膨胀土填筑路堤的处理技术

莫增江

(广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司,广东 广州 510000)

0 引 言

膨胀土系指土壤中的黏土矿物成分大多由亲水矿石物构成(一般含有较多的蒙脱石、伊利石、混层黏土矿物等),并且具备了吸水后体积急剧膨胀变软和失水后体积急剧缩小干裂两个重要物理特征,属于固结特性强、裂隙特性强、湿胀干缩往复变化的超高塑黏性土质。膨胀土地质处理已成为公路工程建设中最突出、最关键的工程问题之一。

目前对膨胀土作为路基填料的研究,大部分为理论分析或室内试验研究。例如通过改进CBR试验快速测定方法来判定膨胀土是否可作为路基填料的室内试验研究[1-2];通过在膨胀土中掺入一定量的石灰可加强其CBR强度的研究[3-4]。但未对其研究结果运用于实际工程建设的有效性进行检验,因此在前面文献的研究基础上,提出改良膨胀土性质及优化路堤填筑组成方案并通过实际的工程建设进行检验研究,以客观反映膨胀土作为路基填料的实际稳定性及工作状态。

1 膨胀土的特性及病害分析

1.1 膨胀土的分布

通过研究文献等资料表明,国内膨胀土分布相当广泛,分布范围大致包括东北、西北、西南、长江、黄河中下游以及局部东南沿海地区[5-6]。

1.2 膨胀土的特性

经过查阅资料,加强了对膨胀土的基本物理性质特点的理解,其物质组成成分、结构特征和基本物理特性归纳如下[7-8]。

对水影响下膨胀土的膨胀干缩性起主要影响的黏土、风化岩中的矿物质多由伊利石/蒙脱石混层矿(I/S)所组成。

膨胀土的稳定含水量与其塑限较为接近,其风干后的膨胀能力和膨胀量约为一般自然土壤的5～10倍,同时干燥后活化是膨胀土的又一明显特性。

(1)按主要影响物质组成成分分析。

镁基膨胀土:物理化学活性较强,主要分布于广西宁明等地区。

钙基膨胀土:膨胀干缩、崩解的速率较快,主要分布于广西百色、陕西汉中、河南邓县、云南昭通等地区。

(2)按组成成因分析。

风化残积类膨胀土:具有孔隙率高、含水量高、塑性强和密度低的特性,如广西宁明、广西百色、云南昭通地区的膨胀土。

沉积类膨胀土:具有密度一般较大、自然含水量则稍低的特点,如陕西汉中、河南邓县地区的膨胀土。

根据膨胀土的基本物理性质,膨胀土一般不能直接作为路基填料。

1.3 公路中膨胀土造成的主要病害

公路建设中,若直接将膨胀土作为路基填料,将会造成路基变形、失稳、结构损坏等严重病害。

受环境干湿影响,路基中各部位/段干湿程度不一,膨胀土路基不断发生不同程度的膨胀变软以及收缩干裂的循环过程。在土的自重和渗透荷载影响下,边坡容易失稳崩塌,路基变形、沉陷反射至路面造成破坏,桥台、锥坡等结构物开裂外移、倒塌等。

如何通过改良膨胀土性质优化路堤填筑组成方案,是解决膨胀土地区公路路基建设的重点技术问题。

2 膨胀土填筑路堤的物理处理技术分析

2.1 物理处理的基本思路

通过对膨胀土检测,查明物理性质特点及分类后,将其设计填筑在合理的路基范围,按照相关研究结果,通过利用稠度和湿法按照公路工程中重型压实标准确定的最佳含水率和压实度来控制路基施工过程中的碾压,并采取相应的隔水、防渗措施,以设法控制路堤中填筑的膨胀土在可控的湿度范围内发生极小胀缩变化,从而使其能够作为合格的路基材料来进行使用,且能保持足够的强度(压实度及CBR值)[1-2]。有效控制湿度范围及隔水防渗,是进行膨胀土路堤处理工程的基本准则。

2.2 物理处理的主要技术要点

掌握公路中路基受力工作区和不同填筑高度所对应位置的荷载变化,有效控制移挖作填、填挖平衡,合理调配膨胀土填料,把不同强度、膨胀干缩特点和含水量的膨胀土通过改良后设计填筑在合理的路基范围(如利用膨胀土填芯)。

需要因地制宜,对膨胀土路基采取合理处置方法,如掺石灰土改良、黏土包边、隔水防渗、增设格栅加筋材料包边等物理处理技术的相互组合,以达到膨胀土在公路工程建设中的最佳运用。

3 膨胀土路堤处理方法在实际工程中的应用

根据工程的实际运用情况,提出不同的膨胀土路堤填筑方法并开展系统的研究。

以柳州高速过境线公路(罗城经柳城至鹿寨段)工程为例,项目是广西高速公路网规划的联络线,也是柳州市“两环四横四纵多联”高速公路网的重要组成部分。根据勘测结果,沿线多处存在膨胀土挖余土方,为更好地利用膨胀土挖余土方,项目开展了试验段研究。

3.1 试验段A:石灰改良膨胀土填芯+土工格栅包边技术

试验段路基顶面宽度为33.5 m标准双向六车道公路断面,一级路堤填方边坡,坡率为1∶1.5。在膨胀土中掺入一定比例的石灰改良后填芯,两侧边坡水平3 m范围采用土工格栅加筋包边,基础铺设1 m 厚碎石土隔水层,路基顶部采用1.5 m厚非膨胀土封顶,其中膨胀土填芯控制高度≤6 m。

在膨胀土中掺入5%～9%的石灰来分析研究土样总的CBR值变化情况[3-4]。相对于相同石灰掺入量的填芯膨胀土,在最大干密度ρ范围中,CBR值随干密度ρ的增加而增大。同时可以反映出,相对于掺入7%石灰的填芯膨胀土,CBR值随干密度ρ的增加而增大的幅度较石灰掺入量为5%和9%的填芯膨胀土要大,因此本次方案采用掺入7%石灰的填芯膨胀土进行试验。

3.2 试验段B:非膨胀性土包边技术

试验段路基顶面宽度为33.5 m标准双向六车道公路断面,一级路堤填方边坡,坡率为1∶1.5。利用膨胀土填芯(根据文献[9]研究结果,对膨胀土采用改进CBR试验方法检测强度,满足要求后可作为路基填料),两侧边坡水平3 m范围采用非膨胀土包边,基础铺设1 m厚碎石土隔水层,路基顶部采用1.5 m厚非膨胀土封顶,其中膨胀土填芯控制高度≤6 m。

4 膨胀土路堤处理方法的有效性检验

对柳州高速过境线公路(罗城经柳城至鹿寨段)工程膨胀土填方路基试验段进行了有效性检验。

4.1 承载力检测

在试验段路堤修筑期间进行压实度检测,堤芯填筑完成后分别在堤芯顶面进行了弯沉和承载板检测。

用改进的CBR试验方法:(1)采用侧向浸水进行试件浸泡;(2)浸水时的上覆荷载采用20 kPa;(3)土样制件含水率采用湿法重型击实的最佳含水率[1-2]。测得的CBR值分别为9.2%、5.4%,均大于路基设计规范的要求。

对路床顶面进行弯沉测试,按文献[10]提供的计算方法来反算回弹模量,见公式(1)。

(1)

式中:L0为弯沉值,0.01 mm;E0为回弹模量,MPa。

由表1可知,路床顶面回弹模量均>50 MPa,符合规范要求。

表1 路床顶面弯沉及回弹模量表

4.2 膨胀土路堤实体工程跟踪监测

通过埋设含水率探头、测斜仪、剖面沉降仪、水平位移计、土压力盒、温度计等监测元件,获取路堤试验段在通车后路堤内部水分、变形、应力随时间的变化情况,对试验段进行跟踪监测。

(1)含水量监测结果。

图1中的观测结果显示,含水量最小值为24.9%(旱季),含水量最大值为42.2%(雨季),均出现在距离路基边部水平距离为0.4～1.5 m的范围。这表明越靠近路基边部,其含水量所受外界干湿条件的影响就越明显。其中以距路基边部水平距离3 m为界,外侧含水量所受外界干湿条件的影响波动大,内侧含水率基本不受外界干湿气候影响,含水量波动小,稳定性好,因此可验证两侧边坡水平3 m范围采用土工格栅加筋包边或非膨胀土包边合理且满足要求。

图1 各测点含水量监测数据(0.4、1.5、3、5、16 m指测点到路基边的水平距离)

(2)沉降监测结果。

图2中的观测结果显示,沉降的最大值为75.9 mm,出现在测点到基准管端距离25 m的测点上。越靠近路基中部,沉降量越大,且沉降量随时间的延长而逐渐变大,并在半年后基本趋于沉降稳定状态。

图2 沉降管各点沉降观测数据(1、5、10、15、20、25 m指测点到基准管端的距离)

为有效控制利用膨胀土填芯路段的沉降,避免路基沉降过大反射至路面造成破坏,采用膨胀土填筑路堤有效高度不应>6 m。

(3)垂直位移监测结果。

图3中的观测结果显示,路基的垂直位移均很小,最大值为0.55 mm(雨季),说明路基胀缩幅度小,路基稳定性好。

图3 竖直位移观测数据

(4)水平位移监测结果。图4中的观测结果显示,路基水平位移均较小,最大值为3.95 mm,出现在距离路基边部水平距离0.4 m 的测点处,说明此处胀缩影响较大,且距离路基边部水平距离越近,水平位移值越大。但总体来说都较小,满足路基稳定性要求。

图4 不同位置各点水平位移观测数据(0.4、1.5、3、4 m指测点到路基边的水平距离)

(5)横向偏移监测结果。

图5中的观测结果显示,路基顶面横向偏移值最大为12.5 mm,横向偏移值随着路基深度增大而减小,不同深度各点横向偏移值随时间的变化规律基本一致,总的偏移值不大,均<15 mm,路基的总体偏移很小,无出现滑坡的可能。

图5 不同深度各点横向偏移值观测数据(1、3、8、12、14 m表示测斜管上测点距离其底端的长度)

(6)体积含水率监测结果。

为了验证路堤底部范围内土体含水量受地下水的影响程度,故进一步进行路堤底部范围内土体含水量的监测,检测毛细水或有压力水进入路堤填芯膨胀土的范围,获取地下水或有压力水的作用规律,确定地下水、毛细水上升高度,如图6所示。

图6 体积含水率监测数据

从图6可知,路堤底部25 cm范围内土体含水率受地下水的影响最大,基本饱和;毛细水上升高度不超过0.7 m;压力水的影响范围不超过1 m;膨胀土底下铺筑1 m碎石土作为隔水层,可显著减小毛细水或有压力水进入路堤填芯膨胀土的范围。

(7)造价影响分析。

根据试验段的填筑结果,对试验段利用膨胀土填芯处理与弃用膨胀土+取土填筑路基进行了造价对比分析。试验段位于柳州高速过境线公路(罗城经柳城至鹿寨段)工程K45+700位置,按取土运距为25 km,弃土运距为18 km,利用膨胀土方运距为1 km以内。每公里造价影响分析见表2。

表2 每公里造价影响分析表 单位:元/km

通过对比分析,“非膨胀性土包边路堤”经济性最优,其次为“石灰改良膨胀土填芯+土工格栅包边路堤”,均比“直接弃用膨胀土+取土填筑路堤”节省工程造价。因此通过改良膨胀土性质或优化路堤填筑组成方案,运用于公路路基填筑可在很大程度上节省工程造价。

5 结 语

(1)采用稠度和湿法按照公路工程中重型压实标准,采用经过改进的CBR测定方法评定膨胀土作为路基填料的性能指标。

(2)通过现场调查、跟踪监测、查找相关文献等评估路基外部条件干湿变化对当地膨胀土的影响程度,从而科学合理地确定膨胀土路堤的黏土包边厚度。

(3)为避免毛细水或有压力水进入路堤填芯膨胀土的范围造成膨胀收缩影响,需在膨胀土底下部筑隔水层并进行隔水处理。

(4)为有效控制利用膨胀土填芯路段的沉降,避免路基沉降过大反射至路面造成破坏,从受力和沉降考虑,采用膨胀土填筑路堤有效高度不应>6 m。

需因地制宜,对膨胀土路基采取合理处置方法,如掺石灰土改良、黏土包边、隔水封闭、增设格栅加筋材料等物理处理技术的相互组合,可达到膨胀土在公路工程建设中的最佳运用。