广西地区高速公路膨胀土路基风险分析及施工管理研究.pdf

151交通科技与管理工程技术0引言随着我国交通建设的迅速发展，广西高速公路建设重心逐渐由干道建设向路网加密完善建设转移，同时由于广西为我国膨胀土分布较为广泛的地区，因此广西当前高速公路建设不可避免地面对膨胀土路基处治的课题。膨胀土具有吸水胀大，失水缩减的湿胀干缩特性，在干湿循环的作用下容易引起路基的不均匀变形，进而引发路基冲蚀、沉降、纵向开裂、坍肩等病害，是高速公路建设质量控制的重要影响因素。因此，结合广西地区的气候条件深入分析研究膨胀土路基风险控制及处治措施，对广西地区高速公路建设具有重要意义。1广西地区气候条件与膨胀土特点分析1.1广西地区气候条件分析广西属亚热带季风气候，南部沿海地区涉及海洋气候，整体上阳光充足，雨量丰沛，霜少无雪，气候炎热潮湿，夏长冬短，极端最高气温可以到达 40 以上；雨水较多，且多集中于49月，降雨量约占全年降雨量的70%以上。突出的特点为雨热同期、降雨量集中、降雨强度大、降雨时间长、降雨次数频繁。1.2广西地区膨胀土特性分析广西地区的膨胀土蒙脱石含量不高1，其主要为碳酸盐岩、泥岩、粉砂岩风化行程的残坡积黏土，其黏粒成分主要由强亲水性矿物的蒙脱石和伊利石组成，当含水量变化时，能发生显著的体积变化。由于这些矿物颗粒的体积变化，引起岩土的体积变化，发生膨胀或收缩，变化达到一定程度时会引起与其相连接的建筑物产生破坏。具有显著湿胀干缩和反复湿胀干缩、多裂隙性、超固结性及强度衰减性等特殊且有别于一般黏性土的性质。以广西某南北走向建设的高速公路为例，该项目所涉及的膨胀土颗粒细腻、有滑感，自然状态下呈坚硬或硬塑状态，裂隙发育，常见光滑面和擦痕。有的裂隙中充填灰白、灰绿色黏土，多分布于二级和二级以上阶地或盆地边缘丘陵地带，地形平缓，无明显自然陡坎。选取该公路途经地区代表性的膨胀土，其胀缩性指标如表 1 所示。依据广西公路地方标准膨胀土地区公路勘察设计规程对其膨胀性进行判别，由表 1 可知，该高速公路途经地区的膨胀土类别囊括了弱膨胀土到强膨胀土，且中等膨胀土类别占比较多，这是因为虽然广西膨胀土蒙脱石含量不高，但是膨胀土颗粒粒度较细，进而导致了其依旧具备较强的胀缩性。表 1广西某高速公路膨胀土胀缩性指标/%部位自由膨胀率胀缩总率相对胀缩率 膨胀土类别起点536.841.12强膨胀土中段45.24.330.26中等膨胀土中段372.970.11中等膨胀土中段344.710.23中等膨胀土终点362.310.11弱膨胀土1.3广西气候条件对膨胀土影响分析研究表明2-3，膨胀土的涨缩性其实质是晶格的吸水扩张过程，土的体积随着吸水率的增加而增大。结合 1.1和 1.2 节的分析，广西气候条件对于膨胀土的性能影响主要有三个方面：一是广西丰沛的降雨量，会导致土体含水量大幅度增加，雨季时膨胀土晶格吸水扩张膨胀。二是空气湿度的影响，广西全年空气湿度较大，膨胀土一旦暴露在空气中，会持续从空气中吸收水分，并逐渐侵蚀至土体内部，导致土体膨胀风险性增大。三是温度与收稿日期：2023-08-14作者简介：张松（1992）,男,本科,工程师,研究方向：道路工程。广西地区高速公路膨胀土路基风险分析及施工管理研究张松,张宇航,张玖传（葛洲坝集团交通投资有限公司,湖北 武汉 430033）摘要针对广西地区地质条件多膨胀土的情况，结合广西地区湿热气候条件，开展膨胀土对高速公路路基质量影响的风险分析及施工管理控制研究，探索为广西高速公路建设膨胀土路基治理、处治的技术方案和施工控制管理方法。文章从广西地区气候条件对膨胀土路基的影响入手，针对性分析高速公路膨胀土路基的主要风险因素、变形破坏形式，而后总结膨胀土地基安全处治方法，最后对风险进行评估及给出相应的控制措施，包括原材料、工艺工序和施工管理等。关键词膨胀土；风险分析；路基处治；施工质量控制；湿胀干缩中图分类号U412.3文献标识码A文章编号2096-8949（2023）23-0151-032023 年第 4 卷第 23 期152交通科技与管理工程技术阳光日照，广西全年气温高，阳光日照充足，膨胀土失去水分引起整体收缩，同时广西雨热同期，在短时间内土体重复地收缩与膨胀，极易导致土体颗粒内部结构松散，强度快速下降。这种气候条件下，土壤呈现很强的膨胀性和收缩性。2广西高速公路膨胀土路基风险分析2.1工程风险类型依据膨胀土特性分析，膨胀土路基的工程风险主要是胀缩性大引起的路基不均匀沉降、膨胀土土体强度过快下降而导致的崩解性以及超固结性。在以线状建筑物为主要特点的高速公路建设中，因为跨越区域范围大，土基的土体性质不均匀，在含水量增加后，不同路基土的胀缩性不一致，特别是膨胀土路基与普通路基的衔接处，不均匀沉降以及膨胀力的作用容易造成路面开裂、坑洼等病害。而膨胀土路基吸水后迅速软化或多次重复地收缩与膨胀，强度过快下降容易导致边坡不稳定风险加大，引发边坡滑坡、滑塌，甚至在强降雨天气雨水冲刷耦合作用下引发大规模冲蚀、泥流等水土流失问题。最后，膨胀土路基边坡的超固结性在边坡开挖时土体超固结应力快速释放，出现卸荷膨胀，特别是在高边坡作业时引发安全生产事故。2.2风险影响因素基于上述研究，在广西地区气候条件下，高速公路膨胀土路基的风险因素主要有：（1）气候条件。广西地区气候温暖潮湿，夏季多雨，土壤温度变化大，膨胀土问题更为突出。（2）施工工艺。如果施工工艺不合理，地基土体可能会受到搅动和振动，增加了土壤膨胀的风险。（3）土壤质量。广西地区土壤大多是黏土和泥土，含有较高的有机质，容易形成膨胀土。（4）基础结构。如果基础结构不合理，可能会加重土壤膨胀的风险。（5）施工监管。如果施工监管不到位，可能会导致施工中使用不符合要求的土壤或施工工艺不规范等问题。2.3膨胀土路基变形破坏形式在高速公路膨胀土路基施工中，正确认识膨胀土路基破坏形式有助于正确选择合理的处治方法。广西地区膨胀土路基常见的破坏形式如下所示：（1）膨胀土初期强度较高使得路基压实度不足，经风化作用和干湿循环后，在路基自重和车辆荷载的双重作用下，土块崩裂，导致路基发生不均匀沉陷变形，当变形量较大时可使路面发生破坏。（2）膨胀土路堤经过多次降雨季节过后，表面土体风化严重，裂缝发育完全，当雨水沿裂缝渗入土体内部后，膨胀土遇水软化导致边坡坍塌。若采用性质较差、强度较弱的膨胀土填筑路堤，有可能形成人为的软弱面，从而产生路堤滑坡。（3）当路堤肩部土体压实度不足时，填土密度达不到密实度，路肩土体干湿收缩程度大于堤身，从而出现纵向裂缝，严重时可导致路肩坍塌。（4）膨胀土经过长时间的强光照后水分蒸发，土块裂解成细粒状、鳞片状，在重力作用下沿坡面滚落，干旱时间越长则剥落情况愈严重，且强膨胀土比弱膨胀土剥落程度更严重。（5）在强降雨作用下，尤其类似于广西地区夏季的强降雨，膨胀土边坡吸水过于饱和，在重力与渗透压作用下，土体沿坡面滚落溜塌。溜塌是膨胀土边坡表面发生最普遍的现象，稍滞后于降雨，可发生在边坡任何部位，与边坡坡度无关。3高速公路膨胀土路基处治方案分析3.1膨胀土路基处治基本原则由于膨胀土遇水易发生变形，影响路基边坡稳定性，并且膨胀土自身密度较低、含水量较大，若不采取合理方式处治膨胀土，有可能会导致路基发生大规模的沉降和塌陷，因此采取正确的处治措施尤为重要。根据地址勘测的翔实报告及有关经验，按照综合处理的思想确定处置措施，一般遵循“避免膨胀，防水保湿”的原则。防水是指保护膨胀土路基的封闭性，减少甚至是隔绝膨胀土体与空气的接触或者雨水的渗入；保湿则是控制膨胀土体的含水量不变或者降低变化的可能。3.2膨胀土路基处治方式基于膨胀土的特性，高速公路膨胀土路基处治关键点在于含水量的控制。一般来说，膨胀土路基的处理方法主要有换填法、湿度控制和改性处理。换填法是最为直接和广泛使用的方法，将膨胀土全部或者部分挖除，替换为合格的路基材料，关键点在于依据具体的膨胀土胀缩性强弱与区域气候特征确定换填深度，也就是不受外部环境影响的临界深度与临界含水量。湿度控制包括预湿和保持含水量稳定两种方法。预湿法是提前用水浸泡路基土，保持膨胀土含水量稳定则是采用非膨胀土包裹膨胀土的夹心糖方案4。简单来说就是利用土工材料和非膨胀土将膨胀土路基从底部、边坡以及顶面四面包裹起来，使得以膨胀土为填芯的路基含水量保持恒定。优点是充分利用了膨胀土，有利于生态环保绿色建设；缺点是在道路上部结构未完工前需要对填芯进行保湿处理，边坡施工工艺、质量要求高，工序复杂。膨胀土的改性处理是利用石灰、水泥、矿渣等掺入膨胀土中，与膨胀土发生反应或者改变膨胀土颗粒结构，通过改变膨胀土微观结构达到影响宏观性能的效果，最终使得膨胀土的亲水性降低，增强自身稳定性。广西某南北走向建设的高速公路，根据不同路段特点采取不同措施相结合的方式。其中膨胀土填方路堤段，路基地表以下 50 cm 范围内换填碎石土，并设置防水土工布；泥岩、粉砂质泥岩膨胀土挖方路段，边坡防护采用护面墙；当挖方路床位于基岩时，采用换填 30 cm 碎153交通科技与管理工程技术石土处理。当挖方路床位于残坡积土时，采用路床换填80 cm 处理，并设置防水土工布；膨胀土路堑段，挖深尽量控制在10 m以内，坡脚设置挡墙，坡面采取护面墙封闭，边坡坡率应缓于 1.5。4施工管理方案分析4.1原材料的选用和控制膨胀土路基施工的原材料主要包括土壤、沙子、石头、水泥等。在原材料的选用和控制方面，土壤要具有较好的土工性能，胀缩性小；沙子和石头的颗粒大小应符合规范，不得混入较多的细颗粒和黏土，使用应根据现场具体情况进行试验分析；水泥的质量要符合国家标准，用量同样要进行试验分析控制。4.2施工质量的控制膨胀土路基施工的质量控制是确保路基强度、平整度以及排水性能的关键因素。施工过程中要严格遵守施工规范和施工图纸；对于不同的土层情况，施工工艺应有所调整，保证施工质量；对于土方的压实掌握控制好施工时机，尽量保证土层的均匀压实。4.3施工技术要点高速公路的施工建设中，针对不同区域膨胀土的物理力学特性，合理选择处理膨胀土的方法，并遵循以下的施工要点：（1）对于填高不足 1 m 的路堤，必须换填非膨胀土，并按照规范规定压实。（2）路堤两边边坡及路堤顶面必须采用非膨胀土作为封层，必要时加铺土工布，形成包心填方。（3）开挖路堑边坡时，预留 40 cm 左右的厚度，待路堑开挖完毕后再削去预留部分，并采用网格护坡封闭。（4）路堤与路堑分界处 2 m 范围内的挖方地基应挖成台阶，翻松并检查挖方处的含水量是否与填方处的含水量相近，同时采用合适的压实工具将挖方处压实至规定的压实度。（5）施工时避免雨季作业，并加强现场排水。开挖后各道工序紧密衔接，不宜间隔过久。路堤和路堑边坡需及时进行护坡处理，防止雨水浸入边坡。（6）路床的强度及压实标准必须严格遵守相关规定和规范。稳定膨胀土路基的重点在于完善路基的排水设施和加强坡面防护，齐全的排水设施可使影响路基稳定性的地面水和地下水顺利排走，良好的坡面防护可起到加固边坡和降低风化老化的作用。因此在施工过程中应当注意以下几点：（1）广西地区常表现出集中降雨、降雨量大、时间长的特点，因此边沟应适当加宽加深。路堑边沟外侧需设置平台，同时路堑顶部设置截水沟以免水流冲刷并渗入坡体。（2）在填挖交界处的路段增设盲沟，路堤高边坡的平台处设置截水沟，截排上部坡面水。（3）由路面汇入到中央分隔带的地表水通过集水沟和排水管排除路基。（4）路堤顶部设置复合土工膜，底部设置毛细水隔离层，分别用于抵消下渗到路床的水分和路堤底部的毛细水对路基稳定性的影响。（5）若采用铺植草皮的方式加固坡体，应用于边坡高度不高的土质边坡，并增设浆砌片石骨架。（6）浆砌片石或预制块的骨架护坡宜做成拱形，骨架嵌入坡体的深度不小于 0.5 m，深入到坡面内较为结实的土层中。4.4施工工艺和流程的控制膨胀土路基施工工艺和流程的控制是确保施工质量和进度的关键因素。要充分理解并交底每一道工艺流程的目的，确保设计意图能够严格执行并落实。其中，施工前要确定合理的施工顺序和作业流程，膨胀土路基施工工艺与普通路基施工工艺相类似，仅在普通路基施工工艺之上增加了布灰、拌和、二次精平和养生的工艺。施工过程中需要注意土方的湿度和压实度的控制，并注意水泥和水的混合比例和搅拌时间的控制。每一分项工程完成后要对结果进行质量检验并总结分析，以促进施工水平的提高。4.5施工管理体系的完善制定完善的施工计划，严格控制施工进度；完善监理和质量检验制度，保证施工质量符合规范；加强现场管理，保证施工安全和施工质量。5结论（1）膨胀土路基的处治是关系到高速公路建设成败的重要因素，如果不能有效防范膨胀土路基风险，将严重影响高速公路项目建设的整体质量。（2）膨胀土路基的处治方案要结合当地具体的气候条件与实际膨胀土特性而制定。（3）广西高温多雨的气候条件加剧了膨胀土路基不均匀沉降、土体强度过快下降而导致的崩解性以及超固结性风险。（4）高速公路膨胀土地基建设中，应严格落实各个阶段的施工要点，控制好每个环节的质量，提高工程整体抵抗风险的能力。参考文献1 侯文静.广西膨胀土地区桂来高速公路设计研究 D.长春：吉林大学,2012.2 秦梓航.膨胀土填方路基变形稳定特性及处治技术研究 D.南宁：广西大学,2021.3 俞海洲,王保田,赵辰洋.颗粒成分对黏性土收缩性能的影响 J.科学技术与工程,2013(9):2591-2593.4 陈文政.平果至南宁高速公路膨胀土路基处理技术研究 J.西部交通科技,2022(8):9-11+122.