張松 張宇航 張玖傳

摘要 針對廣西地區(qū)地質(zhì)條件多膨脹土的情況，結(jié)合廣西地區(qū)濕熱氣候條件，開展膨脹土對高速公路路基質(zhì)量影響的風(fēng)險分析及施工管理控制研究，探索為廣西高速公路建設(shè)膨脹土路基治理、處治的技術(shù)方案和施工控制管理方法。文章從廣西地區(qū)氣候條件對膨脹土路基的影響入手，針對性分析高速公路膨脹土路基的主要風(fēng)險因素、變形破壞形式，而后總結(jié)膨脹土地基安全處治方法，最后對風(fēng)險進(jìn)行評估及給出相應(yīng)的控制措施，包括原材料、工藝工序和施工管理等。

關(guān)鍵詞 膨脹土；風(fēng)險分析；路基處治；施工質(zhì)量控制；濕脹干縮

中圖分類號 U412.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0151-03

0 引言

隨著我國交通建設(shè)的迅速發(fā)展，廣西高速公路建設(shè)重心逐漸由干道建設(shè)向路網(wǎng)加密完善建設(shè)轉(zhuǎn)移，同時由于廣西為我國膨脹土分布較為廣泛的地區(qū)，因此廣西當(dāng)前高速公路建設(shè)不可避免地面對膨脹土路基處治的課題。膨脹土具有吸水脹大，失水縮減的濕脹干縮特性，在干濕循環(huán)的作用下容易引起路基的不均勻變形，進(jìn)而引發(fā)路基沖蝕、沉降、縱向開裂、坍肩等病害，是高速公路建設(shè)質(zhì)量控制的重要影響因素。因此，結(jié)合廣西地區(qū)的氣候條件深入分析研究膨脹土路基風(fēng)險控制及處治措施，對廣西地區(qū)高速公路建設(shè)具有重要意義。

1 廣西地區(qū)氣候條件與膨脹土特點分析

1.1 廣西地區(qū)氣候條件分析

廣西屬亞熱帶季風(fēng)氣候，南部沿海地區(qū)涉及海洋氣候，整體上陽光充足，雨量豐沛，霜少無雪，氣候炎熱潮濕，夏長冬短，極端最高氣溫可以到達(dá)40 ℃以上；雨水較多，且多集中于4—9月，降雨量約占全年降雨量的70%以上。突出的特點為雨熱同期、降雨量集中、降雨強度大、降雨時間長、降雨次數(shù)頻繁。

1.2 廣西地區(qū)膨脹土特性分析

廣西地區(qū)的膨脹土蒙脫石含量不高^[1]，其主要為碳酸鹽巖、泥巖、粉砂巖風(fēng)化行程的殘坡積黏土，其黏粒成分主要由強親水性礦物的蒙脫石和伊利石組成，當(dāng)含水量變化時，能發(fā)生顯著的體積變化。由于這些礦物顆粒的體積變化，引起巖土的體積變化，發(fā)生膨脹或收縮，變化達(dá)到一定程度時會引起與其相連接的建筑物產(chǎn)生破壞。具有顯著濕脹干縮和反復(fù)濕脹干縮、多裂隙性、超固結(jié)性及強度衰減性等特殊且有別于一般黏性土的性質(zhì)。以廣西某南北走向建設(shè)的高速公路為例，該項目所涉及的膨脹土顆粒細(xì)膩、有滑感，自然狀態(tài)下呈堅硬或硬塑狀態(tài)，裂隙發(fā)育，常見光滑面和擦痕。有的裂隙中充填灰白、灰綠色黏土，多分布于二級和二級以上階地或盆地邊緣丘陵地帶，地形平緩，無明顯自然陡坎。

選取該公路途經(jīng)地區(qū)代表性的膨脹土，其脹縮性指標(biāo)如表1所示。依據(jù)廣西公路地方標(biāo)準(zhǔn)《膨脹土地區(qū)公路勘察設(shè)計規(guī)程》對其膨脹性進(jìn)行判別，由表1可知，該高速公路途經(jīng)地區(qū)的膨脹土類別囊括了弱膨脹土到強膨脹土，且中等膨脹土類別占比較多，這是因為雖然廣西膨脹土蒙脫石含量不高，但是膨脹土顆粒粒度較細(xì)，進(jìn)而導(dǎo)致了其依舊具備較強的脹縮性。

1.3 廣西氣候條件對膨脹土影響分析

研究表明^[2-3]，膨脹土的漲縮性其實質(zhì)是晶格的吸水?dāng)U張過程，土的體積隨著吸水率的增加而增大。結(jié)合1.1和1.2節(jié)的分析，廣西氣候條件對于膨脹土的性能影響主要有三個方面：一是廣西豐沛的降雨量，會導(dǎo)致土體含水量大幅度增加，雨季時膨脹土晶格吸水?dāng)U張膨脹。二是空氣濕度的影響，廣西全年空氣濕度較大，膨脹土一旦暴露在空氣中，會持續(xù)從空氣中吸收水分，并逐漸侵蝕至土體內(nèi)部，導(dǎo)致土體膨脹風(fēng)險性增大。三是溫度與陽光日照，廣西全年氣溫高，陽光日照充足，膨脹土失去水分引起整體收縮，同時廣西雨熱同期，在短時間內(nèi)土體重復(fù)地收縮與膨脹，極易導(dǎo)致土體顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，強度快速下降。這種氣候條件下，土壤呈現(xiàn)很強的膨脹性和收縮性。

2 廣西高速公路膨脹土路基風(fēng)險分析

2.1 工程風(fēng)險類型

依據(jù)膨脹土特性分析，膨脹土路基的工程風(fēng)險主要是脹縮性大引起的路基不均勻沉降、膨脹土土體強度過快下降而導(dǎo)致的崩解性以及超固結(jié)性。

在以線狀建筑物為主要特點的高速公路建設(shè)中，因為跨越區(qū)域范圍大，土基的土體性質(zhì)不均勻，在含水量增加后，不同路基土的脹縮性不一致，特別是膨脹土路基與普通路基的銜接處，不均勻沉降以及膨脹力的作用容易造成路面開裂、坑洼等病害。而膨脹土路基吸水后迅速軟化或多次重復(fù)地收縮與膨脹，強度過快下降容易導(dǎo)致邊坡不穩(wěn)定風(fēng)險加大，引發(fā)邊坡滑坡、滑塌，甚至在強降雨天氣雨水沖刷耦合作用下引發(fā)大規(guī)模沖蝕、泥流等水土流失問題。最后，膨脹土路基邊坡的超固結(jié)性在邊坡開挖時土體超固結(jié)應(yīng)力快速釋放，出現(xiàn)卸荷膨脹，特別是在高邊坡作業(yè)時引發(fā)安全生產(chǎn)事故。

2.2 風(fēng)險影響因素

基于上述研究，在廣西地區(qū)氣候條件下，高速公路膨脹土路基的風(fēng)險因素主要有：

（1）氣候條件。廣西地區(qū)氣候溫暖潮濕，夏季多雨，土壤溫度變化大，膨脹土問題更為突出。

（2）施工工藝。如果施工工藝不合理，地基土體可能會受到攪動和振動，增加了土壤膨脹的風(fēng)險。

（3）土壤質(zhì)量。廣西地區(qū)土壤大多是黏土和泥土，含有較高的有機(jī)質(zhì)，容易形成膨脹土。

（4）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。如果基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不合理，可能會加重土壤膨脹的風(fēng)險。

（5）施工監(jiān)管。如果施工監(jiān)管不到位，可能會導(dǎo)致施工中使用不符合要求的土壤或施工工藝不規(guī)范等問題。

2.3 膨脹土路基變形破壞形式

在高速公路膨脹土路基施工中，正確認(rèn)識膨脹土路基破壞形式有助于正確選擇合理的處治方法。廣西地區(qū)膨脹土路基常見的破壞形式如下所示：

（1）膨脹土初期強度較高使得路基壓實度不足，經(jīng)風(fēng)化作用和干濕循環(huán)后，在路基自重和車輛荷載的雙重作用下，土塊崩裂，導(dǎo)致路基發(fā)生不均勻沉陷變形，當(dāng)變形量較大時可使路面發(fā)生破壞。

（2）膨脹土路堤經(jīng)過多次降雨季節(jié)過后，表面土體風(fēng)化嚴(yán)重，裂縫發(fā)育完全，當(dāng)雨水沿裂縫滲入土體內(nèi)部后，膨脹土遇水軟化導(dǎo)致邊坡坍塌。若采用性質(zhì)較差、強度較弱的膨脹土填筑路堤，有可能形成人為的軟弱面，從而產(chǎn)生路堤滑坡。

（3）當(dāng)路堤肩部土體壓實度不足時，填土密度達(dá)不到密實度，路肩土體干濕收縮程度大于堤身，從而出現(xiàn)縱向裂縫，嚴(yán)重時可導(dǎo)致路肩坍塌。

（4）膨脹土經(jīng)過長時間的強光照后水分蒸發(fā)，土塊裂解成細(xì)粒狀、鱗片狀，在重力作用下沿坡面滾落，干旱時間越長則剝落情況愈嚴(yán)重，且強膨脹土比弱膨脹土剝落程度更嚴(yán)重。

（5）在強降雨作用下，尤其類似于廣西地區(qū)夏季的強降雨，膨脹土邊坡吸水過于飽和，在重力與滲透壓作用下，土體沿坡面滾落溜塌。溜塌是膨脹土邊坡表面發(fā)生最普遍的現(xiàn)象，稍滯后于降雨，可發(fā)生在邊坡任何部位，與邊坡坡度無關(guān)。

3 高速公路膨脹土路基處治方案分析

3.1 膨脹土路基處治基本原則

由于膨脹土遇水易發(fā)生變形，影響路基邊坡穩(wěn)定性，并且膨脹土自身密度較低、含水量較大，若不采取合理方式處治膨脹土，有可能會導(dǎo)致路基發(fā)生大規(guī)模的沉降和塌陷，因此采取正確的處治措施尤為重要。根據(jù)地址勘測的翔實報告及有關(guān)經(jīng)驗，按照綜合處理的思想確定處置措施，一般遵循“避免膨脹，防水保濕”的原則。防水是指保護(hù)膨脹土路基的封閉性，減少甚至是隔絕膨脹土體與空氣的接觸或者雨水的滲入；保濕則是控制膨脹土體的含水量不變或者降低變化的可能。

3.2 膨脹土路基處治方式

基于膨脹土的特性，高速公路膨脹土路基處治關(guān)鍵點在于含水量的控制。一般來說，膨脹土路基的處理方法主要有換填法、濕度控制和改性處理。

換填法是最為直接和廣泛使用的方法，將膨脹土全部或者部分挖除，替換為合格的路基材料，關(guān)鍵點在于依據(jù)具體的膨脹土脹縮性強弱與區(qū)域氣候特征確定換填深度，也就是不受外部環(huán)境影響的臨界深度與臨界含水量。

濕度控制包括預(yù)濕和保持含水量穩(wěn)定兩種方法。預(yù)濕法是提前用水浸泡路基土，保持膨脹土含水量穩(wěn)定則是采用非膨脹土包裹膨脹土的夾心糖方案^[4]。簡單來說就是利用土工材料和非膨脹土將膨脹土路基從底部、邊坡以及頂面四面包裹起來，使得以膨脹土為填芯的路基含水量保持恒定。優(yōu)點是充分利用了膨脹土，有利于生態(tài)環(huán)保綠色建設(shè)；缺點是在道路上部結(jié)構(gòu)未完工前需要對填芯進(jìn)行保濕處理，邊坡施工工藝、質(zhì)量要求高，工序復(fù)雜。

膨脹土的改性處理是利用石灰、水泥、礦渣等摻入膨脹土中，與膨脹土發(fā)生反應(yīng)或者改變膨脹土顆粒結(jié)構(gòu)，通過改變膨脹土微觀結(jié)構(gòu)達(dá)到影響宏觀性能的效果，最終使得膨脹土的親水性降低，增強自身穩(wěn)定性。

廣西某南北走向建設(shè)的高速公路，根據(jù)不同路段特點采取不同措施相結(jié)合的方式。其中膨脹土填方路堤段，路基地表以下50 cm范圍內(nèi)換填碎石土，并設(shè)置防水土工布；泥巖、粉砂質(zhì)泥巖膨脹土挖方路段，邊坡防護(hù)采用護(hù)面墻；當(dāng)挖方路床位于基巖時，采用換填30 cm碎石土處理。當(dāng)挖方路床位于殘坡積土?xí)r，采用路床換填80 cm處理，并設(shè)置防水土工布；膨脹土路塹段，挖深盡量控制在10 m以內(nèi)，坡腳設(shè)置擋墻，坡面采取護(hù)面墻封閉，邊坡坡率應(yīng)緩于1.5。

4 施工管理方案分析

4.1 原材料的選用和控制

膨脹土路基施工的原材料主要包括土壤、沙子、石頭、水泥等。在原材料的選用和控制方面，土壤要具有較好的土工性能，脹縮性小；沙子和石頭的顆粒大小應(yīng)符合規(guī)范，不得混入較多的細(xì)顆粒和黏土，使用應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場具體情況進(jìn)行試驗分析；水泥的質(zhì)量要符合國家標(biāo)準(zhǔn)，用量同樣要進(jìn)行試驗分析控制。

4.2 施工質(zhì)量的控制

膨脹土路基施工的質(zhì)量控制是確保路基強度、平整度以及排水性能的關(guān)鍵因素。施工過程中要嚴(yán)格遵守施工規(guī)范和施工圖紙；對于不同的土層情況，施工工藝應(yīng)有所調(diào)整，保證施工質(zhì)量；對于土方的壓實掌握控制好施工時機(jī)，盡量保證土層的均勻壓實。

4.3 施工技術(shù)要點

高速公路的施工建設(shè)中，針對不同區(qū)域膨脹土的物理力學(xué)特性，合理選擇處理膨脹土的方法，并遵循以下的施工要點：

（1）對于填高不足1 m的路堤，必須換填非膨脹土，并按照規(guī)范規(guī)定壓實。

（2）路堤兩邊邊坡及路堤頂面必須采用非膨脹土作為封層，必要時加鋪土工布，形成包心填方。

（3）開挖路塹邊坡時，預(yù)留40 cm左右的厚度，待路塹開挖完畢后再削去預(yù)留部分，并采用網(wǎng)格護(hù)坡封閉。

（4）路堤與路塹分界處2 m范圍內(nèi)的挖方地基應(yīng)挖成臺階，翻松并檢查挖方處的含水量是否與填方處的含水量相近，同時采用合適的壓實工具將挖方處壓實至規(guī)定的壓實度。

（5）施工時避免雨季作業(yè)，并加強現(xiàn)場排水。開挖后各道工序緊密銜接，不宜間隔過久。路堤和路塹邊坡需及時進(jìn)行護(hù)坡處理，防止雨水浸入邊坡。

（6）路床的強度及壓實標(biāo)準(zhǔn)必須嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)定和規(guī)范。

穩(wěn)定膨脹土路基的重點在于完善路基的排水設(shè)施和加強坡面防護(hù)，齊全的排水設(shè)施可使影響路基穩(wěn)定性的地面水和地下水順利排走，良好的坡面防護(hù)可起到加固邊坡和降低風(fēng)化老化的作用。因此在施工過程中應(yīng)當(dāng)注意以下幾點：

（1）廣西地區(qū)常表現(xiàn)出集中降雨、降雨量大、時間長的特點，因此邊溝應(yīng)適當(dāng)加寬加深。路塹邊溝外側(cè)需設(shè)置平臺，同時路塹頂部設(shè)置截水溝以免水流沖刷并滲入坡體。

（2）在填挖交界處的路段增設(shè)盲溝，路堤高邊坡的平臺處設(shè)置截水溝，截排上部坡面水。

（3）由路面匯入到中央分隔帶的地表水通過集水溝和排水管排除路基。

（4）路堤頂部設(shè)置復(fù)合土工膜，底部設(shè)置毛細(xì)水隔離層，分別用于抵消下滲到路床的水分和路堤底部的毛細(xì)水對路基穩(wěn)定性的影響。

（5）若采用鋪植草皮的方式加固坡體，應(yīng)用于邊坡高度不高的土質(zhì)邊坡，并增設(shè)漿砌片石骨架。

（6）漿砌片石或預(yù)制塊的骨架護(hù)坡宜做成拱形，骨架嵌入坡體的深度不小于0.5 m，深入到坡面內(nèi)較為結(jié)實的土層中。

4.4 施工工藝和流程的控制

膨脹土路基施工工藝和流程的控制是確保施工質(zhì)量和進(jìn)度的關(guān)鍵因素。要充分理解并交底每一道工藝流程的目的，確保設(shè)計意圖能夠嚴(yán)格執(zhí)行并落實。其中，施工前要確定合理的施工順序和作業(yè)流程，膨脹土路基施工工藝與普通路基施工工藝相類似，僅在普通路基施工工藝之上增加了布灰、拌和、二次精平和養(yǎng)生的工藝。施工過程中需要注意土方的濕度和壓實度的控制，并注意水泥和水的混合比例和攪拌時間的控制。每一分項工程完成后要對結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量檢驗并總結(jié)分析，以促進(jìn)施工水平的提高。

4.5 施工管理體系的完善

制定完善的施工計劃，嚴(yán)格控制施工進(jìn)度；完善監(jiān)理和質(zhì)量檢驗制度，保證施工質(zhì)量符合規(guī)范；加強現(xiàn)場管理，保證施工安全和施工質(zhì)量。

5 結(jié)論

（1）膨脹土路基的處治是關(guān)系到高速公路建設(shè)成敗的重要因素，如果不能有效防范膨脹土路基風(fēng)險，將嚴(yán)重影響高速公路項目建設(shè)的整體質(zhì)量。

（2）膨脹土路基的處治方案要結(jié)合當(dāng)?shù)鼐唧w的氣候條件與實際膨脹土特性而制定。

（3）廣西高溫多雨的氣候條件加劇了膨脹土路基不均勻沉降、土體強度過快下降而導(dǎo)致的崩解性以及超固結(jié)性風(fēng)險。

（4）高速公路膨脹土地基建設(shè)中，應(yīng)嚴(yán)格落實各個階段的施工要點，控制好每個環(huán)節(jié)的質(zhì)量，提高工程整體抵抗風(fēng)險的能力。

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收稿日期：2023-08-14

作者簡介：張松（1992—），男，本科，工程師，研究方向：道路工程。