膨胀土路基处理

路 基 设 计 原 理 论 文

 题 目：膨胀土路基病害及其处理防治方法

姓 名：      朱 英 珍

学 号：     2012121269

膨胀土路基病害及其处理和防治方法

【摘要】通过对膨胀土的分类进行了详细的讨论，并对膨胀的土力学性质和工程特性进行了分类解析，提出了膨胀土地区公路遭受的主要病害及产生病害的原因。提出了几种常用的病害处理方法，并从设计施工方面提出了防治措施。

【关键词】膨胀土；分类；工程特性；路基病害；处理技术；防治措施

Abstract: According to the detailed discussion of bulgy soil classification, the bulgy soil is analyzed in two respects: mechanical and engineering. Firstly, proposed the major subgrade disease and discussion is made on the roads suffered from the bulgy soil performance. Secondly, It suggested some prevention and control measures from the aspects of design and construction.

Key words: bulgy soil; category; property；subgrade diseases; prevention and control measures

为适应我国经济的迅猛发展，公路的修建及其技术标准的相应提高显得越来越重要。在我国高速公路尤其在我国西部高速公路建设中，经常遇到要穿越膨胀土地质的情况。膨胀土是在自然地质过程中形成的一种多裂缝并具有显著膨胀特性的土体，它的成分主要有强亲水性矿物(蒙脱石和伊利石)组成。膨胀土吸水膨胀、失水收缩，并有反复变形的性质以及土体中杂乱分布的裂缝，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和大型结构物所产生的变形破坏作用，往往具有长期、潜在的危险，由于对膨胀土膨胀能力估计不足而造成公路病害的损失是相当惊人的。几十年来有近二十个国家遇到膨胀土的危害问题，其中美国、印度、南非、以色列、中国、澳大利亚和加拿大等国家尤为突出。据报道，在美国山于膨胀土问题造成的损失，比洪水和地震所造成损失的两倍还多。因此，研究膨胀土的分类及性质对正确采取工程措施确保工程质量，以及预防膨胀土的灾害具有重要意义。

1 膨胀土的分类

 在膨胀土地区进行工程建设，必须正确识别膨胀土，并准确判断膨胀土膨胀的强弱和工程的性质、特点，然后才能在工程设计和施工中做到有的放矢，采取切实有效的方法进行处理。以往的工程建设经验已经证明:有一部分工程病害是因为对膨胀土的判断失误，使得对膨胀土没有正确的处理，而导致工程病害的发生。因此要对膨胀土进行处置，首先必须对膨胀土进行正确的分类。

迄今为止，国内外提出的用于膨胀土胀缩等级评判的指标和相应的评判标准较多，归纳起来主要有以下几种：

柯尊敬标准

将膨胀土胀缩等级分为四级，评判指标为最大线缩率、最大体缩率和最大膨胀率(见表1)。

表1  柯尊敬膨胀土胀缩等级标准

将膨胀土胀缩等级分为四级，评判指标为塑性指数、缩限、鹏胀体变和小于0.001mm胶粒的含量(见表2)。

表2  美国膨胀土胀缩等级标准

膨胀土胀缩潜势分为三级，评判指标为液限和塑性指数(见表3)。

表3  膨胀土膨胀潜势标准

将膨胀土体积变化分为三级，评判指标为缩限和线收缩率(见表4)。

表4  膨胀土体积变化标准

将膨胀土胀缩等级分为三级(见表5)。

表5  杨世基膨胀土胀缩等级标准

将膨胀土胀缩等级分为三级，评判指标为自由膨胀率、膨胀总率和小于0.002mm粘粒含量(见表6)。

表6  交通部《公路路基设计规范JTJ013-95》标准

 总之，对膨胀土性质进行研究以及对它的准确分类是正确采取工程处理措施的前提，只有把膨胀土路段的膨胀土进行正确的分类，并结合工程的实际情况，才能找到一个实用而有效的膨胀土处理措施。

2 膨胀土的性质

膨胀土粘性含量很高，其中塑性指数Ip>17，多数在22~35之间；自由膨胀率般超过40%。膨胀土具有显著的吸水膨胀、失水收缩两种变形特性，一般强度较高，压缩性低，易被认为是较好的地基土。

2.1 膨胀土的工程特性大致可以归纳如下：

第一，胀缩性。膨胀土吸水后体积膨胀，使其上面的建筑物或路面隆起。如膨胀受阻即产生膨胀力，失去水分后体积收缩，造成土体开裂，并会使其上面的建筑物下沉。因为膨胀土不同于其他粘土的胀缩性，反复的干缩湿胀导致土体的有效凝聚力下降，使得土体的强度降低。    

第二，崩解性。膨胀土浸水后体积膨胀，在无侧限压力的条件下则发生吸水湿化。不同类型的膨胀土其崩解性不一样，强膨胀土浸入水后，几分钟很快就完全崩解；弱膨胀土浸水后，则需要经过较长的时间才能逐步崩解，且不完全崩解。

第三，裂隙性。膨胀土中的裂隙，主要叫分为垂直裂隙、水平裂隙与斜交裂隙三种类型。这些裂隙将土体层分割成具有特定几何形状的块体，如菱块状、短柱状等，破坏了土体的完整性。膨胀土路基边坡的破坏，大多与土中裂隙有关，且滑动面的形成主要受裂隙软弱结构面控制。文献认为裂隙的产生是由于膨胀土的胀缩特性导致的，由于反复的吸水膨胀、失水干缩，反复周期变化，导致土体结构松散，而结构的松散使得雨水进入，又为胀缩创造了条件。Bishop, Bjerrum认为由于裂隙性引起的应力集中和吸力下降等原因造成土层软化，导致随时间减小，引起土体的破坏。

第四，超固结性。膨胀土大多具有超固结性，天然空隙比较小，干密度较大，初始结构强度较高。超固结膨胀土路基开挖后，将产生土体超固结应力释放，边坡与路基面出现卸荷后膨胀，并常在坡脚形成应力集中区和塑性区，使边坡容易破坏。文献认为超固结性是膨胀土的一个重要的特征，这个特性是导致膨胀土边坡渐进性破坏的主要因素。

第五，风化特性。膨胀土受气候因索影响，极易产生风化破坏作用。路基开挖后，土体在风化作用下，很快会产生碎裂、剥落和泥化等现象，使土体结构破坏，强度降低。按其风化程度，一般将膨胀土划分为强、中、弱三层。

2.2 膨胀土的土力学性质

膨胀土主要是由强亲水性粘土矿物蒙脱石和伊利石组成的，是具有膨胀结构、多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性的高塑性粘性土。下面主要是从它的微观结构、渗透性、强度、和变形四个方面来进行研究的。

微观结构

土的微观结构的研究主要是运用X线折射法、差热分析法、染料吸附法、化学分析法、电子显微镜法等方法来研究土的微观结构。研究发现泥岩残积膨胀土地层面裂隙较为发达，它是土体吸水、失水的良好通道，是使膨胀土具有强烈的胀缩性能的重要原因。

渗透性

土的渗透性的研究主要是运用达西定律以及Brooks和Corey的经验公式来确定孔隙水和气的渗透系数。研究表明，土的饱和度增大，孔隙水的渗透系数增大，孔隙气的渗透系数减小。当土含水量小于最佳含水量，孔隙气的渗透系数减小的很缓慢；当土含水量接近最佳含水量时，含水量的微小增加将引起孔隙气的渗透系数的迅速减小；当土含水量等于和超过最佳含水量时，孔隙气的渗透系数基本为零，只有渗水。

强度

膨胀土的强度是指膨胀土的抗剪强度，现今的研究分为饱和土抗剪强度和非饱和土的抗剪强度。

第一，饱和土的抗剪强度理论。研究膨胀土的专家注意到，膨胀土的峰值强度相当的高，然而失稳的膨胀土土坡抗剪强度却往往低于其峰值。经过研究人们认为造成强度衰减的主要原因是膨胀土的工程特性:崩解性、胀缩性、裂隙性、超固结性的特点。

第二，非饱和土的抗剪强度理论。Fredlund认为，膨胀土工程问题解决的不成功是因为膨胀土是典型的非饱和土，而过去是运用饱和土力学的基本理论和原理来处理。因此人们应改用非饱和土的理论来研究膨胀土的工程特性。B他的非饱和土有效应力理论的基础上，提出强度计算公式：

x为经Bishop验参数，物理意义是单位面积上水压力作用的面积，其数值决定于土地类别、饱和度、干湿循环以及加载和吸力的路径，饱和土x=1，干土x=0，一般土0Fredlund把非饱和土视为四：固相、气相、液相和收缩膜，其抗剪强度的表达式为：

 式中势为强度包线的坡角，即吸力内摩擦角。

 卢肇钧继Bishop和Fredlund理论之后，分析抗剪强度的三个组成部分：粘聚力、摩阻力和吸附强度，提出了用膨胀压力来估算非饱和土吸附强度的关系式：

为吸附强度，即吸力所产生的附加强度：为膨胀压力；为内摩擦角。这个结论还有待证实。

变形

膨胀土的变形叫以分为两类:①外加荷载作用下的压缩变形;②外加荷载与气候共同作用导致土体产生湿胀干缩的变形。膨胀土的变形研究也叫分为饱和土理论和非饱和土理论。用饱和土理论研究膨胀土方面，我国轻工业部二院、中科院西北所等单位做了大量的工作。在运用非饱和土理论研究膨胀土方面，我国的研究人员也取得了可喜的成就。其中陈正汉建立了非饱和土固结的混合物理论；杨代泉建立了非饱和土的广义固结理论，它们的适用条件各不相同。

正是由于膨胀土的这些特性，使得膨胀土地区的高速公路经常遭受破坏。

3 典型病害类型

裂缝

裂缝是道路路面较为普遍的病害，而膨胀土路基常因土体失水收缩而形成反射裂缝，缝宽一般约为l cm~3 cm左右。由于路幅内土基含水量的不均匀变化，引起土体的不均匀胀缩，易产生幅度很大的横向波浪形变形。

纵裂  

路基填土达不到规范要求的密实度，同时路肩暴露于空气中，对大气物理作用特别敏感，干湿交替变化，路肩顺路线方向产生纵向开裂而破坏路基。

翻浆冒泥  

路基顶部受外营力(气候、温度等)作用，多次膨胀变弱，再经水浸泡溶胀，强度骤减，受力后形成水囊，使道床下沉挤入土中泥浆上翻冒出引起轨道变形。雨季路面渗水，土基受水浸并软化，在行车荷载作用下，形成泥浆，挤入粒料基层，并沿路面裂缝、伸缩缝溅浆冒泥。

剥落、冲蚀、泥流  

主要在公路路堑边坡地段边坡化，使土块破碎成细粒状、鳞片状剥落，在降雨或风地表径流作用下冲蚀坡面，特别在雨季，坡面风化松散土与坡脚剥落堆积物易形成泥流，常造成边沟与涵洞堵塞，严重时可冲毁路基、淹没路面。

坍肩  

机械碾压时，路堤外缘压不着，路肩部分土体压实不够，当有雨水渗入时，可使路基产生滑坍，使路肩错落而向路中心发展。

溜坍  

主要是边坡压实不够，表层风化、吸水过饱和，在重力与透压力作用下，沿坡面向下产生塑流状塌移而破坏路堤。

搓板

搓板是黑色柔性路面最常见的病害之一，除了因沥青面层材料及行驶车辆推挤作用等因素影响外，对于膨胀土地区道路，由于路幅内路基含水率不均匀变化而引起的不均匀收缩，使路面产生幅度很大的横向波浪变形，造成车辆行驶时发生剧烈颠簸震动，同时又进一步加剧路面搓板的形成。

路基下沉

雨水或地面径流沿裂缝下渗，使膨胀上路基受水浸膨胀软化后，发生崩解或强度衰减，在车载作用下基床翻浆冒泥，路基下沉，并促使混凝上路面板块错台、断裂。在上部路面、路基自重与汽车荷载的作用下，路堤易产生不均匀下沉，如伴随有软化挤出则可产生很大的沉陷量，不均匀下沉导致路面的平整度下降，严重时可使路面变形破坏，甚至屡修屡坏。

4 膨胀土路基处理方法

通过前面对膨胀土工程性质及产生工程病害原因的分析，基于对大量工程实践经验的总结，我们在这里提出几种常用的处理方法。

换填基床

换土法是膨胀土路基处理方法中最简单而且有效的方法。即挖除膨胀土，换填非膨胀土或砂砾土。换土深度根据膨胀土的强弱和当地的气候特点确定。由于各地的气候不同，各地膨胀土的临界深度和临界含水量也有所不同。换土深度为考虑受地面降水影响而使土体含水量急剧变化的深度，基本上在1~2 m，即强膨胀土为2 m，中、弱膨胀土为1. 5~ l m，具体换土深度要根据调查后的临界深度来确定。同时做到快速施工，保证路床不受地表水浸害。

路基两侧增设隔水墙

相对膨胀上路基和边坡而言，路基面层封闭性较好，雨水不易渗透浸入路基而产生膨胀，雨水多沿路基两侧路肩或边坡浸入路基。因此，在路基两侧增设隔水墙十分必要。隔水墙一般采用宽度0.4m~0.6m的2：8，夯实后铺设在基层以下1.0m~1.2m的深度内。

改良土质

改性处理膨胀土，掺石灰、水泥、粉煤灰、氯化钙和磷酸等。路基填料选择用弱膨胀土填筑路基时，可采用掺石灰方法处理，使土基稳固。膨胀土中加入石灰后，由于石灰水化产生大量钙离子，与膨胀土中的蒙脱石、伊利石等矿物层起吸附水作用，同时也把大量钙离子和溶液中析出的Ca( OH) z粒子吸附到其颗粒周围，这些作用形成石灰的水化物在膨胀土矿物颗粒表面聚集，经硬化结晶，形成一种防止膨胀颗粒内水外散和外水内侵的固化层。其结果将使膨胀土减弱亲水性，增加自身的稳定。

国内外大量试验表明:掺石灰的效果最好，由于石灰是一种较廉价的建筑材料，用于改良膨胀土较掺其它材料经济，故这种办法较常用，也是《公路路基设计规范》所提倡的方法。但因膨胀土天然含水量常较大，土中粘粒含量多，易结块，要将大土块打碎后再与石灰搅匀，大面积施工中有一定难度。此外，掺拌石灰施工时易扬尘(尤其掺生石灰)，造成一定环境污染。

湿度控制法

湿度控制法包括预湿和保持含水量稳定。为控制由于膨胀土含水量变化而引起的胀缩变形，尽量减少路基含水量受外界大气的影响，需在施工中采取一定的措施。如利用土工布或粘土将膨胀土路基进行包封，避免膨胀土与外界大气直接接触，尽量减少膨胀土内部的湿度迁移。水利工程建设中经常采用膨胀土预湿法，用水浸泡地基土或覆盖非膨胀土以达到膨胀土的湿度平衡。

封闭路基坡面或路肩

采用二灰上或三合土封闭，封上厚度15cm ,或采用土工合成材料封闭，但外侧需用0.5m粘上夯实。这种封闭防护措施施工简单、效果好，且造价低。此外，还可采用厚0.25m~0.30m浆砌片石封面，这种防护效果好，但造价高。

挡土墙防护

对于挖方路堑段，为防止坡脚处剪应力过大产生塑性破坏，可将挡土墙做成仰斜墙体，并与排水沟连成一体。这样，一方面可有效防止路面水渗入墙底软化路基，提高挡上墙承载能力以及抗滑稳定性;另一方面能够保护路基土不致因雨水浸入而引起膨胀。这种防护措施在局等级公路建设中普遍采用，且效果良好。

土钉锚杆护坡

土钉锚杆护坡是一种以土钉作为主要受力构件的边坡围护结构技术，它广泛应用于基坑围护工程中。土钉锚杆和坡面筋网架相结合，能对坡面起”框箍”作用，一方面抵制土体膨胀力，抑制湿胀变形，使坡面土的含水率、干重度保持在一定范围内；另一方面起到补偿作用，即使反复干缩湿胀使土体抗剪强度有所降低，但通过土钉锚杆使土坡面筋架对坡面施加预应力，边坡上体仍保持稳定。这种护坡技术施工难度较大、造价较高，对于膨胀潜势较强的高大路基边坡可在局部采用此法。 

设置抗滑桩

对于存在不良工程地质和水文地质路段，为了防止发生危害性较大的滑坡事故，在路基两侧宜采用单排或双排预制桩，并在桩体间加设冠梁、横向支撑等多种结构措施，以增强路基整体性和抗滑稳定性，提高支挡的效果。

通过上述分析，可以明显地看出，决定膨胀土路基病害的主要因素是膨胀土特性、水文条件、列车荷载，以及设计标准和施工质量。

5 膨胀土路基病害的防治措施：

随着列车密度加大，牵引定数加重，行车速度加快，列车动荷载对膨胀土路基病害的影响也随之增大，这是无法改变的事实。所以只能通过改良土质特性，改善水文条件，改进施工工艺和加强边坡防护等措施来防治病害。下面从设计、施工、维修三方面分别探讨膨胀土路基病害的防治措施。

第一，设计上提高认识，强化设计标准

 在路基工程设计中，膨胀土一般不宜作为路堤填料，特别是基床表层部分，应该严禁采用此种填料。但当缺乏其它填料而不得不采用时，必须采取以下措施：

  换填基床、改良土质。根据膨胀土特性的强弱，一般路堤基床换填中粗砂、砂性土厚0. 5～1. 2 m，两侧设干砌片石路肩(如图1所示)；或者在基床表层土厚0.5～0.8m范围内，掺入适量生石灰、粉煤灰等材料来改良土质。

图1  膨胀土路基换填基床示意(单位:rn）

 基床铺设土工布，避免雨水渗入同时对路基保湿。土工布一般为一布一膜两层土工布中间夹一层聚氯乙烯薄膜)，宽4 m。土工布与砂性土配合铺设，土工布底设0. 2 m厚砂垫层，顶部设0. 2~0. 3 m厚中粗砂或砂性土。

 提高路基设计密实度，减少路基沉降。设计采用重型击实试验的压实系数K，路基基床不应小于0. 91，基床以下填土不应小于0.86。

路堤边坡放缓，做好防护。边坡坡度一般根据膨胀土特性强弱、路堤高度、水文、气候条件等因素综合确定，适当放缓。边坡防护一般采用植被、植被配合圬工骨架或瓜了片覆盖坡面等措施。

第二，施工上加强管理，严控施工质量

强膨胀土稳定性差，不应作为路基填料；中等膨胀土宜经过加工、改良处理后作为填料；弱膨胀土可根据当地气候、水文情况及道路等级加以应用，对于直接使用中、弱膨胀土填筑路堤时，应及时对边坡及顶部进行防护。

高速公路、一级公路、二级公路等采用中等膨胀土用作路床填料时，应作掺灰改性处理。改性处理后要求胀缩总率小超过0.7为宜。

限于条件，高速公路、一级公路用中等膨胀土填筑路堤时，路堤填成后应立即作浆砌底护坡封闭边坡。当填至路床底面而时应停止填筑，改用符合规定程度的非膨胀土或改性处理的膨胀土填至路床顶而设计标高并严格压实。

用膨胀土作填料时，为增加其稳定性，可采用石灰处治，石灰剂量可通过试验确定，要求掺灰处理后的膨胀土，其膨胀总率接近零为佳。

用接近最佳含水量的中等膨胀土填筑路堤，但两边边坡部分要用非膨胀土作为封层。路堤顶面也要用非膨胀土形成包心填方。

膨胀土地区原地面处理。高速公路、一级公路路堤原地面处理应按下列规定办理：填高不足l m的路堤，必须挖去地表30~60cm的膨胀土，换填非膨胀土，并按规定压实；地表为潮土时，必须挖去湿软土层换填碎、砾石土、砂砾或挖方坚硬岩石碎渣，或将土翻开掺石灰稳定并按规定压实。

膨胀土地区路基辗压施工。根据膨胀土自由膨胀率的大小，选用工作质量适宜的辗压机具，碾压时应保持最佳含水量；压实土层松铺厚度小得大于30cm块应击碎至粒径Scm以下。在路堤与路堑交界地段，应采用台阶方式搭接，其长度小应小于2m，并碾压密实。

膨胀土地区路堑开挖。挖方边坡不要一次挖到设计线，沿边坡预留厚度30~50 cm层，待路堑挖完时，再削去边坡预留部分并立即浆砌护坡封闭。膨胀土地区的路堑，高速公路、一级公路的路床应超挖30~50 cm并立即用粒料或非膨胀土分层回填或用改性土回填，按规定压实，其他各级公路可用膨胀土掺石灰处治。

第三，维修上认真监管，坚持“防重于治，防治结合”的原则：

建立、健全路基变形观测体系，发现路基变形及时处理，不留后患。

及时疏通引排地表水，避免或减少地表水渗入路基，尤其对场路基更应注意。

加强路基植被管理，保证对坡面的有效防护。

结语

 对膨胀土路基要从设计、施工、维修方面建立综合防治病害体系，要从路基防水、保湿入手，防止路基反复变形；路堤无论高度如何，其边坡都应进行防护，且以柔性或柔性配合刚性坡面防护为主。对于尚未达到膨胀土指标，但具有膨胀性的粘土，设计时应比照弱膨胀土，用提高设计标准的方法加以处理。

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