公路工程膨胀土路基设计分析

刘阳河

（中国公路工程咨询集团有限公司,北京 100089）

0 引言

近年来，伴随我国公路工程不断快速发展，路基设计中遇到膨胀土的问题日益增多，对公路工程建设影响很大。因此在公路工程地质勘察工作中，需正确识别膨胀土与非膨胀土，并准确地判断出膨胀土的胀缩性，有助于公路路基设计与地基处理工作，对保障公路路基安全具有重大意义。

1 膨胀土的特性分析

膨胀土具有明显的涨缩特性，对水较为敏感，吸水膨胀、失水收缩。在膨胀土路基施工中，易由于膨胀土性质的特殊性诱发路基质量问题，严重时会影响公路整体的建设与运营效果。为此，首先需明确膨胀土的特性，再采取适宜的应对措施，改善膨胀土的不良性质。关于膨胀土的特性，做如下分析：

1.1 强度特性

膨胀土在不同条件下的强度特性存在差异，常规状况下抗剪强度高，稳定性不足时抗剪强度显著降低。相关学者根据膨胀土在稳定程度不同时期的抗剪强度展开深入研究，提出饱和土强度理论和非饱和土强度理论，两种理论从不同的角度对膨胀土特性的成因做出阐述。

1.2 吸水膨胀、失水收缩特性

膨胀土含有吸水性矿物，吸水时强度降低，失水时强度提高。膨胀土在含水量偏高或偏低时发生膨胀或收缩变化，均会影响路基稳定性。因此，若解决膨胀土路基的膨胀收缩问题，需探明膨胀土在不同含水量下的特性，再做相应的处理。纵观行业发展趋势，工程技术人员对膨胀土的吸水膨胀、失水收缩特性予以高度的关注，持续组织试验并建立模型，以期通过高效的方式解决路基损坏问题。

2 公路工程路基设计中的膨胀土处理方法

根据上述对膨胀土基本特性的分析，进一步探讨膨胀土的处理方法，如下：

2.1 石灰改良膨胀土

向膨胀土中加入生石灰是常见的膨胀土改良方法，生石灰的掺入有助于改善土壤的膨胀性能，提高土壤的水稳性和强度，经过改良后的膨胀土更具稳定性。从改良效果来看，石灰改良的方法具有可行性，但对工艺要求较高，例如须精准控制生石灰的用量。

2.2 土工格栅加筋法改良膨胀土

通过土工格栅加筋法的应用，可提升公路路面的整体性和抗剪性，可避免由路基强度不足而诱发局部下陷、受损等问题。得益于土工格栅的抗拉性能，在膨胀土缺水收缩时可吸收此过程产生的收缩力，避免路基由于受力过强而失稳，取得良好的路基防护效果。土工格栅在缓解公路地面裂纹方面也有突出的作用，若有水分渗入膨胀土，会在一定程度上解决膨胀土吸水膨胀后硬度降低的问题。

2.3 加强路表排水系统的建设

公路建设于自然环境中，降雨、日晒均会对公路带来侵蚀作用，若存在膨胀土路基，经过雨水的渗透，膨胀土吸水膨胀，性能恶化，影响路基的稳定性[1]。因此，要建设排水系统，提高排水效率，避免现场形成积水。施工中，可以考虑在路堤边坡处修筑路肩排水沟，阻止雨水渗透至公路中，在减弱水侵蚀作用后，保证公路路基的完整性和稳定性。同时，公路表面聚积过量雨水时会导致车辆打滑，严重时诱发交通事故，故加强排水设施的建设也具有必要性。公路排水系统的建设遵循因地制宜的原则，各路段的气候条件、公路运营状态存在差异，对应的排水系统也需得到优化。

2.4 以换填土的方式处理膨胀土

对于公路路基施工中膨胀土的处理，还可考虑换填土的方法，选取的土料应具有渗透性，应用优质的土料改善膨胀土的特性。经过对膨胀土表面的换填处理后，缓解膨胀土吸水或失水而引发的胀缩现象，使膨胀土的形态维持稳定，避免公路路基受损[2]。为保证换填土的应用效果，需严格按照相关标准控制换填高度。必要时，在膨胀土上方覆盖其他的土质，用于提高地基的承载性能，此时对膨胀土特性的改良效果得到进一步的保障，能够消除膨胀土对地基造成危害的异常状况。根据膨胀土特性、现场施工条件等选择适宜的换填土料，条件允许时适量填入小石子。为减少换填工作量，换填时遵循因地制宜的原则，根据现场情况选择局部换填或是完全换填的方法，并对换填的高度做灵活的调整。着重考虑对大气变化较为敏感的膨胀土，经过换填后改善地基土质条件。经验表明，换填法在公路路基膨胀土处理中广泛应用，是一种处理效果好、实用性强、经济效益突出的施工方法。

3 膨胀土路基设计实际应用

3.1 工程概况

该文以某公路工程为研究对象，总长为94.029 km，处于膨胀土区域，受温度、气候等因素的影响，较易形成膨胀性黏土矿物。据地勘报告可以得知，此公路工程约有50%的路段分布有膨胀土，且其中大部分为弱中膨胀土，局部存在强膨胀土。据初步设计，该路段开挖膨胀土至少有120万m3，路基设计仍沿用传统方案，必然会增加建设费用，并严重破坏周边沿线生态环境。为此，该公路工程重新对路段膨胀土进行研究分析，对照新的膨胀土分类指标体系，设计了新的路基设计方案，具体如下。

3.2 膨胀土路基设计

3.2.1 路基处置深度

从膨胀土性质角度来分析，其胀缩性能会受到多种因素的影响，如：环境湿度、气候条件等，表层膨胀土随着环境的变化，其胀缩性能也会随之变化，极易发生强度衰减状况，但是深层膨胀土却受环境因素的影响程度较小，不会产生大幅度的胀缩变形，具有较高的强度。针对此，该公路工程路基设计过程中，必须对路基进行合理处理，明确处置深度。挖方与零填路段在确定路基深度时，可根据相关规定进行处置，如：选择膨胀土换填层厚度确定法，主要就是根据膨胀土路基构筑物承载力超出基底单位面积膨胀力确定处置深度，具体公式如下：

式中，h——零填及挖方路段膨胀土地基处置深度（cm）；δep0——膨胀土试验卸荷至零时的膨胀率（%），取7%。

3.2.2 路基坡率

该工程公路膨胀土路基设计，并未遵循相关标准规定的坡率，而是选择了变坡率的方法，主要依据为同类公路工程地质比拟积力学，分析具体见表1。

表1 公路膨胀土逻辑边坡坡率

靠近平台路堑内侧位置，可以增设截水沟，尺寸为0.4 m×0.4 m，选材为浆砌石，路堤平台位置，则可不设截水沟。此种设计方法，不仅能够充分支撑坡脚，防止边坡变形，还能够有效减缓边坡承受的高边坡土体压力，便于维护边坡稳定性。

3.2.3 排水沟及护坡道

结合水力计算可知，内外坡率均为1∶1，且底宽、深度均为0.8 m的倒梯形排水沟能在满足路基路面排水要求的基础上降低排水沟内水对路基、路床结构的不利影响，所以应适当加宽、加深膨胀土段排水沟，使沟底达到路床顶面以下40 cm以上。综合考虑路堑路床改性处理的具体要求，排水沟内水对路床干湿状态并无较大影响，所以应将排水沟底宽和深度均增大至1.0 m。在坡脚外缘增设宽度2.0 m的护坡道，以起到阻止边坡碎石滚落入排水沟堵塞沟体及减弱沟内水对坡脚不利影响的双重作用。

3.2.4 路基处理

对该文案例工程进行地质勘查得出，该文工程膨胀土分布位置大气影响深度范围约为3.0～5.0 m，大气急剧影响深度范围约为1.6 m，受大气急剧影响，公路工程路基路面就会受到不利影响，出现多种病害问题，如：路基结构变形、边坡破坏等[3]。针对此，该工程设计膨胀土路基与路面结构总厚度时，确定最小值为1.6 m。路堤段处理选择分层填筑方法，碾压作业后会破坏土体结构，但却能够保留膨胀土微结构与土质特性，同时受膨胀土特性的影响，其膨胀性能会随含水量变化而不断增大，因此此环节应充分考虑路床、上路堤两方面因素。路堑段处理注意采取有效防水措施，因膨胀土具有固结性特点，所以此措施实施后膨胀土结构强度会有所提高。基于此，该工程路基处理仅考虑加固路床，具体设计思路如下：

（1）弱膨胀土路基处理。在弱膨胀土路段，其路面结构层厚度小于0.72 m，路床厚度小于0.8 m，路基高度不超过1.52 m，上路床采用6%石灰土，下路床采用5%石灰土，确保95%以上压实度。若路基高度在1.52～2.22 m内，那么路床掺灰量与压实度均需维持不变。若路床填料CBR值经检验，其强度不符合相关规定，那么掺灰量则应做出相应改变，约4%石灰，压实度需超过93%，虽然此解决措施未有效解决路基土膨胀性特点，但能够有效降低其黏粒和胶粒含量，一定程度上减缓膨胀速度，同时掺灰也便于提高填料CBR值。当路基高度大于2.2 m时，可采取上述方法处理路床与上路堤，掺灰比例一致。一般而言，路基作用区域主要为路面下2.0 m位置，所以仅要求填料强度CBR值不小于3。当弱膨胀土含水量处于增大阶段，但压实度与CBR值符合规定，故而该公路工程并不对膨胀土下路堤进行处理优化。该公路膨胀土边坡土体地处于强风化位置，土体出现胀缩效应，可能与干湿循环因素有关，进而破坏了边坡稳定性，所以还应对边坡进行有效处理，采用50 cm厚的非膨胀土对其进行包边。下路堤当中没有掺灰处理的边坡，也应进行包边处理，采用6%石灰土，以60 cm垂直厚度进行处理。另外，非膨胀包边土应与石灰进行同层碾压处理[4]。

（2）中膨胀土路基处理。中膨胀土路段路面结构层厚度在0.72 m以下、路床厚度在0.8 m以下，路基高度不足1.52 m时，上下路床分别采用8%和7%的石灰土，压实度至少达到95%及以上。当路基高度在1.52～2.22 m之间时，路床掺灰量和压实度不变，且采用6.5%石灰土处治地面以上70 cm范围内的路堤，压实度至少为93%。而路基高度超出2.22 m时，路床和上路堤掺灰量和压实度不变，仅从胀缩性和经济性角度考虑用采用4%石灰土进行膨胀土改性处置，且压实度至少为93%。边坡路面结构层以下采用非膨胀土，按50 cm厚度包边。

（3）填挖交界处路基处理。对于填挖交界处路基，除应按照膨胀土路基高度进行常规性处理外，还应在路床范围内增设三层强度至少60 kN/m、延伸率不超过4%的双向玻纤土工格栅材料，避免含水量改变导致路基发生不均匀沉降，保证路基结构稳定。

（4）地下水位影响。地下水位高的路堤段应在清表处理后增设厚度30～50 cm的砂砾石垫层，并按照垫层底面应高出边沟底面至少70 cm的要求加深路段边沟，便于垫层内的水顺利排出。垫层以上设计主要根据膨胀土类型及路基设计高度具体确定。地下水位高的路堑段应按照路床超挖80 cm的要求掺灰处理，并超挖30～50 cm后增设砂砾石垫层，还应在边沟以下增设60 cm宽、50 cm深的碎石盲沟，外包反滤土工布，并将内径15 cm的高密度聚乙烯双壁打孔波纹管增设在盲沟底部。

3.3 施工中应注意的事项

因膨胀土性质较为特殊，若在实际施工中未选择恰当的处理方法，在后续使用期间必然会出现病害问题[5]。应提前了解当地气候条件，避免在雨水多的季节进行施工，且路基填筑环节应注意保持连续性，尤其要控制内部含水量，确保符合施工标准。在整个施工过程当中，路堑边坡占据十分重要的地位，需注意遵循自然原则，确保能够充分满足施工要求。与此同时，还需采取相应支挡措施，注意实施防水处理，合理设置排水系统，防止施工过程中出现大量积水，以免影响施工质量。

4 结束语

膨胀土具有较强的胀缩性、超固性等特点，而且受环境、大气等因素影响，其含水率会发生大幅度的变化，进而加大工程施工难度。所以，在实际设计公路工程膨胀土路基时，提高对其特性的重视，根据实际情况，采取相应防水、排水、加固等措施，充分保障路基稳定性与安全性，确保公路工程整体质量。