探討服役公路膨脹土路基病害成因及治理措施

田 華

（貴州省公路建設養護集團有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

公路主要包括路基、路面、隧道、涵洞、橋梁等結構物，這些結構物相互配合使公路整體結構保持良好的穩定性。其中路基、橋梁、涵洞等結構是公路的堅實基礎，確保基礎穩定才能保證公路結構體系的整體穩定，從根本上保障公路工程的整體質量[1]。由于材料強度、剛度等因素的影響，路基成為公路結構體系中最容易產生病害的結構物。而膨脹土路基病害是路基病害中比較常見的一種，對公路路用性能及行車安全有較大影響[2]。該文通過對服役公路膨脹土路基病害成因及處治進行探討，總結其病害種類、病害形成原因以及防治方法，并根據膨脹土路基工程實際情況對如何提高其病害處治效果給出相應建議。

1 路基膨脹土性質

膨脹土是一種由親水性礦物構成的吸水性強，遇水膨脹軟化，失水快速干裂的細粒黏土，在干、濕交替條件下，其殘余強度明顯小于其最大強度。

在干燥條件下，膨脹土具有較高的強度和承載能力，因而很少受到施工人員的重視，加上我國前期的道路規劃和施工中普遍存在“重橋輕基”的問題，因此，在公路設計標準相對寬松時期未對膨脹土進行相應處理就直接用于路基填筑。隨著公路服役時間的增加，道路交通量和汽車載重的增大，膨脹土路基病害逐漸增多，導致道路表面不平整，行車安全性及舒適性大大降低[3]。

2 服役公路膨脹土路基病害類型

2.1 基床陷槽

基床陷槽是一種普遍存在的路基病害類型，形成原因是未及時排干的地面積水滲入基床膨脹土，使路基膨脹土遇水后強度急劇下降，使其軟化甚至液化，最終導致路基土體承載力嚴重下降。

在路基自重和汽車動載荷的長期影響下，公路路面結構逐漸侵入基床形成基床陷槽，在基床橫向上，基床中部受車輛動載荷的影響最明顯，基床中部逐漸形成軟弱沉陷，而基床表面的排水不暢進一步加劇路基土體軟化，導致基床陷槽病害不斷擴展。

2.2 翻漿冒泥

路基基床產生陷槽后，路面結構侵入基床使基層路面結構硬化，喪失彈性。隨著地表積水的持續下滲，膨脹土路基軟化并液化成泥漿，在汽車動荷載的影響下，泥漿沿道路縫隙向上涌出，加重基床硬化程度，降低基床彈性。在部分排水不良或基床長期處于低洼區域的路段，翻漿冒泥病是一種較為普遍的病害，且治理難度大[4]。

2.3 基床外擠溜塌

由于地基沉降，基床產生“馬鞍形”凹坑，在路面下陷及車輛動荷載的共同影響下，基床邊坡被擠壓，產生側向應力，從而造成路基沉降。

在夏天持續高溫的氣候條件下，膨脹土路基邊坡表層土體快速失水，發生收縮、干裂，出現松動裂縫，一旦下大雨，短時間內將會有大量降雨注入裂縫中，造成邊坡滑移，基床崩塌，甚至沖毀路基，導致交通癱瘓。

2.4 路肩及橋涵附屬結構物開裂

在長期干旱條件下，膨脹土將發生收縮干裂，在相同的周期載荷作用下，路基膨脹土內部會發生壓縮變形，從而引起路基表面及路肩干縮、龜裂，造成路基護坡、隧道、涵洞結構物基礎失穩，使其在土體脹縮過程中形成裂縫，使用壽命縮短。膨脹土路基出現翻漿冒泥、路肩開裂隆起、陷槽等病害時，都會影響路面結構，導致路面沉降不均勻，危及行車安全。

3 膨脹土路基病害發生機理及原因分析

該文從膨脹土的礦物成分、物理力學特性、水、氣候以及人為因素等多個角度出發分析膨脹土路基病害的發生機理及形成原因。

3.1 膨脹土礦物組成及土的物理力學特性

膨脹土的礦物成分主要包括高嶺石、伊利石、蒙脫石等親水性黏性土礦物，現有研究顯示，膨脹土的膨脹率、脹縮率與蒙脫石的含量有直接關系。蒙脫石是由含有大量負電荷的硅四面體與鋁氧八面體[（Mg·Al）2（Si4O10）（OH）2·nH2O]構成，該分子結構的表面含有大量的負電荷，吸水性強，在礦物表層上產生大量親水層。同時蒙脫石具備高嶺石、伊利石沒有的晶格間膨脹性，這種膨脹性是影響膨脹土膨脹率的重要因素。從實驗結果可以看出，膨脹土中含有大量的黏土礦物，其吸水性和礦物晶格之間的擴展特性，使其在遇到水分時可快速膨脹。膨脹土體中的礦物質與水分接觸后，會產生一層親水膜，根據摩爾—庫侖定律可知，水膜存在會降低膨脹土體的黏附力和內部摩擦力，土體的抗壓強度急劇降低，導致其承載力不足。

3.2 水分及氣候的因素

水分和氣候因素是引起膨脹土體物理力學性能改變的主要外在原因，其中水分為最主要的誘因。在膨脹土體中，水分會促進其礦物成分分子的再組合并對膨脹土宏觀上的抗剪破壞性能產生一定作用，從而導致其承載能力下降。在膨脹路基病害方面，地下水的影響形式主要包括降水、地表徑流和淺層地下水[5]。膨脹土的分布范圍主要集中在我國的東部和南部，這些區域受亞熱帶季風的影響，每年入夏后，天氣表現為高溫多雨，短時突降暴雨會造成膨脹性土的快速軟化、液化。而在高溫干燥條件下，膨脹土會發生脫水和開裂，再遇水時則再次膨脹，導致干縮裂縫擴大。在經歷多輪干濕循環作用后，膨脹土路基病害逐漸向下層擴展，病害逐步加重。

3.3 動荷載的影響

車輛動載荷通過路基上層向基床傳遞，基床表面已液化的泥漿由于車輛動載荷的抽吸作用，沿著道路縫隙向上涌出，對路基基床造成嚴重破壞。此外，由于車輛動荷載的影響，公路路面結構物進入基床，導致基床下沉，特別是當車速加快、軸重增大時，路基基床下沉更加明顯。

3.4 設計施工及養護的原因

（1）國內部分公路建成年代久遠，偏重橋梁、隧道等重要節點設計，忽視了路基的設計。設計路基時未將路基視為力學結構物，導致路基設計不合理，容易出現病害。

（2）因早期我國公路設計與施工技術水平的限制，對膨脹土的性質認識不足，加之工程質量管理不嚴格，致使公路長年服役后，膨脹土路基病害問題逐漸顯露，且愈演愈烈。

（3）公路服役期間，膨脹土路基病害處治受到多種因素制約，根據交通需求，一般將路基大修時間定在春季、秋季，而在高溫多雨的夏季，膨脹土路基無法及時排干基床積水，無法及時進行病害修復。

（4）對于膨脹土路基病害往往通過修補路面結構使路面保持平順。而在對路基基床進行清篩時，大型機械設備的深度有限，底層板結基床無法得到徹底清篩。

由此可以總結出膨脹土路基病害的主要影響因素包括膨脹土體的礦物成分、水分和氣候條件、線路規劃和施工不合理以及服役后的養護不到位等。

4 膨脹土路基病害治理措施

4.1 改變基床填料的力學及水理特性

改變基床填料的力學及水理特性是指改變膨脹土路基基床填筑物成分，減少基床填筑物中蒙脫土的比例，從而改善膨脹土路基基床的水理特性及力學特性。工程實踐中一般采用河砂、二灰土、三合土進行換砂或采用輕型、高強度的土工格柵加固，也可兩者結合使用。在施工工藝方面一般采用高壓灌漿、劈裂灌漿、丙酸鹽、吸水聚胺等化工泥漿灌注工藝，以形成膠結土顆粒，改善膨脹土的力學性能[6]。

4.2 防排水治理措施

在膨脹土路基病害影響因素中，水分是最主要的因素，做好路基表面防水、排水處理可有效確保基床不被雨水侵蝕，使其內部水分含量穩定，從而保障膨脹土路基的結構穩定性。

（1）路基防水、排水工程的重點是防止雨水滲入，同時考慮對地下水的侵蝕，具體措施包括在基床表面鋪設塑料排水板或防水土工布，以有效阻斷雨水滲入基床。

（2）在基床底部設置橫渠或盲溝，使基床中的積水能及時排出。

（3）在路堤段采用漿砌片石拱作為防滲設施，防止雨水滲入路基，同時可以有效抑制路基土體膨脹、溜塌[7]。

4.3 其他措施

除以上兩種常用處治措施外，對于某些特殊的膨脹土體可以進行特別處理。如在有膨脹率很高的地段可采用“以橋代路”的處治方案，將膨脹土路基改造成旱橋，將橋梁基礎設在非膨脹土區域，從而實現徹底治理。

對于路基邊坡擠出明顯的地段，為提高公路路基的側向承載力，可采用在路基邊坡坡底設置擋墻、抗滑樁、片石垛等支護措施[8]。

5 某服役公路膨脹土路基病害治理措施分析

5.1 膨脹土工程地質特性及病害狀況

某公路工程位于沖積平原區，地勢平坦，以平原和丘陵為主，沿線區域以弱膨脹土或中度膨脹土為主要土體，土層厚，其中含有鐵錳結核、鈣質團，粒度細小，富含黏性土。公路K9-K10 路段因長時間的高溫少雨，導致路肩出現裂縫，路面不均勻沉降，嚴重影響道路正常運行和行車安全性。

5.2 病害處治措施

該公路膨脹土多為弱膨脹土，親水性礦物含量較少，結合該公路膨脹土路基病害情況以及《特殊路基設計規范》中有關膨脹土路基處治的相關規范確定主要采用防排水措施處治膨脹土路基病害[9]。針對目前常用的膨脹土路基病害的處治措施特點及施工對交通的影響，該文給出如下處治方案：

（1）采用灌漿法將石灰漿注入基床進行加固。該方法的基本思想是基于膨脹土路基采用石灰進行填筑改良的經驗，采用高壓灌漿工藝將石灰漿注入基床土體。從微觀層面看，膨脹土中的伊利石、蒙脫石在吸收水分的過程中，因其表面存在著大量的負電荷，使石灰漿中的鈣離子吸附在其表面生成Ca(OH)2固化膜，從而阻止親水礦物與水分子的結合，使膨脹土的親水性減弱，抑制其軟化、液化，維持其結構穩定。

（2）用防水工布封閉基床。對該公路膨脹土路基病害進行實地勘察，針對病害嚴重區域的基床進行破底清篩，確保清篩深度達到基床表層以下0.5 m，并在基床上布設排水路拱，然后鋪設高密度聚乙烯土工薄膜等防水土工布，再鋪一層黃砂，黃砂層上為路面結構層，在其與黃土層間以適當的間距布置橫向排水孔。該方法的基本原理是采用防水工布封閉基床，阻斷雨水下滲至基床，同時減小基床土體水分蒸發，使其水分含量保持相對平穩[10]。

（3）處治路基基床病害，用挖掘機等大型機械設備協同作業對路基進行加固處治，在路基病害部位迅速開挖路基，直至達到規定深度后重新設置排水路拱，并覆蓋防水土工布。

5.3 施工質量檢測

采用上述處治措施后，對該公路膨脹土路基土體的平整度、壓實度進行試驗檢測，以評價處治措施的有效性。檢測結果如表1、表2 所示，所測的膨脹土路基的壓實度、平整度符合設計指標，路基加固效果明顯，路基強度和結構穩定性能均有不同程度的改善。

表1 平整度檢測結果

表2 壓實度檢測結果

6 結論

綜上所述，路基是公路結構體系中最容易產生病害的結構物。而在公路運營中，膨脹土路基病害較為普遍，由于膨脹土本身具有很強的脹縮性和吸水性，如不進行處理會導致路基承載能力和結構穩定性下降。現階段，膨脹土路基處理措施主要包括換填、防水排水以及土體改良，需根據實際情況靈活運用。