膨胀土地区路基施工管理重点
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作者: 王延军
摘要：了解膨胀土的工程特性，认识其对路基施工所造成的危害，才能在施工管理中把握住重点，从而保证路基的稳定性。
关键词：膨胀土；工程特性；路基；病害
施工管理膨胀土是一类具有吸水膨胀软化、失水收缩硬裂的高塑性粘性土，它是在长期自然地质历史作用过程中形成的地质体，具有较大胀缩变形能力，即使在一定的负荷作用下，仍然具有胀缩变形能力。膨胀土通常处于非饱和状态，由于它遇水膨胀，失水收缩干裂的特殊工程性质，使得它“逢堑必滑，无堤不塌”，对工程结构物具有严重的破坏作用，特别是对高等级公路路基工程的破坏作用是不可低估的，并且这种破坏往往不易修复。我国是世界上膨胀土分布面积最广的国家之一，先后发现膨胀土危害的省、市、自治区已达20余个，尤其在北京―西安―成都一线东南的广大区域内，包括北京、河北、山西、山东、陕西、河南、安徽、江苏、四川、湖北、湖南、云南、贵州、福建、广西、广东等省、市、自治区的膨胀土分布危害最普遍，也最集中。随着我国交通事业的快速发展，为了保证公路在较长时间内路基的稳定和路面的平整度，达到安全、舒适行车的目的，必须解决因膨胀土而造成的一系列工程问题。结合工作实践，笔者想就膨胀土地区路基施工中一些突出问题，略谈一二。
一、膨胀土的破坏机理
膨胀土主要由强亲水性粘土矿物成分――蒙脱石和伊利石组成，是具有吸水膨胀和失水收缩及膨胀结构的高塑性粘性土。按照工程地质可分为强膨胀土、中膨胀土和弱膨胀土三类。膨胀土在天然状态下常处于较坚硬状态，对气候和水文因素有较强的敏感性，“晴天一把刀，雨天一团糟”、“天晴张大嘴，雨后吐黄水”等就是对膨胀土强度特性和胀缩特性规律通俗生动的描述，这种敏感性对公路路基工程的破坏常常具有多次反复性和长期潜在的危险性。美国工程界称膨胀土为“隐藏的灾害”。
膨胀土地基胀缩变形特点是动态变形，即在自然条件下，将自发地进行着缓慢的、无休止的及不规则的周期性胀缩变形，这种变形同时还伴随着胀缩应力的发生。膨胀土地基的胀缩应力，包括膨胀压力（P1）和收缩力（P2）。膨胀压力是天然状态土，在浸水时所产生的最大内应力，根据大量实验资料表明，膨胀压力与含水量关系密切，即浸水后所测膨胀压力的大小，与起始含水量及其变化密切相关，表现在缩限（W1）和胀限（W2）含水量区间范围内，即膨胀压力值随起始含水量的减少而增大，含水量减少得愈多膨胀压力就愈大。膨胀应力和膨胀应变是膨胀势能的两种不同表现形式。根据大量资料表明，在无水条件下，当控制土体变形时，膨胀应力显示最大值，而在允许变形的情况下，膨胀应力陨变形量的增大而减小，当变形达到最大值时，膨胀应力完全解除。
作为路基的膨胀土微分体的单块土样，浸水后，膨胀压力的作用方向应为三维向量。为便于讨论，假定膨胀土路基为均质土体，地基应力为均布荷裁，此时设膨胀压力（P1）为零，施工前，膨胀土路基含水量是相对稳定的，则膨胀土路基变形有两种情况：
1.当含水量均匀增加时，膨胀应力也相应增大，膨胀压力集中向上，均匀作用在基础底面上，表现为基础向上呈线性膨胀。
2.当含水量不均匀增加时，产生膨胀势差，作用于基底的膨胀压力与侧向膨胀压力大小不等，构成旋转力矩，使基础发生倾斜变形。
在失水条件下，作为微分体的单块膨胀土样，呈向心收缩，使体积减小，收缩是膨胀的逆反应，也是分子内力作用，可用收缩变形间接评定。膨胀土路基收缩变形也有两种情：
1.当路基土含水量均匀减少时，土体均匀收缩，其结果是使基础均匀下沉。
2.当路基土含水量均匀减少时，土体不均匀收缩，使部分基础悬空，变为偏心荷载，产生一定的挠曲变形。
二、常见的膨胀土路基病害
膨胀土地区的路堑、路堤，常常在各种营力作用下，发生坡面冲刷、崩落、崩塌、溜坍、滑坡等灾害：
1．坡面冲刷
坡面冲刷是膨胀土边坡上的松散风化土，在降水作用下，呈层状或小沟状侵蚀。冲刷切割的程度与风化深度相关。在一些路线上路堑边坡直接暴露的地方，每次大雨或暴雨后，往往有大量的泥流被带到坡脚准积，堵塞侧沟，甚至侵入线路。
2．崩落
崩落是暴露于大气中的膨胀土斜坡，干旱时土中水分不断蒸发、干缩开裂、逐渐地碎裂为小棱块状，且裂缝不断向下延伸。这些被裂隙所分割的土块，在重力作用下产生散落的现象。它常常使坡面破坏，危及路堑边坡的稳定。
3．崩塌
崩塌是发生在膨胀土网状裂隙发育的陡峻边披上，由于被裂隙所切割的块状土体，在失去平衡时而产生的崩落现象。崩落体一般规模较小，大者可达数m3。崩塌现象不论在干旱或者降雨季节均有发生。由于崩塌的发生，常使坡面破坏危及建筑物的安全。
4．溜坍
溜坍是膨胀土斜坡在饱水后顺坡面呈片状或碎散状溜坍的现象。溜坍厚度一般为数cm至20～30cm，或大于30cm，宽由几十cm至数m，或十几m。溜坍体一般为饱和的泥流，它顺坡面而溜滑。若边坡溜坍进一步发展扩大，或几个相邻的溜坍扩大、加深而相连，可发展成浅层滑坡。如阳安铁路线路曾做过的灾害统计显示，这一类灾害多达169处，为6579延长m，占整个膨胀土路提长度的五分之一多。此外，路堑边坡溜坍也较发育，由于溜坍的发生，常造成路堤塌陷，路堑边坡毁坏，导致铁路和公路不能正常使用。
5．滑坡
滑坡是膨胀土分布地区斜坡上经常发生的地质灾害。由于边坡开挖土体临空，坡脚支撑或软弱夹层被切断，胀缩效应与风化作用使边披土体结构破坏，强度衰减，在水的促滑作用下，使边坡土体丧失稳定平衡，沿一定滑面整体向下位移滑动。滑坡常在雨季发生，与降雨稍有稍后。滑面大多受软弱面制约，滑体裂缝密布，呈纵长式。有的滑坡从坡脚可一直牵引到达坡顶部，具有很大的破坏性。膨胀土滑坡主要与土的类型及土体结构关系密切，与边坡的高度和坡度并无明显关系。因此，试图以放缓边坡来防治滑坡几乎是徒劳的，必须采取其他有效防护加固措施。
三、膨胀土地区路基施工管理重点
膨胀土地区的路基施工，应根据设计要求、场地条件和施工季节，认真做好施工组织设计，严格执行施工技术及施工工艺规定。在进行基础施工前应完成场区土方、挡土墙、护坡、防洪沟及排水沟等工程，以保证排水畅通、边坡稳定。
1．路基施工
路基填筑应根据气候特点施工，旱季施工时，地表土经过蒸腾作用后含水量可低至缩限，若在填筑时用洒水的方法，土层表面已成黏糊状态，而下层仍较干燥，即使边洒水边翻拌，也相当困难，使土难以均匀湿润，导致碾压时含水量高的地方出现“弹簧”，水洒不到的地方无法碾压密实。根据工程的室内试验及施工实践，采用天然地表下一定湿度的土，并且在分层填筑时，下面一层完成后，填上面一层之前在下层表面适当洒水，补充水分蒸发，并使上下层能很好结合。由于气温高，蒸发量大，压路机作业必须跟进，使路基土尽快压实，这样可减小土壤水分蒸发，利于碾压、密实，碾压后，紧跟上层土，也减小了下层土裂缝的产生。到了雨季盛期，连日大雨，施工特别困难，施工完全陷于停顿。雨季后期，应将潮土晾晒若干天，再进行平整碾压，否则易产生“弹簧”。雨季施工期间，应保证做好路拱，路堤边的土壤应及时刮去，以免阻水，造成路基表面积水和集中水流的冲刷。
2．控制生石灰粉改性膨胀土的施工碾压含水量标准
灰土混合料的最佳含水量随生石灰剂量的变化而变化。由于生石灰消解时的吸水，闷料、击实土样烘烤过程中化学反应需要水，标准击实得到的最佳含水量比消石灰土小，不能以此作为灰土混合料现场碾压标准。很多文献报道，石灰改性膨胀土，应在最佳含水量时进行碾压，这一观点值得探讨。膨胀率随干密度增加而增加，随初始含水量的增加而降低，随垂直压力增加而减小。膨胀率随干密度和初始含水量的变化近似呈直线关系。试验研究表明，对石灰剂量为4％的灰土制作压缩和无侧限抗压强度试件，进行先抽气饱和（试样制件后立即抽气饱和，然后放入水中养护1天、7天和28天）与后抽气饱和（试样制备后，在一定温度下保湿养护至预定龄期的前一天抽气饱和）试验研究，试验结果表明：先抽气饱和试样的压缩模量和无侧限抗压强度比后抽气饱和的大。当含水率为14％时，7天龄期先抽气饱和的压缩模量和无侧限抗压强度比后抽气饱和的大1.5倍，而28天龄期的大1.75倍。先抽气饱和的试样，由于有足够的水分参与石灰与土进行的阳离子交换与吸附作用，有利于固化土的膨胀性，提高土的强度和水稳定性。
上述试验证明，合理的碾压含水量与干密度控制，对提高膨胀土、石灰改性膨胀土路基的强度与水稳定性至关重要。由于灰土胶结强度的形成，须在水的参加下进行，现场碾压含水量的控制既要考虑生石灰的消解需水量和击实过程中水分的散失，又要考虑有利于灰土固化凝聚力的生成和产生最小的干缩与湿胀变化。含水量小时，不利于胶结强度的形成；含水量大时，易产生大的干缩变形。考虑密实度对路基稳定性的影响，一般采用重型击实标准。在90％和93％区，压实含水量控制在比最佳含水量大2.5％～3％；在路床区，压实含水量控制在压实度所要求的干密度对应的含水量范围的上限，这应是合理的现场施工工艺和碾压控制标准。由于表层水分的快速散失是急剧干缩的前提，干缩几乎不在养生期产生，而是在干燥期。因此，灰土各层要连续施工；路床碾压后，养护7天，应立刻铺筑路面底基层。
3．控制路基压实度对于膨胀土来说，由于其土质的特殊性，压实工作也具有更重要的意义。我国现行规范单一强调达到高密实度，而未考虑土质特性差异及自然条件变化等因素。国外在土质条件好时，力求使路基达到高密实度，但当土质较差时，除限制某些土不能用之外，普遍降低密实度要求，视自然条件采用不同的压实控制指标。即使花了很大代价，按重型击实标准压实到规范规定的密实度，也不可能保持长久，因为在施工期间或通车以后，膨胀土均可吸水膨胀而使密实度降低，而且压实度愈高吸水后膨胀变形愈大。国外对修筑膨胀土路基，通常是采用较高含水量、较低密度的原则，即在轻型压实标准最佳含水量或略高的含水量下压实到较低的干密度。如美国就控制在比最佳含水量高5％左右的情况下压实到最佳密实度的88％～93％。国内一些公路部门综合考虑路基的强度要求、压缩变形、胀缩变形、施工可能等因素，认为压实含水量的控制应以平衡含水量为基础，建议取最优含水量的0.8～0.9倍或稠度为1.1～1.3时的含水量下压实，压实度应不低于轻型压实标准的95％。对于湿黏土路基，尤其是膨胀土路基，用单一压实度指标不能完全起控制作用，应增加指标如稠度、饱和度和强度指标等，可限制其不利因素，开发这种土的可利用性。
总之，对于这样一种破坏力巨大、影响公路建设的特殊土质，我们在施工时应着重从影响其物理力学性质变化的内在因素和外在因素上考虑，通过改变其工程特性，从而达到保持路基稳定性的施工目的。当然每一个工程都有其自身的特点及建设条件，因此施工管理的重点也应有所不同。
参考文献
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