關(guān) 飛,盧元均

(1.安徽省公路學(xué)會(huì),安徽合肥 230051;2.安徽省交通投資集團(tuán),安徽合肥 230011)

論安徽中部膨脹土地區(qū)公路路堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

關(guān) 飛1,盧元均2

(1.安徽省公路學(xué)會(huì),安徽合肥 230051;2.安徽省交通投資集團(tuán),安徽合肥 230011)

膨脹土作為路基填料或路基邊坡,由于其吸水膨脹、失水收縮的特性給高速公路建設(shè)帶來許多病害,膨脹土問題成為安徽中部高速公路建設(shè)工程的主要不良工程地質(zhì)問題。在全面認(rèn)識(shí)膨脹土工程特性的基礎(chǔ)上,根據(jù)膨脹土路基病害發(fā)生機(jī)理,結(jié)合公路路基斷面特點(diǎn),確定合理的路堤結(jié)構(gòu)形式,對(duì)于保證路基的穩(wěn)定性具有重要意義。

膨脹土;路基病害;發(fā)生機(jī)理;特點(diǎn)

0 引言

安徽中部地區(qū)是我國膨脹土覆蓋的典型地區(qū)之一,近年來公路建設(shè)蓬勃發(fā)展,合(肥)寧(南京)高速公路、合(肥)安(慶)、合(肥)徐(州)、合(肥)淮(南)、合(肥)六(安)葉(集)、合(肥)巢(湖)蕪(湖)、蚌(埠)寧(南京)高速公路等公路建設(shè)項(xiàng)目,均大段穿越江淮膨脹土地區(qū)。膨脹土作為路基填料或路基邊坡,由于其吸水膨脹、失水收縮的特性給高速公路建設(shè)帶來許多病害,膨脹土問題成為安徽中部高速公路建設(shè)工程的主要不良工程地質(zhì)問題。在全面認(rèn)識(shí)膨脹土工程特性的基礎(chǔ)上,根據(jù)膨脹土路基病害發(fā)生機(jī)理,結(jié)合公路路基斷面特點(diǎn),確定合理的路堤結(jié)構(gòu)形式,對(duì)于保證路基的穩(wěn)定性具有重要意義。

1 膨脹土路基病害發(fā)生機(jī)理

膨脹土是一種具有裂隙性、脹縮性和超固結(jié)性的高塑性黏土,在天然狀態(tài)下往往強(qiáng)度很高,但對(duì)氣候變化特別敏感,當(dāng)含水量變化時(shí),引起膨脹土的膨脹或收縮變形,強(qiáng)度降低,隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加,強(qiáng)度衰減幅度增大;干縮開裂裂隙的存在破壞了土體的整體性,強(qiáng)度大大減小,同時(shí)方便了水分的浸入和土中水分的蒸發(fā),天氣變化時(shí)將導(dǎo)致裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展和向土層深部發(fā)展。另外,膨脹土的應(yīng)力歷史和廣義應(yīng)力歷史決定了膨脹土具有超固結(jié)性,一旦開挖暴露,由于其超固結(jié)應(yīng)力釋放而失去平衡,裂隙就會(huì)發(fā)展,使強(qiáng)度降低,這些特性對(duì)膨脹土強(qiáng)度都有強(qiáng)烈的衰減影響。

公路建設(shè)對(duì)路基填料性能有嚴(yán)格的要求,除了要滿足壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)外,同時(shí)還要滿足CBR強(qiáng)度指標(biāo)要求。膨脹土作為路基填料直接填筑,根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)研究,弱膨脹土在控制含水率和一定壓實(shí)功條件下,可滿足路基壓實(shí)度和強(qiáng)度指標(biāo)要求,中等強(qiáng)度以上膨脹土不能同時(shí)滿足要求,需改性處理。膨脹土路基雖然經(jīng)過人工壓實(shí),但擊實(shí)膨脹土的膨脹性狀較原狀土大,而且密實(shí)度越高,膨脹量與膨脹力就越大。在氣候環(huán)境變化下,當(dāng)含水率變化時(shí),引起壓實(shí)膨脹土的膨脹或收縮變形,路基壓實(shí)度減小,強(qiáng)度降低,并隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加,強(qiáng)度衰減幅度增大,進(jìn)而引發(fā)路面斷板、沉陷、路肩坍塌、淺層坡面滑塌等各種病害。

通過對(duì)膨脹土路基病害發(fā)生機(jī)理分析研究,膨脹土脹縮特性是病害發(fā)生的內(nèi)在條件,大氣環(huán)境影響和濕度、溫度變化是其發(fā)生的直接誘因。工程上要防治膨脹土路基病害,應(yīng)從膨脹土脹縮特性,特別是壓實(shí)膨脹土的脹縮特性,以及大氣環(huán)境影響深度幾方面著手。

2 膨脹土脹縮特性

2.1 原狀膨脹土脹縮特性

江淮地區(qū)膨脹土的自由膨脹率 Fs為40.0%～69. 1%,液限為45%～49%,屬弱～中等膨脹潛勢(shì),地域分布上:西部區(qū)的膨脹土為弱～中等膨脹潛勢(shì),東部區(qū)的膨脹土為弱膨脹潛勢(shì)。試驗(yàn)段原狀膨脹土脹縮性指標(biāo)見表1。

表1 原狀膨脹土漲縮性指標(biāo)

2.2 擊實(shí)膨脹土脹縮特性

膨脹土作為路基填料,其壓實(shí)后與天然原狀膨脹土的工程特性有很大差別。擊實(shí)膨脹土的脹縮特性較原狀土更強(qiáng),其膨脹變形率同時(shí)受到含水率與干密度的控制。膨脹率試驗(yàn)結(jié)果表明,不管是弱膨脹土還是中膨脹土,對(duì)于同一種土,擊實(shí)后含水率越大,膨脹率越小;含水率一定時(shí),膨脹率隨干密度增大而增大,在相同干密度下,無荷膨脹率隨含水率的減小而增大;含水率對(duì)膨脹率的影響比干密度顯著,且中膨脹土的膨脹率在相近含水率條件下明顯較弱膨脹土高。收縮試驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于同類膨脹土,縮限是特定土質(zhì)固有的特性,幾乎不受含水率與干密度的影響,但體縮率隨含水率增加而增大,近似成直接關(guān)系,收縮系數(shù)也隨含水率增加而增大,而干密度對(duì)收縮指標(biāo)影響甚微;但中膨脹土的縮限、收縮系數(shù)和體縮率均較弱膨脹土高,尤其是體縮率在相近含水率條件下遠(yuǎn)較弱膨脹土大。不管是弱膨脹土還是中膨脹土,擊實(shí)膨脹土的膨脹力同時(shí)受到擊實(shí)含水率和壓實(shí)度(或干密度)的控制,但膨脹力隨起始含水率的減少而增大,隨干密度的增大而增大。當(dāng)擊實(shí)含水率為13.5%、壓實(shí)度為96%,弱膨脹土膨脹力可達(dá)242kPa;當(dāng)擊實(shí)含水率為16.2%、壓實(shí)度為96%時(shí),中膨脹土膨脹力可達(dá)358kPa,是原狀膨脹土的6～10倍。

對(duì)于中、弱膨脹土,在最優(yōu)含水量附近壓實(shí)至足夠壓實(shí)度(≥90%)時(shí),壓實(shí)中、弱膨脹土均具有較高的膨脹勢(shì)。從工程觀點(diǎn)看,這應(yīng)是值得重視的。

3 膨脹土路基處置深度確定

膨脹土的膨脹、收縮變形主要受環(huán)境溫度、濕度的變化控制。對(duì)于表層土,脹縮變形可隨環(huán)境變化反復(fù)發(fā)生,其強(qiáng)度會(huì)迅速衰減。而對(duì)于深層膨脹土,受環(huán)境變化的影響很小,膨脹土的脹縮變形較微弱,且能保持較高的強(qiáng)度。在膨脹土地區(qū)進(jìn)行公路建設(shè),無論采用何種處置方法(換填、改性、包邊),都需要確定合理的處置深度。處置深度主要受自然條件下的大氣影響深度控制,并與處理方法及排水設(shè)計(jì)相關(guān)。

合肥地區(qū)大氣影響深度為3.12m,大氣影響急劇層深度為1.39m。

3.1 零填及挖方路段

零填及挖方路段,膨脹土地基處置深度參照《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GBJ 112—87)附錄四中計(jì)算膨脹土地面換土層厚度的方法來確定路基的處置深度。該方法是依據(jù)以膨脹土作為基礎(chǔ)的構(gòu)筑物的承載能力大于基底單位面積上的膨脹力來確定的,其計(jì)算式為:

式中:h——處置深度(mm);

δep0——膨脹力試驗(yàn)卸荷至零時(shí)的膨脹率(%)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì),零膨脹率最大值為7.00%,按上式計(jì)算,對(duì)應(yīng)的處置深度為0.60m。

3.2 填方路基段

道路建設(shè)前,表層土長期受失水收縮、遇水膨脹的影響發(fā)生深層變形,孔隙比較大,透水性較好,能直接接受大氣降水而膨脹。道路建成后,面層下土體較密實(shí),相對(duì)隔水,且上有面層隔水,不能直接接受大氣降水,故膨脹土遇水膨脹的條件不充分。上覆有一定厚度的道面和強(qiáng)度較高的水泥穩(wěn)定碎石土緩沖墊層,膨脹土膨脹威力將銳減。

路面面層封蓋區(qū)域,處置深度按《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GBJ 112—87)的方法確定:自水泥穩(wěn)定碎石底面算起的處置深度為0.4～0.6m。

路堤邊坡無上部結(jié)構(gòu)面層,處置深度按自然條件下的大氣影響深度考慮,即大氣影響深度為3.12m,大氣影響急劇層深度為1.39m?？紤]到高速公路路堤邊坡坡面有植草防護(hù)層,且具有完善的排水設(shè)施,參考膨脹土地區(qū)風(fēng)化作用影響深度,路堤邊坡的處置深度取2.0～2.2m(垂直于坡面)。

4 路堤結(jié)構(gòu)形式

弱膨脹土采用稍大于最優(yōu)含水率的填筑標(biāo)準(zhǔn),只要壓實(shí)功控制得當(dāng),可獲得較高的壓實(shí)度,具有比較高的初期強(qiáng)度,并且浸水后的膨脹量及強(qiáng)度衰減都比較小,有較好的水穩(wěn)定性,可直接用于填筑下路堤。

中膨脹土CBR值與水穩(wěn)定性雖然也主要受控于含水率和干密度,但中膨脹土壓實(shí)度與CBR強(qiáng)度值不能一致達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求,不宜直接用于填筑路堤,如用中膨脹土作為路基填料,需要采用處理措施,如用石灰改性或進(jìn)行路堤包邊處理。

膨脹土地區(qū)公路建設(shè)前人做了大量研究,積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn),一般處理有夯實(shí)法、物理改良法、化學(xué)改良法、保濕法、換土法等。安徽省江淮膨脹土地區(qū)公路建設(shè)一般都采用摻石灰改性處理。在全面認(rèn)識(shí)膨脹土工程特性的基礎(chǔ)上,根據(jù)膨脹土路基病害發(fā)生機(jī)理,結(jié)合公路路基斷面特點(diǎn),確定合理的路堤結(jié)構(gòu)形式,對(duì)于保證路基的穩(wěn)定性具有重要意義。

由于全斷面改性經(jīng)濟(jì)成本較高,考慮高速公路路基斷面較寬,且路面層覆蓋可一定程度上減小大氣環(huán)境對(duì)路基膨脹土影響,在對(duì)膨脹土勘察脹縮性強(qiáng)度細(xì)分的基礎(chǔ)上,根據(jù)本地區(qū)大氣環(huán)境風(fēng)化影響深度、路基填筑高度及施工條件等確定了3種斷面形式:全斷面改性、一般包邊和三明治—包邊結(jié)構(gòu)。各斷面形式適用條件及結(jié)構(gòu)特征參數(shù)見表2。

表2 膨脹土路堤結(jié)構(gòu)形式

全斷面改性的斷面形式主要用于填方高度小于2m的情況,普通包邊形式用于填方高度在2～5m的情況,夾層包邊形式主要用于填方高度超過5m的情況。對(duì)包邊路堤,一般設(shè)置厚40cm的底封層,以阻斷毛細(xì)水或減小其上升高度,包邊路堤中設(shè)水平夾層也是為了達(dá)到阻斷毛細(xì)水的目的,頂封層采用6%的改性土。為提高高填方路基的整體性,可在路基頂面鋪設(shè)1～2層土工格柵。

弱膨脹土可直接用于填筑下路堤,不必采用包邊形式,只需設(shè)底封層。根據(jù)填筑高度確定了3種斷面:全斷面改性、直填形式和三明治一直填形式(表2)。直填路堤設(shè)置底封層和頂封層,底封層采用4%的改性土或砂石墊層,頂封層(路床部分)采用6%的改性土。

零填及挖方段膨脹土路基采用灰土換填和路側(cè)滲溝排水設(shè)計(jì)方案,灰土換填深度60cm,底部設(shè)20cm厚砂墊層,或者灰土換填深度80cm,底部采用復(fù)合土工膜,以隔斷地下水和毛細(xì)水上升的影響,路側(cè)設(shè)置深度120cm滲溝隔斷側(cè)面影響。

5 結(jié)論

(1)膨脹土路基病害發(fā)生主要是膨脹土受大氣環(huán)境影響,發(fā)生濕度、溫度變化,引起膨脹土的膨脹或收縮變形,壓實(shí)度減小,強(qiáng)度降低,進(jìn)而發(fā)生各種路基路面病害。

(2)對(duì)于弱～中等膨脹土,在最優(yōu)含水率附近壓實(shí)至足夠壓實(shí)度(≥90%)時(shí),壓實(shí)中、弱膨脹土均具有較高的膨脹勢(shì)。一般采用高于最優(yōu)含水率2%～3%進(jìn)行施工控制。

(3)膨脹土路基處置深度的確定應(yīng)結(jié)合大氣影響深度、上覆面層結(jié)構(gòu)、處置方法、防護(hù)與排水條件等綜合考慮。

(4)在全面認(rèn)識(shí)膨脹土工程特性的基礎(chǔ)上,提出全斷面改性、一般包邊和三明治-包邊3種路基結(jié)構(gòu)形式,對(duì)于保證路基的穩(wěn)定性、節(jié)省工程造價(jià)具有重要意義。

[1] J TG D30—2004.公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GBJ 112—87.膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 趙華宏,張勝,劉長平.合肥至六安高速公路膨脹土路用性能試驗(yàn)研究[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2008:265-268.

[4] 陳善雄,李伏保,等.弱膨脹土工程特性及其路基處治對(duì)策[J].巖土力學(xué),2006,27(3):353-359.

[5] 陳修和,張勝,等.皖中膨脹土的承載比(CBR)強(qiáng)度特性研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2006,14(3):386-389.

[6] 陳善雄,余頌,等.中膨脹土路堤包邊方案及其試驗(yàn)驗(yàn)證[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(9):1776-1782.

責(zé)任編輯:錢讓清

U416.1+2

A

1671-8275(2010)01-0005-02

2009-10-26

關(guān)飛(1964-),男,安徽蕪湖人,安徽省公路學(xué)會(huì)工程師。