論公路膨脹土路基的有效處理
摘要:本文結(jié)合某工程闡述了公路膨脹土的工程地質(zhì)分類及性質(zhì)，分析并提出了其路基的施工處理方法。
關(guān)鍵詞:膨脹土,路基,處理方法
引言：
膨脹土是指粘粒成分主要由強(qiáng)親水性礦物質(zhì)組成,并且具有顯著脹縮性的粘性土。在膨脹土地區(qū)的公路工程建設(shè)和工程運(yùn)營(yíng)會(huì)因膨脹土的性質(zhì)使道路受到極大的破壞。為了保證道路在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)路基的穩(wěn)定和路面的平整度,達(dá)到安全、舒適行車的目的,必須解決因膨脹土而造成的一系列工程問(wèn)題。近年來(lái),我國(guó)巖土工程界在膨脹土微觀結(jié)構(gòu)特征及其工程性質(zhì)的研究中取得了豐碩的成果,對(duì)膨脹土產(chǎn)生工程病害的原因給予了科學(xué)的解釋,并提出了許多切實(shí)可行的處理辦法。
筆者結(jié)合公路施工中有關(guān)處理膨脹土的經(jīng)驗(yàn),談?wù)勅绾魏侠硎┕ぬ幚砼蛎浲恋捏w會(huì)。
一、膨脹土的工程地質(zhì)分類及性質(zhì)
對(duì)膨脹土進(jìn)行判別, 按以下分類標(biāo)準(zhǔn)較為合適。當(dāng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為缺乏時(shí)可參考CBR 試驗(yàn)中土的浸水膨脹量對(duì)膨脹土進(jìn)行判別與分類。
表1 膨脹土分類標(biāo)準(zhǔn)
指標(biāo) 膨脹潛勢(shì)等級(jí)
弱膨脹土 中膨脹土 強(qiáng)膨脹土
液限% 40～ 50 50～ 70 > 70
塑性指數(shù) 18～ 25 25～ 35 > 35
自由膨脹率 40～ 65 65～ 90 > 90
< 0. 005 mm 顆粒含量% < 35 35～ 50 > 50
脹縮總率% 0. 7～ 2. 0 2. 0～ 4. 0 > 40
膨脹土的工程性質(zhì)分為脹縮性、崩解性、裂隙性、超固結(jié)性、風(fēng)化特性、強(qiáng)度衰減性。
二、膨脹土的路基處理方法
2. 1 換土
換土是膨脹土路基處理方法中最簡(jiǎn)單而且有效的方法。即挖除膨脹土,換填非膨脹土或砂礫土,換填深度根據(jù)膨脹土脹縮性的強(qiáng)弱和當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件確定。在一定深度以下的膨脹土含水量基本不受外界氣候的影響,該深度稱之為臨界深度,該含水量稱之為該膨脹土在該地區(qū)的臨界含水量。由于各地的氣候不同,各地膨脹土的臨界深度和臨界含水量也有所不同,換土深度要考慮受地面降水的影響而使土體含水量急劇變化的深度,基本上在1～2 m ,即強(qiáng)膨脹土為2 m ,中弱膨脹土為1～1. 5 m ,具體換土深度要根據(jù)調(diào)查后的臨界深度來(lái)確定。
2. 2 濕度控制
濕度控制包括預(yù)濕和保持含水量穩(wěn)定。為控制由于膨脹土含水量變化而引起的脹縮變形,盡量減少路基含水量受外界大氣的影響,需在施工中采取一定的措施。如利用土工布和粘土將膨脹土路基進(jìn)行包封,避免膨脹土與外界大氣有接觸,盡量減少膨脹土內(nèi)部的濕度變化。
2. 3 改性處理
化學(xué)固化就是利用石灰、水泥或其他固化材料通過(guò)與膨脹土的物理化學(xué)作用進(jìn)行膨脹土的改性處理,以達(dá)到降低膨脹土的膨脹潛勢(shì),增加強(qiáng)度和提高水穩(wěn)定性的目的。石灰的固化作用是由于鹽基交換、次生碳酸鈣膠結(jié)性、粘土顆粒與石灰相互作用形成的新的含水硅酸鈣、鋁酸鈣等新的礦物而顯示出來(lái)的;水泥的固化作用是由于鈣酸鹽與鋁的水化物和顆粒間膠結(jié)作用,膠結(jié)物逐漸脫水和新生礦物的結(jié)晶作用,從而降低膨脹土的液限,增大了膨脹土的塑限和抗剪強(qiáng)度;NCS 固化
材料除具有石灰、水泥的優(yōu)點(diǎn)消除土的膨脹性外,還具有吸水增強(qiáng)作用,改善土的壓實(shí)性并生成微型加筋結(jié)構(gòu),提高土的強(qiáng)度。
三、膨脹土路基的適用范圍及其使用要求
3. 1 弱膨脹土
弱膨脹土可直接用于填筑上、下路堤, 但不宜用于路床。
弱膨脹土用作路堤填料, 壓實(shí)含水量宜按最佳含水量+ 3% 控制, 弱膨脹土可直接用于填筑上、下路堤。弱膨脹土最優(yōu)含水量為17. 5% , 但當(dāng)含水量為14. 6%時(shí), CB R 值僅為2. 2%; 而含水量為20. 8%時(shí), CB R 值為5. 7%。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ013—95) , 取土場(chǎng)的弱膨脹土可直接用于填筑上、下路堤, 壓實(shí)含水量宜按20. 8%控制, 但不宜用于路床。當(dāng)缺乏優(yōu)質(zhì)回填土料時(shí),可考慮用弱膨脹土填筑下路床, 但要十分慎重�，F(xiàn)場(chǎng)碾壓是保證路基壓實(shí)度和路基質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 應(yīng)予以充分重視。
3. 2 中膨脹土
中膨脹土在最優(yōu)含水量附近, 其膨脹量大且CB R 值小于3. 0% , 未能達(dá)到規(guī)范要求, 需要對(duì)中膨脹土處理, 如采用改性膨脹土或包邊處理。采用摻石灰改性時(shí), 石灰摻入量為4%～ 6%的石灰改性土CB R 值均大于8% , 膨脹量小于0. 04% , 脹縮總率小于0. 7% , 即可達(dá)到路用要求。取土場(chǎng)的中膨脹土在最優(yōu)含水量附近, 其膨脹量大且CB R 值小于3. 0% , 未能達(dá)到規(guī)范要求, 需要對(duì)中膨脹土進(jìn)行改性處理, 如直接用于填筑路堤, 壓實(shí)含水量應(yīng)按18. 0% 控制, 且應(yīng)對(duì)堤身采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施, 如采用改性膨脹土進(jìn)行包邊處理, 以達(dá)到防水、防風(fēng)化的目的。在路堤填筑施工過(guò)程中, 建議用石灰改性中膨脹土的質(zhì)量摻合比為5. 0% , 壓實(shí)含水量按23. 0% 控制。中膨脹土摻粉煤灰改性后, 改性土的CB R 值有所提高, 但在最優(yōu)含水量條件下, 其膨脹量略偏大, 相應(yīng)的CB R 值相對(duì)偏低。但只要控制好施工時(shí)的壓實(shí)含水量, 如大于最優(yōu)含水量2% ～ 3% ,CB R 值和脹縮總率可滿足筑堤的設(shè)計(jì)要求。建議粉煤灰摻合量為40% 時(shí), 壓實(shí)含水量按19. 0%控制; 粉煤灰摻合量為50% 時(shí), 壓實(shí)含水量按23. 3% 控制。
中膨脹土經(jīng)石灰- 粉煤灰改性后[摻合比為:m (粉煤灰) ∶m (石灰) ∶m (土) = 40∶4∶56, 膨脹性基本消除(膨脹量小于0. 02%) , 擊實(shí)土樣CB R 值均大于100% , 改性效果明顯。
四、試驗(yàn)結(jié)果及分析
(1) 根據(jù)科學(xué)試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果和按有關(guān)規(guī)范進(jìn)行的數(shù)據(jù)分析處理, 石灰改良路堤、不改良包邊路堤及路塹的不浸水和浸水剪切試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度(C、U) 和殘余抗剪強(qiáng)度(C r、Ur) 值列于表2中; 石灰改良路堤和不改良包邊路堤的不浸水與浸水載荷試驗(yàn)的承載力基本值、變形模量及回彈模量列于表3 中。
表2 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果匯總表
試驗(yàn)段名稱 不浸 浸水
C/kPa /( )
Cr/kPa r/()
C/kPa /( )
Cr/kPa r/()
石灰改良段 69.9 39.1 48.1 33.5
不改良包邊段 94.5 28.0 68.7 12.2
路塹段 37.2 27.2 22.8 17.4 24.9 11.3 17.6 6.6
表3 載荷試驗(yàn)結(jié)果匯總表
名稱 不浸水載荷 浸水載荷
承載力基本/kpa 變形模量/Mpa 承載力基本/kpa 回彈模量/Mpa
石灰改良段 258 20.6 165 46.3
不改良包邊段 287 23.0 100 21.4
( 2) 經(jīng)石灰改性的中膨脹土填筑路堤, 其抗剪強(qiáng)度、地基承載力和回彈(變形) 模量均較高, 即使在浸水條件下, 其力學(xué)指標(biāo)雖有所下降, 但仍可滿足高速公路有關(guān)規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。由此可見(jiàn), 石灰改性中膨脹土用于填筑路堤是可行的。
( 3) 不改良包邊段路堤在不浸水條件下, 中膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、地基承載力和回彈(變形)模量同樣較高, 可滿足高速公路有關(guān)規(guī)范的設(shè)計(jì)要求; 但路堤堤芯部分一旦充分浸水, 相關(guān)指標(biāo)明顯下降, 難以達(dá)到高速公路有關(guān)規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。因此, 不改良包邊的路堤型式不能用于浸水路堤,而僅適用于非浸水路堤。
(4) 膨脹土路塹的邊坡穩(wěn)定性直接受控于土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。路塹膨脹土的現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)結(jié)果表明, 天然膨脹土的峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度指標(biāo)浸水后急劇下降; 路塹開挖后未及時(shí)防護(hù), 多次干濕循環(huán)造成土的抗剪強(qiáng)度急劇下降, 多處已發(fā)生不同程度的滑坡。因此, 為了保證路塹邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性, 在路塹開挖后, 宜及時(shí)采用合適的防護(hù)型式進(jìn)行路塹邊坡的防護(hù)施工。
(5) 鑒于路堤局部地段表面下約60 cm 深度范圍內(nèi)存在含水量偏高的軟弱夾層, 以及路基表面長(zhǎng)時(shí)間的直接暴露, 經(jīng)歷了多次干濕循環(huán), 龜裂現(xiàn)象比較嚴(yán)重, 為確保路堤的質(zhì)量, 建議對(duì)現(xiàn)有路床60 cm 范圍內(nèi)的路堤進(jìn)行重新填筑。對(duì)襄荊高速公路膨脹土沿線的施工而言, 宜在路基施工完成后盡快進(jìn)行路面的施工, 以減小干濕循環(huán)對(duì)路基的不利影響。
五、結(jié)語(yǔ)
膨脹土是影響道路及其他構(gòu)造物建設(shè)的一種特殊土質(zhì), 在實(shí)際工程中, 其破壞力是巨大的。高速公路上必需認(rèn)真對(duì)待膨脹土路基的問(wèn)題。特別是當(dāng)弱、中膨脹土作為路基填料時(shí), 應(yīng)著重從影響其物理、力學(xué)性質(zhì)變化的內(nèi)在因素和外在因素上考慮,從而通過(guò)改變土的力學(xué)性質(zhì)達(dá)到處理的目的。
