崇左—愛店口岸公路寧明盆地段膨脹巖土工程特性分析及路塹邊坡防護(hù)方案研究

吳光航，沈光輝，韋永超

(廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

寧明盆地地處低緯度地區(qū)，且毗鄰北部灣，是我國最早發(fā)現(xiàn)的典型膨脹土區(qū)域之一。受海洋季風(fēng)調(diào)劑，寧明盆地形成了終年溫度較高，夏季風(fēng)極盛，常受臺風(fēng)影響，多大雨、暴雨天氣，雨季旱季分明的亞熱帶季風(fēng)氣候。特殊的氣候條件，外加地質(zhì)構(gòu)造作用形成了寧明盆地內(nèi)典型的新進(jìn)系膨脹土。工程實(shí)踐表明，無論建筑、公路等行業(yè)均需針對膨脹土采取特殊的工程應(yīng)對措施，否則將會出現(xiàn)嚴(yán)重的病害，危及工程安全[1-2]。

本文對崇左—愛店口岸公路寧明盆地段膨脹土區(qū)域內(nèi)16個勘察工點(diǎn)取樣試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理[3-4]，對塑性指數(shù)、收縮系數(shù)、膨脹力等膨脹土基本物理指標(biāo)進(jìn)行了歸納，并分析了劃分膨脹巖土等級指標(biāo)的選取及膨脹巖土變形指標(biāo)、膨脹力與膨脹巖土指標(biāo)的相關(guān)性，最后針對膨脹土路段路塹特性，分析了兩種柔性防護(hù)方案的防護(hù)機(jī)理。

1 寧明盆地段膨脹巖土成因、特征

寧明盆地為新生代構(gòu)造斷陷內(nèi)陸湖盆地，盆地內(nèi)沉積了厚約1 500 m的湖相那讀組深灰色、灰褐色黏土巖、泥質(zhì)粉砂巖及部分砂巖；盆地內(nèi)明江由西向東而流，形成了寧明盆地內(nèi)二級階地地貌。膨脹巖土主要為殘積-坡積膨脹巖土、二級階地沖洪積沉積物。崇左-愛店口岸高速公路路線線位總體呈南北向橫穿盆地，其中路線K16+280～K27+050段位于寧明盆地膨脹巖土區(qū)域。該路線范圍內(nèi)屬剝蝕淺切割丘陵地貌，谷地分布縱橫交錯，地形平緩，谷地周圍為起伏不大的微丘地貌，微丘上有樹枝狀淺溝發(fā)育，丘陵山體規(guī)模較小，頂部多呈寬緩渾圓，自然坡角多為8°～15°。

項目區(qū)域內(nèi)揭露的膨脹巖土主要為兩層，上層為黃褐色、灰黃色膨脹巖土，可塑-硬塑之間，厚度約為3～4 m；下層為灰白色、灰褐色膨脹巖土，硬塑狀，厚度約為5～8 m，均以黏粒為主，土質(zhì)細(xì)膩，手觸摸有滑感，旱季呈堅硬狀、雨季黏滑。

2 基本特性指標(biāo)分析

2.1 天然孔隙比、塑性指數(shù)、液性指數(shù)

從試驗(yàn)結(jié)果可知(圖1～3)，路線區(qū)域內(nèi)膨脹土原狀樣天然孔隙比在0.3～1.1均有分布，但多集中分布在0.5～0.8，占比>80%，其余區(qū)間孔隙比占比較??；液性指數(shù)在-1～1分布，-1～0區(qū)段內(nèi)分布占比>80%，說明大多膨脹巖土處于硬塑狀態(tài)，這與現(xiàn)場膨脹巖土的高承載力、低孔隙比相對應(yīng)。

圖1 天然孔隙比柱狀圖

圖2 液性指數(shù)柱狀圖

由圖3可知，膨脹土塑性指數(shù)在10～60均有分布，占比區(qū)間最大的是30～40(占比>40%)，最高可達(dá)42；膨脹巖土具有“高塑性”特征，土體處于可塑狀態(tài)，含水量范圍較大，土顆粒細(xì)、比表面積較大、蒙脫石類等黏土礦物含量高，水化作用劇烈。

圖3 塑性指數(shù)柱狀圖

2.2 自由膨脹率、膨脹力、收縮系數(shù)

膨脹巖土自由膨脹率分布在8%～85%，大多試樣自由膨脹率<65%。膨脹力分布在0～300 kPa，大多試樣膨脹力<200 kPa，其中100～200 kPa分布占比較大(占比>55%)，但個別試樣膨脹力較大，達(dá)到297 kPa。如圖4～5所示。

圖4 自由膨脹率柱狀圖

圖5 膨脹力柱狀圖

由圖6可知，收縮系數(shù)分布在0～1.2，占比區(qū)間最大的為0.2～0.6(占比>60%)，說明區(qū)域內(nèi)膨脹巖土直線收縮階段含水率每減少1%相對平均豎向變形約為0.2～0.6，少數(shù)試樣收縮系數(shù)可達(dá)1.18，說明區(qū)域內(nèi)膨脹巖土收縮特性突出，這與區(qū)域內(nèi)膨脹巖土的高度裂隙性相吻合。

圖6 收縮系數(shù)柱狀圖

3 膨脹巖土強(qiáng)度等級劃分指標(biāo)分析

膨脹巖土等級的劃分隨著工程實(shí)踐及相關(guān)理論研究而不斷深化調(diào)整。公路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采用了自由膨脹率、塑性指數(shù)指標(biāo)分別對膨脹巖土進(jìn)行分級[5]，如圖7、圖8所示；廣西區(qū)內(nèi)地方標(biāo)準(zhǔn)則采用相對膨脹率、脹縮總率兩個脹縮指標(biāo)雙控的方法對膨脹巖土進(jìn)行等級判別[6-7]，如圖9所示。

圖7 自由膨脹率-膨脹巖土等級劃分散點(diǎn)圖

圖8 塑性指數(shù)-膨脹巖土等級劃分散點(diǎn)圖

圖9 相對膨脹率-脹縮總率的膨脹巖土等級劃分散點(diǎn)圖

對比圖7～9可知，由自由膨脹率指標(biāo)判別的膨脹巖土等級劃分較低，而由塑性指數(shù)、相對膨脹率-脹縮總率雙指標(biāo)控制的膨脹巖土等級劃分則較為接近。自由膨脹率在一定程度上表征了膨脹巖土的黏土礦物成分、粒度成分和交換陽離子成分等基本特性，故《膨脹巖土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》中采用自由膨脹率來表征膨脹潛勢，而塑性指數(shù)在表征土的顆粒、親水礦物(如蒙脫石)特性方面具有很好的吻合性，但這兩種指標(biāo)作為單一指標(biāo)來判別膨脹巖土等級仍然存在很大漏判風(fēng)險。

膨脹巖土的等級劃分應(yīng)從地質(zhì)成因、脹縮機(jī)理等觀點(diǎn)出發(fā)才能得出合理的分級進(jìn)而指導(dǎo)工程實(shí)踐?！惰F路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)》采用了蒙脫石含量、陽離子交換量對膨脹巖土進(jìn)行判別是較為合理的，但蒙脫石含量、陽離子交換量測試?yán)щy，難以在公路部門推廣應(yīng)用。根據(jù)大量工程經(jīng)驗(yàn)、文獻(xiàn)研究，在該路線區(qū)域內(nèi)采用相對膨脹率-脹縮總率雙指標(biāo)控制的膨脹巖土等級劃分是合理的，能為工程處置提供較好依據(jù)，但針對較為重要的構(gòu)筑物仍以根據(jù)荷載大小計算的脹縮變形量來劃分地基脹縮等級的方法進(jìn)行判斷更為可靠。

4 膨脹巖土線變形指標(biāo)分析

分別繪制試樣塑性指數(shù)、天然孔隙比與線縮率、相對膨脹率的關(guān)系如圖10～13所示。由圖可知，區(qū)域內(nèi)膨脹巖土線縮率、相對膨脹率與塑性指數(shù)均有很好的線性關(guān)系。在塑性指數(shù)20～45區(qū)間內(nèi)塑性指數(shù)與線縮率關(guān)系為：

圖10 塑性指數(shù)與線縮率關(guān)系散點(diǎn)圖

δsi=0.17IP-1.25

(1)

式中：IP——塑性指數(shù)；

δsi——線縮率。

在塑性指數(shù)25～45區(qū)間內(nèi)塑性指數(shù)與相對膨脹率關(guān)系為：

δxe50=0.136IP-1.98

(2)

式中：IP——塑性指數(shù)；

δxe50——相對膨脹率。

線縮率與天然孔隙比為0.6～0.9，具有較好的相關(guān)性，隨著孔隙比的增大呈增大趨勢，但天然孔隙比、相對膨脹率之間則沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。

圖11 塑性指數(shù)與相對膨脹率關(guān)系散點(diǎn)圖

圖12 天然孔隙比與線縮率關(guān)系散點(diǎn)圖

圖13 天然孔隙比與相對膨脹率關(guān)系散點(diǎn)圖

研究表明，膨脹巖土的脹縮特性控制性因素為有效蒙脫石含量，脹縮特性指標(biāo)隨著蒙脫石含量的增加而呈逐漸增大的趨勢，而其他礦物含量的變化對脹縮特性的影響則非常有限。由此可知，塑性指數(shù)這一宏觀指標(biāo)能較好地反映膨脹巖土的有效蒙脫石含量。

5 豎向膨脹力指標(biāo)分析

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制塑性指數(shù)-膨脹力、天然孔隙比-膨脹力、初始含水率-膨脹力關(guān)系如圖14～16所示。由圖可知，膨脹力隨著塑性指數(shù)的增大呈增大的趨勢，具有很好的相關(guān)性，在塑性指數(shù)30～45區(qū)間內(nèi)，膨脹力相關(guān)性最為明顯。但天然孔隙比、初始含水率和膨脹力的相關(guān)關(guān)系則不明顯，這與膨脹巖土地層的分布多為不均勻有關(guān)。

圖14 塑性指數(shù)-膨脹力關(guān)系散點(diǎn)圖

圖15 天然孔隙比-膨脹力關(guān)系散點(diǎn)圖

圖16 初始含水率-膨脹力關(guān)系散點(diǎn)圖

豎向膨脹力為土體充分吸水、泡水且在側(cè)向變形為零情況下保持其體積而不發(fā)生豎向膨脹變形所需施加的最大壓力。但在實(shí)際工程中，對支擋結(jié)構(gòu)的膨脹力應(yīng)考慮為側(cè)向膨脹力大小，且室內(nèi)土工試驗(yàn)測試膨脹力條件為試樣完全浸泡在水中，而膨脹巖土除本身的低滲透率外，其遇水后土體表面膨脹將使孔隙封閉，阻止水分進(jìn)一步浸入，含水率很難達(dá)到室內(nèi)的飽和狀態(tài)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，區(qū)域內(nèi)膨脹巖土平均值、中位數(shù)值分別為83 kPa、59 kPa，而側(cè)向膨脹力約為豎向膨脹力的25%[8]，故在初步估計支擋結(jié)構(gòu)的側(cè)向膨脹力時可取值14～21 kPa。鑒于膨脹巖土在微變形后膨脹力衰減較快，故區(qū)域內(nèi)采用柔性支擋結(jié)構(gòu)是合適的。

6 膨脹巖土路塹邊坡防護(hù)方案

路塹開挖后，在大氣干濕循環(huán)等風(fēng)化應(yīng)力作用下，邊坡土體內(nèi)部反復(fù)膨脹收縮，裂隙逐漸發(fā)育，水平應(yīng)力逐漸增大，土體開裂崩解、強(qiáng)度極速降低，降雨入滲后極易出現(xiàn)不同形式和不同程度的滑塌等變形破壞，甚至發(fā)生滑坡。綜上，設(shè)計主要遵循“防水、保濕、防風(fēng)化”為主要思路，路塹邊坡防護(hù)方案如下：

(1)對開挖高度<6 m的路塹邊坡，采用“護(hù)腳墻+坡面柔性防護(hù)”方案(見后頁圖17)。坡面柔性防護(hù)分為三層：“兩布一膜”隔水層、“土工格室+水泥土”緩沖壓重層和植草綠化層?！皟刹家荒ぁ变佋O(shè)于柔性防護(hù)底部，緊貼坡面，起到防水、保濕作用；緩沖壓重層為土工格室內(nèi)填充水泥土(水泥摻量為25%)，厚度為20 cm，土工格室起到固土防裂作用，相當(dāng)給予具有一定強(qiáng)度的水泥土“加筋”作用，當(dāng)邊坡發(fā)生脹縮變形后仍能維持坡面防護(hù)整體穩(wěn)定性不致被破壞；植草綠化層采用客土噴播，厚度為10 cm。

圖17 “護(hù)腳墻+坡面柔性防護(hù)”方案平面圖

(2)對開挖高度>6 m的路塹邊坡，采用加筋柔性擋墻防護(hù)方案(見后頁圖18)。該方案以超挖回填土工合成材料加筋邊坡土體為主，輔以防排水系統(tǒng)、坡面防護(hù)系統(tǒng)組成，不但能承受膨脹壓力，而且允許邊坡土體產(chǎn)生一定的變形，可吸收邊坡土體因超固結(jié)引起的應(yīng)力釋放和含水率變化產(chǎn)生的膨脹能，同時兼具防水、保濕作用。采用超挖回填的膨脹巖土可以很好地解決棄土增加的問題，同時，柔性擋墻施工采用壓路機(jī)施工，機(jī)械化程度高，施工質(zhì)量及進(jìn)度均能兼顧。

圖18 加筋柔性擋墻防護(hù)方案平面圖(cm)

7 結(jié)語

本文對崇左-愛店口岸公路寧明盆地段膨脹巖土原狀樣試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸納分析，探索該區(qū)域內(nèi)膨脹巖土基本脹縮特性指標(biāo)分布及其相關(guān)關(guān)系，同時對區(qū)域內(nèi)膨脹巖土路塹防護(hù)方案進(jìn)行研究，獲得主要結(jié)論如下：

(1)采用相對膨脹率、脹縮總率雙控指標(biāo)的方法對膨脹巖土進(jìn)行等級判別是合適的，這在膨脹土路段路塹開挖后溜塌情況得到很好驗(yàn)證。采用自由膨脹率或塑性指數(shù)作為單一指標(biāo)來判別膨脹巖土等級仍然存在很大漏判風(fēng)險。

(2)膨脹巖土線縮率與塑性指數(shù)關(guān)系符合δsi=0.17IP-1.25(塑性指數(shù)區(qū)間為20～45)，膨脹巖土與相對膨脹率符合δxe50=0.136IP-1.98(塑性指數(shù)區(qū)間為25～45)。

(3)膨脹力與塑性指數(shù)具有很好的相關(guān)性，在初估膨脹巖土對支擋結(jié)構(gòu)的膨脹力時可取為14～21 kPa。

(4)對不同高度的膨脹巖土路塹分別采用“護(hù)腳墻+坡面柔性防護(hù)”方案、加筋柔性擋墻防護(hù)方案。方案實(shí)施后效果較好，能有效解決膨脹巖土路塹問題。