膨脹土填筑路堤的處理技術(shù)

莫增江

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司,廣東 廣州 510000)

0 引 言

膨脹土系指土壤中的黏土礦物成分大多由親水礦石物構(gòu)成(一般含有較多的蒙脫石、伊利石、混層黏土礦物等),并且具備了吸水后體積急劇膨脹變軟和失水后體積急劇縮小干裂兩個(gè)重要物理特征,屬于固結(jié)特性強(qiáng)、裂隙特性強(qiáng)、濕脹干縮往復(fù)變化的超高塑黏性土質(zhì)。膨脹土地質(zhì)處理已成為公路工程建設(shè)中最突出、最關(guān)鍵的工程問(wèn)題之一。

目前對(duì)膨脹土作為路基填料的研究,大部分為理論分析或室內(nèi)試驗(yàn)研究。例如通過(guò)改進(jìn)CBR試驗(yàn)快速測(cè)定方法來(lái)判定膨脹土是否可作為路基填料的室內(nèi)試驗(yàn)研究[1-2];通過(guò)在膨脹土中摻入一定量的石灰可加強(qiáng)其CBR強(qiáng)度的研究[3-4]。但未對(duì)其研究結(jié)果運(yùn)用于實(shí)際工程建設(shè)的有效性進(jìn)行檢驗(yàn),因此在前面文獻(xiàn)的研究基礎(chǔ)上,提出改良膨脹土性質(zhì)及優(yōu)化路堤填筑組成方案并通過(guò)實(shí)際的工程建設(shè)進(jìn)行檢驗(yàn)研究,以客觀反映膨脹土作為路基填料的實(shí)際穩(wěn)定性及工作狀態(tài)。

1 膨脹土的特性及病害分析

1.1 膨脹土的分布

通過(guò)研究文獻(xiàn)等資料表明,國(guó)內(nèi)膨脹土分布相當(dāng)廣泛,分布范圍大致包括東北、西北、西南、長(zhǎng)江、黃河中下游以及局部東南沿海地區(qū)[5-6]。

1.2 膨脹土的特性

經(jīng)過(guò)查閱資料,加強(qiáng)了對(duì)膨脹土的基本物理性質(zhì)特點(diǎn)的理解,其物質(zhì)組成成分、結(jié)構(gòu)特征和基本物理特性歸納如下[7-8]。

對(duì)水影響下膨脹土的膨脹干縮性起主要影響的黏土、風(fēng)化巖中的礦物質(zhì)多由伊利石/蒙脫石混層礦(I/S)所組成。

膨脹土的穩(wěn)定含水量與其塑限較為接近,其風(fēng)干后的膨脹能力和膨脹量約為一般自然土壤的5～10倍,同時(shí)干燥后活化是膨脹土的又一明顯特性。

(1)按主要影響物質(zhì)組成成分分析。

鎂基膨脹土:物理化學(xué)活性較強(qiáng),主要分布于廣西寧明等地區(qū)。

鈣基膨脹土:膨脹干縮、崩解的速率較快,主要分布于廣西百色、陜西漢中、河南鄧縣、云南昭通等地區(qū)。

(2)按組成成因分析。

風(fēng)化殘積類膨脹土:具有孔隙率高、含水量高、塑性強(qiáng)和密度低的特性,如廣西寧明、廣西百色、云南昭通地區(qū)的膨脹土。

沉積類膨脹土:具有密度一般較大、自然含水量則稍低的特點(diǎn),如陜西漢中、河南鄧縣地區(qū)的膨脹土。

根據(jù)膨脹土的基本物理性質(zhì),膨脹土一般不能直接作為路基填料。

1.3 公路中膨脹土造成的主要病害

公路建設(shè)中,若直接將膨脹土作為路基填料,將會(huì)造成路基變形、失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)損壞等嚴(yán)重病害。

受環(huán)境干濕影響,路基中各部位/段干濕程度不一,膨脹土路基不斷發(fā)生不同程度的膨脹變軟以及收縮干裂的循環(huán)過(guò)程。在土的自重和滲透荷載影響下,邊坡容易失穩(wěn)崩塌,路基變形、沉陷反射至路面造成破壞,橋臺(tái)、錐坡等結(jié)構(gòu)物開(kāi)裂外移、倒塌等。

如何通過(guò)改良膨脹土性質(zhì)優(yōu)化路堤填筑組成方案,是解決膨脹土地區(qū)公路路基建設(shè)的重點(diǎn)技術(shù)問(wèn)題。

2 膨脹土填筑路堤的物理處理技術(shù)分析

2.1 物理處理的基本思路

通過(guò)對(duì)膨脹土檢測(cè),查明物理性質(zhì)特點(diǎn)及分類后,將其設(shè)計(jì)填筑在合理的路基范圍,按照相關(guān)研究結(jié)果,通過(guò)利用稠度和濕法按照公路工程中重型壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)確定的最佳含水率和壓實(shí)度來(lái)控制路基施工過(guò)程中的碾壓,并采取相應(yīng)的隔水、防滲措施,以設(shè)法控制路堤中填筑的膨脹土在可控的濕度范圍內(nèi)發(fā)生極小脹縮變化,從而使其能夠作為合格的路基材料來(lái)進(jìn)行使用,且能保持足夠的強(qiáng)度(壓實(shí)度及CBR值)[1-2]。有效控制濕度范圍及隔水防滲,是進(jìn)行膨脹土路堤處理工程的基本準(zhǔn)則。

2.2 物理處理的主要技術(shù)要點(diǎn)

掌握公路中路基受力工作區(qū)和不同填筑高度所對(duì)應(yīng)位置的荷載變化,有效控制移挖作填、填挖平衡,合理調(diào)配膨脹土填料,把不同強(qiáng)度、膨脹干縮特點(diǎn)和含水量的膨脹土通過(guò)改良后設(shè)計(jì)填筑在合理的路基范圍(如利用膨脹土填芯)。

需要因地制宜,對(duì)膨脹土路基采取合理處置方法,如摻石灰土改良、黏土包邊、隔水防滲、增設(shè)格柵加筋材料包邊等物理處理技術(shù)的相互組合,以達(dá)到膨脹土在公路工程建設(shè)中的最佳運(yùn)用。

3 膨脹土路堤處理方法在實(shí)際工程中的應(yīng)用

根據(jù)工程的實(shí)際運(yùn)用情況,提出不同的膨脹土路堤填筑方法并開(kāi)展系統(tǒng)的研究。

以柳州高速過(guò)境線公路(羅城經(jīng)柳城至鹿寨段)工程為例,項(xiàng)目是廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃的聯(lián)絡(luò)線,也是柳州市“兩環(huán)四橫四縱多聯(lián)”高速公路網(wǎng)的重要組成部分。根據(jù)勘測(cè)結(jié)果,沿線多處存在膨脹土挖余土方,為更好地利用膨脹土挖余土方,項(xiàng)目開(kāi)展了試驗(yàn)段研究。

3.1 試驗(yàn)段A:石灰改良膨脹土填芯+土工格柵包邊技術(shù)

試驗(yàn)段路基頂面寬度為33.5 m標(biāo)準(zhǔn)雙向六車道公路斷面,一級(jí)路堤填方邊坡,坡率為1∶1.5。在膨脹土中摻入一定比例的石灰改良后填芯,兩側(cè)邊坡水平3 m范圍采用土工格柵加筋包邊,基礎(chǔ)鋪設(shè)1 m 厚碎石土隔水層,路基頂部采用1.5 m厚非膨脹土封頂,其中膨脹土填芯控制高度≤6 m。

在膨脹土中摻入5%～9%的石灰來(lái)分析研究土樣總的CBR值變化情況[3-4]。相對(duì)于相同石灰摻入量的填芯膨脹土,在最大干密度ρ范圍中,CBR值隨干密度ρ的增加而增大。同時(shí)可以反映出,相對(duì)于摻入7%石灰的填芯膨脹土,CBR值隨干密度ρ的增加而增大的幅度較石灰摻入量為5%和9%的填芯膨脹土要大,因此本次方案采用摻入7%石灰的填芯膨脹土進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)段B:非膨脹性土包邊技術(shù)

試驗(yàn)段路基頂面寬度為33.5 m標(biāo)準(zhǔn)雙向六車道公路斷面,一級(jí)路堤填方邊坡,坡率為1∶1.5。利用膨脹土填芯(根據(jù)文獻(xiàn)[9]研究結(jié)果,對(duì)膨脹土采用改進(jìn)CBR試驗(yàn)方法檢測(cè)強(qiáng)度,滿足要求后可作為路基填料),兩側(cè)邊坡水平3 m范圍采用非膨脹土包邊,基礎(chǔ)鋪設(shè)1 m厚碎石土隔水層,路基頂部采用1.5 m厚非膨脹土封頂,其中膨脹土填芯控制高度≤6 m。

4 膨脹土路堤處理方法的有效性檢驗(yàn)

對(duì)柳州高速過(guò)境線公路(羅城經(jīng)柳城至鹿寨段)工程膨脹土填方路基試驗(yàn)段進(jìn)行了有效性檢驗(yàn)。

4.1 承載力檢測(cè)

在試驗(yàn)段路堤修筑期間進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè),堤芯填筑完成后分別在堤芯頂面進(jìn)行了彎沉和承載板檢測(cè)。

用改進(jìn)的CBR試驗(yàn)方法:(1)采用側(cè)向浸水進(jìn)行試件浸泡;(2)浸水時(shí)的上覆荷載采用20 kPa;(3)土樣制件含水率采用濕法重型擊實(shí)的最佳含水率[1-2]。測(cè)得的CBR值分別為9.2%、5.4%,均大于路基設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

對(duì)路床頂面進(jìn)行彎沉測(cè)試,按文獻(xiàn)[10]提供的計(jì)算方法來(lái)反算回彈模量,見(jiàn)公式(1)。

(1)

式中:L0為彎沉值,0.01 mm;E0為回彈模量,MPa。

由表1可知,路床頂面回彈模量均>50 MPa,符合規(guī)范要求。

表1 路床頂面彎沉及回彈模量表

4.2 膨脹土路堤實(shí)體工程跟蹤監(jiān)測(cè)

通過(guò)埋設(shè)含水率探頭、測(cè)斜儀、剖面沉降儀、水平位移計(jì)、土壓力盒、溫度計(jì)等監(jiān)測(cè)元件,獲取路堤試驗(yàn)段在通車后路堤內(nèi)部水分、變形、應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況,對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。

(1)含水量監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖1中的觀測(cè)結(jié)果顯示,含水量最小值為24.9%(旱季),含水量最大值為42.2%(雨季),均出現(xiàn)在距離路基邊部水平距離為0.4～1.5 m的范圍。這表明越靠近路基邊部,其含水量所受外界干濕條件的影響就越明顯。其中以距路基邊部水平距離3 m為界,外側(cè)含水量所受外界干濕條件的影響波動(dòng)大,內(nèi)側(cè)含水率基本不受外界干濕氣候影響,含水量波動(dòng)小,穩(wěn)定性好,因此可驗(yàn)證兩側(cè)邊坡水平3 m范圍采用土工格柵加筋包邊或非膨脹土包邊合理且滿足要求。

圖1 各測(cè)點(diǎn)含水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(0.4、1.5、3、5、16 m指測(cè)點(diǎn)到路基邊的水平距離)

(2)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖2中的觀測(cè)結(jié)果顯示,沉降的最大值為75.9 mm,出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)到基準(zhǔn)管端距離25 m的測(cè)點(diǎn)上。越靠近路基中部,沉降量越大,且沉降量隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸變大,并在半年后基本趨于沉降穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 沉降管各點(diǎn)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)(1、5、10、15、20、25 m指測(cè)點(diǎn)到基準(zhǔn)管端的距離)

為有效控制利用膨脹土填芯路段的沉降,避免路基沉降過(guò)大反射至路面造成破壞,采用膨脹土填筑路堤有效高度不應(yīng)>6 m。

(3)垂直位移監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖3中的觀測(cè)結(jié)果顯示,路基的垂直位移均很小,最大值為0.55 mm(雨季),說(shuō)明路基脹縮幅度小,路基穩(wěn)定性好。

圖3 豎直位移觀測(cè)數(shù)據(jù)

(4)水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果。圖4中的觀測(cè)結(jié)果顯示,路基水平位移均較小,最大值為3.95 mm,出現(xiàn)在距離路基邊部水平距離0.4 m 的測(cè)點(diǎn)處,說(shuō)明此處脹縮影響較大,且距離路基邊部水平距離越近,水平位移值越大。但總體來(lái)說(shuō)都較小,滿足路基穩(wěn)定性要求。

圖4 不同位置各點(diǎn)水平位移觀測(cè)數(shù)據(jù)(0.4、1.5、3、4 m指測(cè)點(diǎn)到路基邊的水平距離)

(5)橫向偏移監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖5中的觀測(cè)結(jié)果顯示,路基頂面橫向偏移值最大為12.5 mm,橫向偏移值隨著路基深度增大而減小,不同深度各點(diǎn)橫向偏移值隨時(shí)間的變化規(guī)律基本一致,總的偏移值不大,均<15 mm,路基的總體偏移很小,無(wú)出現(xiàn)滑坡的可能。

圖5 不同深度各點(diǎn)橫向偏移值觀測(cè)數(shù)據(jù)(1、3、8、12、14 m表示測(cè)斜管上測(cè)點(diǎn)距離其底端的長(zhǎng)度)

(6)體積含水率監(jiān)測(cè)結(jié)果。

為了驗(yàn)證路堤底部范圍內(nèi)土體含水量受地下水的影響程度,故進(jìn)一步進(jìn)行路堤底部范圍內(nèi)土體含水量的監(jiān)測(cè),檢測(cè)毛細(xì)水或有壓力水進(jìn)入路堤填芯膨脹土的范圍,獲取地下水或有壓力水的作用規(guī)律,確定地下水、毛細(xì)水上升高度,如圖6所示。

圖6 體積含水率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

從圖6可知,路堤底部25 cm范圍內(nèi)土體含水率受地下水的影響最大,基本飽和;毛細(xì)水上升高度不超過(guò)0.7 m;壓力水的影響范圍不超過(guò)1 m;膨脹土底下鋪筑1 m碎石土作為隔水層,可顯著減小毛細(xì)水或有壓力水進(jìn)入路堤填芯膨脹土的范圍。

(7)造價(jià)影響分析。

根據(jù)試驗(yàn)段的填筑結(jié)果,對(duì)試驗(yàn)段利用膨脹土填芯處理與棄用膨脹土+取土填筑路基進(jìn)行了造價(jià)對(duì)比分析。試驗(yàn)段位于柳州高速過(guò)境線公路(羅城經(jīng)柳城至鹿寨段)工程K45+700位置,按取土運(yùn)距為25 km,棄土運(yùn)距為18 km,利用膨脹土方運(yùn)距為1 km以內(nèi)。每公里造價(jià)影響分析見(jiàn)表2。

表2 每公里造價(jià)影響分析表 單位:元/km

通過(guò)對(duì)比分析,“非膨脹性土包邊路堤”經(jīng)濟(jì)性最優(yōu),其次為“石灰改良膨脹土填芯+土工格柵包邊路堤”,均比“直接棄用膨脹土+取土填筑路堤”節(jié)省工程造價(jià)。因此通過(guò)改良膨脹土性質(zhì)或優(yōu)化路堤填筑組成方案,運(yùn)用于公路路基填筑可在很大程度上節(jié)省工程造價(jià)。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)采用稠度和濕法按照公路工程中重型壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn),采用經(jīng)過(guò)改進(jìn)的CBR測(cè)定方法評(píng)定膨脹土作為路基填料的性能指標(biāo)。

(2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、跟蹤監(jiān)測(cè)、查找相關(guān)文獻(xiàn)等評(píng)估路基外部條件干濕變化對(duì)當(dāng)?shù)嘏蛎浲恋挠绊懗潭?從而科學(xué)合理地確定膨脹土路堤的黏土包邊厚度。

(3)為避免毛細(xì)水或有壓力水進(jìn)入路堤填芯膨脹土的范圍造成膨脹收縮影響,需在膨脹土底下部筑隔水層并進(jìn)行隔水處理。

(4)為有效控制利用膨脹土填芯路段的沉降,避免路基沉降過(guò)大反射至路面造成破壞,從受力和沉降考慮,采用膨脹土填筑路堤有效高度不應(yīng)>6 m。

需因地制宜,對(duì)膨脹土路基采取合理處置方法,如摻石灰土改良、黏土包邊、隔水封閉、增設(shè)格柵加筋材料等物理處理技術(shù)的相互組合,可達(dá)到膨脹土在公路工程建設(shè)中的最佳運(yùn)用。