公路路基路面设计中膨胀土处理分析

何文进

（江西赣北公路勘察设计院，江西 九江 332000）

0 引言

膨胀土的抗剪性一般比较强，但在土体失稳的情况下其抗剪能力会快速下降，使自身的强度降低。同时，由于膨胀土主要是由吸水性矿物组成的，所以具备一定的吸水膨胀特性，一旦失水系数下降会破坏路基路面结构。因此，在公路路基路面设计环节需要了解膨胀土的特性，可通过现场试验或系统建模的方式验证设计方案可行性，及时解决设计方案中存在的问题。

1 膨胀土的判别标准

在公路工程施工中，膨胀土是较为常见的不良地质条件，如果未对其进行必要的处理，会影响工程质量。在路基路面设计环节，准确判断土质类型，不仅能保证设计方案的合理性，促进项目顺利开展，还能降低不良土质对路基路面施工产生的影响。目前，对膨胀土的判别方法主要有直接法、间接法。

直接法是通过技术检测的方式确定土体的膨胀量、矿物含量，进而进行土质判断。

间接法是利用间接性的指标进行判断，如有线膨胀率、塑性指数、膨胀率、比表面积等。

无论选择哪种判别方法，都要遵循相应的标准与规范，做好对各项指标的分析与判断工作，提高判断的准确度，为公路工程的顺利开展奠定基础条件。

由于膨胀土主要是由蒙脱石、伊利石等亲水性黏土矿物质构成的，且内部存在较多的裂隙，所以对水有着较高的敏感性，其最显著的特性是吸水膨胀性与失水收缩性，土体失水或者浸水都会给道路造成一定的破坏和影响。在膨胀土判别过程中，应该从土体外观、土质分布范围、试验检测（自由膨胀率）等方面入手，通过综合分析确定其是否属于膨胀土。

外观：一般呈棕、黄、褐色及灰白等色，常呈斑状。分布范围：多分布在盆地内岗，山前丘陵地带，二、三级阶地上。试验检测：经检测，自由膨胀率超出40%则可初步判定为膨胀土。就目前的判定方式来说，试验检测方式的准确度最高。

2 膨胀土对地基的危害

在膨胀土地质条件下所建设的公路项目容易发生病害问题。所以，在公路路基路面设计中，技术人员与设计人员必须对这些病害问题有足够的认识，结合具体情况设计合理的处理方案，从而确保公路工程的整体质量合格，满足交通运行标准。

第一，由于膨胀土的力学特性比较特殊，所以需要从膨胀变形性、强度稳定性方面展开分析。在对膨胀土的分析中，强度是十分重要的参数，也是影响道路工程整体稳定性的关键参数，必须对其有足够的重视。如果膨胀土的强度发生改变，公路工程的填料则会发生滑动变化的情况。公路在运行期间，会长期受到车辆的碾压，由于膨胀土的力学特性比较特殊，在荷载过大及外部气候因素的影响下，膨胀土的强度会降低，路基、路面会因此发生变形，严重情况下甚至会发生公路滑坡等病害问题，严重威胁道路的交通运行安全。

第二，水是影响路基稳定性的重要性因素，膨润土处于缺水的条件下，会发生不均匀的收缩问题，外部表现就是路基结构发生了不均匀的变形，通常以波浪型、倾斜型的形式存在；有水进入到膨润土结构内，强度性能流失比较严重，结构变形并不大，如果再加上外部车辆碾压作用，极易导致路面结构发生不均匀沉降的问题，结构变形就会变得非常明显。尤其是受到外部荷载持续作用，导致结构发生裂缝的问题，路面结构损坏严重，多数情况下都不能修补处理。即使有些部位可以进行修补，也需要投入较多的人力、物力、财力，资源损失严重，运营成本升高，阻碍交通事业发展。

3 工程概况

某公路项目是国家重点建设的干线项目，其中一个标段的工程长度为94.02km。经现场勘察发现该路线经过的区域是典型的膨润土地质条件，土壤中有大量的膨胀性黏土矿物。且该地区的气候为亚热带季风性大陆气候，全年最高温度达41.3C，全年平均气温在 13.8～15.9C，年平均降雨量为 704.1～1174.3mm，每年的7～9月集中降雨，其他月份的降雨量极少。根据地质勘察结果，在该项目的整个施工范围内，膨胀土分布路段在总路段中的占比为54.21%，且以弱、中膨胀土为主，强膨胀土的比例很小，集中在某个区域。路堤采用填方施工处理方式，为了能够节约建筑工程材料，符合当地工程建设需要，将施工区域内大量的膨胀土作为路基填筑材料应用。为了确保工程的质量合格，应该对膨胀土做出改性处理，以达到工程运行的标准。

4 膨胀土路基填筑方案

在公路路基施工中尽量不要采用大填大挖的作业方式，同时还应该确保浅路堑、低路堤、路基结构都达到稳定的标准。目前对于膨胀土改性来说，加入石灰的方式比较常见，但是需要做好加入比例的控制，通常根据要求，改性后膨胀收缩率控制在0.7 以内才算合格。路基填筑施工方案确定时，技术人员对比多种改性方案，并与全换填作业方式对比，详见表1 所示。弱膨胀土与中膨胀土需要加入的石灰比例分别是5%和7%，由于在现场施工中，会存在石灰损耗的情况，这就需要根据实验室的标准作为基础，增加1%的加入比例，保证最终的处理效果合格。此次工程的设计人员，分析发现加入石灰进行膨胀土改性处理，工艺复杂性较高，质量控制难度大，成本也比较高，但是路基填筑施工质量与压实控制要求较高，所以项目沿线取土场山皮土压实检测难度高，而线路周边区域的膨胀土储量比较丰富。经过多方面考察分析，最终确定加入6%的石灰以完成膨胀土改性处理。

表1 方案比较

对比内容工艺质量资源利用是否选择膨胀土改性通过检测膨胀土性能，对掺拌灰量进行调节，过程较为烦琐，施工进度控制较难受到土质变化与石灰量影响，质量控制难度大通过利用挖方资源，直接进行材料改良，能源损耗低是全部换填另外购买填筑材料，按照常规工艺操作，操作较为简单质量控制较为容易需要动新土，资源利用率低，生态环保性差否

5 膨胀土路基设计

5.1 路基坡率

在该项目路基坡率设计环节，没有按照相应标准要求的坡率进行设计，而是选择应用相同类型的公路工程项目作为参考，模拟力学分析模型，最终确定了变坡率的设计方案。在临近位置按照为0.4m×0.4m尺寸设置截水沟。在该项目工程中，边坡的设计按照规范参数进行，相关的边坡率可适当地优化，这样才能切实地将坡脚的土体压力减小，同时还能够达到坡脚支撑的效果，防止发生严重变形的问题，提高边坡结构的稳定性和道路工程安全性。

5.2 排水沟及护坡道

结合项目的实际情况，根据水力参数进行计算，内外坡全部按1∶1 设计，深度设定为0.8m，形式为倒梯形的排水沟完全符合路面排水的要求，这样水沟中的水就不会给路床与路基造成影响。设计环节明确加宽位置、设置排水沟，沟底与路床顶面保持40cm 以上的距离。技术人员对路堑路床展开分析，确定排水沟中的水并不会给路床的状态造成过大影响，所以将排水沟底部宽度、深度都增加到1.0m。坡脚外缘部位设计宽度为2.0m 的护坡道的结构，有效地预防边坡碎石滚落到排水沟内而发生堵塞，从而保持内部水流的通畅性。

5.3 路基处理

技术人员对现场进行全面的勘察，发现该区域的大气影响参数在3～5m 之间，大气急剧影响深度不超过1.6m。在道路运行的过程中，若大气急剧下降就会导致路面结构出现损坏、变形等问题，故而在该工程中膨胀土路基、路面结构的总体厚度设定为1.6m以上。在路基施工中采取分层填筑的施工方式，经过碾压可以达到结构密实度的标准要求，但是对膨胀土的微结构依然会存在着较大的影响，且膨胀性能并不会完全消失，遇水后容易发生体积变大的情况。因此，技术人员在膨胀土处理中，要根据现场的情况进行分析，了解是否存在影响因素，综合路床与路堤结构，才能确定最佳的实施方案。路堑部分由于膨胀土存在固结性的特点，所以应用防水处理方式，结构强度提升比较明显。所以技术人员需要按照既有的施工标准，采取科学的处理方式进行操作。

5.3.1 弱膨胀土路基处理

在弱膨胀土路基处理环节，需要考虑膨胀土的承载性能，并且在掌握路面结构与路床厚度参数以后，优化处理方式。一般来说对上下路床处理时，加入石灰比例按6%、5%进行施工，压实度达到95%以上。在路基高度处于1.52～2.22m 之间时，加入石灰的比例不变。

通过相关检查发现路床下部材料无法满足承载要求标准时，此时应该按照加入4%的石灰处理，压实度达到93%及以上，该比例并不能消除路基土的膨胀性特点。但是黏粒与胶粒含量有效降低，膨胀反应大大减小，并且加入石灰后，填料的CBR 值提升较为明显。在路基填筑高度超过2.22m 的情况下，根据以上方法开展路床与路堤部分的处理，且路基作用区一般在路面以下2.0m 空间，下路堤路基填料按照CBR≥3即可满足要求。因此，在弱膨胀土的含水量升高的情况，需要对压实度、CBR 值都必须进行控制，使其达到技术标准和规范的要求。在该项目中膨胀土路堤反应不明显，因此不需要进行特殊处理。由于该公路项目的膨胀土区域位于强风化区域，胀缩的反应较为明显，极易出现干湿循环的变化特点，给边坡造成过大的损坏和影响，所以此时的边坡需要使用厚度为5cm的非膨胀土进行包边。下路堤对于没有掺灰的部分，一般需要加入6%的石灰土，并且制作尺寸为6cm 的垂直厚度包边，从而达到结构安全性、稳定性的标准。但是在施工中需要注意的是，非膨胀包边土与石灰处置土填料应该同层碾压施工，提高结构运行的效果。

5.3.2 中膨胀土路基处理

针对中膨胀土路基处理主要是针对路面结构厚度在0.72cm 以及路床厚度为0.8m 的区域进行处理。针对此类情况当路基高度达到1.52m 时，分别对上下路床处理，加入石灰比例按6%、5%进行施工，压实度达到95% 以上。在路基高度处于1.52～2.22m 之间时，加入石灰的比例不变，并且加入6.5%的石灰土进行处理，深度在70cm 以内的路堤，压实度在93% 以上。在路基填筑高度超过2.22m 的情况下，根据以上方法开展路床与路堤部分的处理，分析膨胀性、经济性方面，选择应用4% 的石灰土处理，压实度超过93%。针对边坡路面以下的施工位置，采用非膨胀土作为材料进行包边。

5.3.3 填挖交界处路基处理

填挖交界部位的路基来说，除了应该根据正常的膨胀土路基高度的处理外，还需要在路床施工范围中采用玻璃纤维进行铺设，有效地预防含水量发生变化而造成的结构不均匀沉降，从而使结构稳定性得到提升。

5.3.4 地下水位的影响

地下水的影响是一直都存在的，如果水位较高，在表层清理结束之后，采用砂砾在现场铺设垫层结构，垫层底面的高度需要超过沟底70cm 左右，同时考虑到地下水位的影响，边坡的高度要增加一定的距离，这样才能将积水迅速排出。在垫层以上位置按照膨胀土的特性，明确路基的高度。在地下水位比较高的位置按照80cm 开挖的标准，采用掺灰对其进行处理，同时在超挖距离达到30～50cm 以后，需要使用砂砾石铺设垫层。在边沟下部设置碎石盲沟，宽60cm、深50cm，外包反滤土工布结构，同时在施工区域采用波纹管进行铺设。针对垫层以上的路床位置，采用掺灰处理方式进行处理。

6 膨胀土路基处理效果

综合分析此次公路工程项目多个路段部分的膨胀土特性，经过路堤试验分析，进行掺灰处理工作结束后，发现试验结果与工程情况是基本相同的，但是在进行掺灰比例的检测环节存在着较高的难度，容易发生比较大的偏差。基于此，此工程采用的是无侧限抗压强度的方式进行试验，试验结果为：当掺入量为8%、7%、6%、5%、4% 时，膨胀土的对应强度分为0.8MPa、0.7MPa、0.7MPa、0.6MPa 和0.5MPa。按照该结果参数，该工程在路堑边坡位置上设置垫层结构，且在周边设置排水盲沟。经过现场一段时间的运行，这种处理措施的优势较为明显，且在一个降雨期后，盲沟排水完全达到正常的状态。在当年雨季运行后，检查现场运行的情况，盲沟流水通常，排水效果良好，施工状态符合预先设定的标准。

7 结语

在公路施工中膨胀土是比较普遍的一种地质条件，在路基路面工程施工中，给现场施工的质量造成影响比较大，因此，在公路路基路面设计的过程中，需要合现场的情况，采取必要的应对处理措施，才能使公路工程得以有效的运行。在膨胀土处理中，目前广泛应用的处理措施是掺灰处理，按照不同条件确定合适的掺灰比例，确保路基路面结构的性能符合要求。同时在往后工作中，针对膨胀土的处理，还要从材料设计、结构设计方面做好优化，减少路基面沉陷、坍塌等问题出现。