至五标以及十二标段之间断续分布有弱、中等级膨胀土，总计约71.8万方，且周围多农田村庄。如采用全断面换填法，大量土方外运无疑会增加工程造价；采用掺无机结合料改性法、“三明治”互层法，则易造成环境污染、生态破坏，影响居民生活，且不能充分利用当地膨胀土；采用土工织物及土工格栅加固法，大量外运施工材料较困难，且施工工艺复杂；而采用包边法不仅能避免大面积掺灰造成的环境污染，而且小范围石灰改良能保证掺灰的均匀性。综合经济、质量、工期、环境等因素，决定采用掺石灰改良的包边法进行处治。

表4 膨胀土的力学特性指标

3.2 处治材料的选择

包边法即利用非膨胀性土将膨胀土包芯于内部。在膨胀土分布较广且不集中的地段，选择外运非膨胀性土势必造成工作量及工程造价的增加，鉴于石灰可改变膨胀土的物理力学特性，合理掺入石灰可使膨胀土具有非膨胀性的特点［8－9］。考虑到施工路段距石灰生产厂相对较近，本文提出采用石灰改良膨胀土作为包边材料。

膨胀土的处治材料包括膨胀土和石灰2种材料。膨胀土要求选择具有代表性的弱中等级膨胀土结合土样，用符号“S”代替；石灰选择三类及以上的钙质石灰，其中CaO的质量分数为73%，MgO的质量分数为2.1%，用符号“C”代替。

3.3 改良膨胀土的工程特性

为了探索改良膨胀土的工程特性，本文进行了膨胀性试验、标准吸湿含水率试验、液塑限联合试验、加州承载比试验、直接剪切试验、无侧限抗压强度试验等，试验方法参考《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）。石灰改良膨胀土的工程特性见表5。

表5 改良膨胀土的工程特性

3.4 合理石灰掺量的确定

根据《公路工程地质勘察规范》（JTG C20—2011），当土的自由膨胀率不小于40%、标准吸湿含水率不小于2.5%、塑性指数不小于15%时可判定为膨胀土。由表5可知：当掺灰量为4%时，改良膨胀土已不属于膨胀土的范畴，当掺灰量为6%时，改良膨胀土的膨胀率大大降低，力学性能也不断优化；但再增加掺灰量时，改良膨胀土的物理力学特性并没有显著变化，个别参数甚至呈现上下起伏的不规律状态，说明不断增加掺灰量时改良膨胀土的处治效果并不一定最好。通过试验决定益娄高速公路膨胀土的掺灰量应控制在6%左右。

3.5 处治厚度的确定

包边法的关键是根据所在地区的大气影响深度确定合理的包边厚度［10－11］。根据《膨胀土地区建筑技术规范》（GB 50112—2013）的规定，大气影响深度应由所在地区土的深层变形观测、含水量观测及地温观测资料确定，无资料时可根据湿度系数计算公式确定。对于益娄高速公路，无法及时获取当地土层的变形观测及含水量观测数据等，但可获取计算湿度系数所需的参数。根据益阳、娄底两市的气象台站数据并经计算发现，益娄、娄底两市地区的湿度系数约为0.9，故益娄高速公路的大气影响深度为3.0m。考虑到干湿循环作用下裂隙深度的影响，本文通过室内模拟试验确定3.0m厚的包边在0.5m范围内裂隙变化相对较大，超过0.5m范围裂隙深度几乎没有变化，故益娄高速公路包边层厚度确定为3.5m较为合理。

3.6 处治断面尺寸的确定

包边法主要结构有顶封层、底封层、包边层。考虑到上覆路面会减弱结构层大气降雨蒸发作用，顶封层、底封层厚度分别取0.4m。包边层按处治厚度取3.5m。鉴于益娄高速公路膨胀土路堤填筑高度在0～8m之间，其中填筑高度小于6m的路段占90%以上，因此本文主要研究填筑高度小于6m的情况，边坡坡率可采用1∶1.5～1∶1.75［12］。具体路堤包边断面尺寸如图1所示。

4 处治效果的判定

本文通过室内试验确定6%的石灰掺量可改变膨胀土的膨胀性，达到包边材料的质量要求，具备非膨胀土的工程特性，但路基实际运行能否满足设计规范要求还需后期长时间观测，这就使得处治效果不具有及时说服性。为提前获知6%的石灰改良膨胀土包边方案的处治效果，本文决定建立路基模型通过离心机模拟试验进行判定［13］。

4.1 模型的建立

本试验采用的离心机为TLJ－2型土工离心机，最大容量为100g·t，模型尺寸为0.8m×0.6m×0.6m，半径为3.0m，有效半径为2.7m，最大加速度为200g，数据采集通道70个。

图1 路堤包边断面尺寸

本试验模型根据路堤实际断面尺寸按包边方案制作，模型比例设为40∶1，试验主要考虑不同路堤高度对石灰改良膨胀土包边处治效果的影响，共进行4组模型试验。模拟的原型路堤高度分别为2、4、6、8m，分别对应模型的高度为50、100、150、200 mm。试验要求4组模型控制参数相同（除路堤高度外），其中压实度要求达到96区，分层铺土厚度按同比例缩小，采用室外养护，以充分模拟现场环境。

4.2 模拟结果及分析

在100倍重力加速度条件下对石灰改良膨胀土包边路基进行动力离心试验。通过观察水平方向（观察点位于路基模型顶部轴线处，A点）、竖直方向（观察点位于路基模型边坡中部，B点）传感器的变化值，分析不同路基填筑高度下6%生石灰改良膨胀土的包边法处治效果。通过模拟试验发现，A点的水平位移随路基高度的变化不大，但竖直位移变化明显，尤其高度大于6m时，竖直位移较大，达到1.2mm；B点处的水平、竖直位移均随路基的高度增加而增大，尤其高度大于6m时，水平、竖直位移增大较明显，水平位移达到0.8mm，竖直位移达到1.2mm。由模型试验可知，采用6%的生石灰改良膨胀土包边法处治时，当路基填筑高度小于6m时，路基的整体稳定性较好；当路基填筑高度大于6m时，路基的整体稳定性较差，尤其路基边坡的失稳严重，模型存在多处裂隙情况。具体试验数据见图2、3。

5 结 语

（1）膨胀土的工程特性研究首先应选取足够多的代表性土样，然后对土样颜色、触感、成分等进行大致描述，最后根据详判结果进行对照分析，增加从表观状态对膨胀土进行判别的经验。

（2）自由膨胀率、塑性指数、标准吸湿含水率中有2个指标达标时即可判定为膨胀土，单纯以自由膨胀率判别容易造成误判。

（3）膨胀土的膨胀特性是通过自身的物理力学特性显现的，不同地区膨胀土的特性不同，因此对膨胀土进行处治前，应通过试验对其特性进行全面了解，为后续处治工作打下基础。

（4）石灰掺量的多少及石灰改良膨胀土是否具备非膨胀性的要求，应根据改性土的物理力学特性指标进行判断分析，进而确定合理的石灰掺量及所使用的包边材料。

图2 路基模型A点的位移变化趋势

图3 路基模型B点的位移变化趋势

（5）采用包边法处治膨胀土，包边厚度应根据外界气候的变化进行确定。综合考虑益娄高速公路大气影响深度、干湿循环的裂隙深度、处治材料、防排水条件等的影响，最终确定包边厚度为3.5m，此包边厚度仅适用于益娄高速公路，其他工程应根据所处环境的具体情况而定。

（6）石灰改良膨胀土包边法处治路基的效果需长时间观测予以确定。为确定合理的处治方案，本文引入离心机模拟试验进行验证，发现路基包边厚度为3.5m、填筑高度不超过6m时，包边法处治效果较好。