膨胀土路基设计特点

摘要：本文分析膨胀土的判别分类、工程特性和路基处理技术的基础上，通过云南省红河（蒙自县）工业园区道路工程施工图设计中，通过对该地区进行地质勘测，发现该地区出露的地层主要为膨胀土，为了保证道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。所以，膨胀土的处理是本工程的重要课题。针对该工程的膨胀土路基处理办法，也为其他地区膨胀土路基设计提供参考和经验积累，有一定的设计参考价值。

关键词：膨胀土   路基处理

膨胀土【expansive soil】一般指黏粒成分主要由亲水性的蒙脱石和伊利石矿物组成，同时具有较大的吸水后显著膨胀和失水后显著收缩两种特性的高液限粘土。膨胀土的成因环境主要为温和湿润且具备化学风化的良好条件，在这种环境条件下，硅酸盐为主的矿物不断分解，钙被大量淋失，钾离子被次生矿物吸收形成伊利石和伊利石—蒙脱石混合物为主的黏性土。

膨胀土在我国的分布范围很广，根据现有的资料在广西、云南、河南、湖北、四川、陕西、河北、安徽、江苏等地均有不同范围的分布。在国外则主要分布在非洲和南亚地区。

1 膨胀土的判别分类

膨胀土判别应根据现场定性和室内定量两者相结合。按下列方法进行初判和详判：

(1)可根据下列膨胀土的工程地质特征表现进行初判：

①  土的颜色为灰白、灰绿色，棕、红、灰色、黄褐色等等。

②  网状裂隙极发育，有蜡面，易风化呈细粒状，鳞片状隙发育，常有光滑面和擦痕，有的裂隙中充填着灰白、灰绿色粘土。

③  粘土细腻，滑感特强以为主，粘土中含有少量粉砂，滑感较强，含较多钙质或铁锰结核，以钙质结核为主，在旱季呈坚硬或硬塑状态，在雨季粘滑。

④  出露于二级或二级以上阶地、山前和盆地边缘丘陵地带，地形平缓，无明显自然陡坎。

⑤  坡面常见浅层溜坍，滑坡，地面裂隙。当坡面有数层土时，其中膨胀土层往往形成凹形坡。新开挖（槽）壁易发生坍塌等。

⑥  浅层基础的单层或多层建筑物出现裂缝，且建筑物裂缝随气候变化而张开和闭合。

(2)膨胀土的详判采用自由膨胀率、标准吸湿含水率、塑性指数三项指标。

表1 膨胀土的判别指标

膨胀土的膨胀潜势，分为强、中、弱三级

表2 膨胀潜势的分级

2 膨胀土的工程特性

膨胀土的工程特性主要表现在以下几个方面：

（1）胀缩性

膨胀土吸水后体积膨胀，使其上的建筑物隆起，如果膨胀受阻即产生膨胀力；膨胀土失水体积收缩，造成土体开裂，并使其上的建筑物下沉。土中蒙脱石含量越多，其膨胀量和膨胀力也越大；土的初始含水率越低，其膨胀量与膨胀力也越大；击实膨胀土的膨胀性比原状膨胀土大，密实越高，膨胀性也越大。

（2）崩解性

膨胀土浸水后体积膨胀，发生崩解。

多裂隙性

膨胀土中的裂隙，主要可分为水平裂隙、垂直裂隙和斜角裂隙三种类型。这些裂隙将土层分割成具有一定几何形状的块体，从而破坏图的完整性，容易造成边坡的塌滑。

（4）超固结性

膨胀土大多具有超固结性，天然孔隙比小，密实度大，初始强度高。

（5）风化特性

膨胀土受气候的影响很敏感，极易产生风化破坏。在路基开挖后，在风化作用下，土体很快会产生破裂、剥落，从而造成土体结构破坏，强度降低。

（6）强度衰减快

膨胀土的抗剪强度为典型的变动强度，具有峰值强度极高而残余强度极低的特性。由于膨胀土的超固结性，初期强度极高，现场开挖很困难，然而随着胀缩效应和风化作用时间的增加，其抗剪强度又大幅度的衰减。

3 膨胀土路基的处理

（1）换填

挖除膨胀土，采用非膨胀土（砂类土、砾类土、块石等）作为路基填筑材料。

（2）化学改良

掺加水泥、石灰或粉煤灰对膨胀土进行改性处理

(3)包心法

采用粘土对膨胀土四周包封，减少外界干湿气候对膨胀土的影响，使膨胀土的湿度保持在较小的范围，使其强度不发生大的衰变。

4 红河工业园区道路施工图设计的处理

工程位于蒙自盆地内，大部分路段布线于田坝中， 蒙自盆地地层岩性主要为粘土、亚粘土、泥灰岩。其成因为第四系湖积粘土、亚粘土以及第三系湖积泥灰岩。从上至下，大致可分为四层，第一层：为褐红色粘土或亚粘土，坚硬～硬塑状；第二层：为褐黄色粘土或亚粘土，硬塑状，含10～20%铁锰结核；第三层为灰白夹浅黄色粘土或亚粘土，硬塑状，粘粒细腻，网格状裂隙发育，裂隙面多具有油脂状光滑面；第四层为泥灰岩强风化形成的粘土层，常为灰白色，其下为第三系泥灰岩。第一层、第二层物理力学性质指标相似，局部地段与下部第三层混和在起而具有弱膨胀性，其自由膨胀率Fs平均值为39%。液限、塑限指标常常较高，塑限平均值24%，液限平均值48%，一般不符合路堤填料标准。该两层分布于地表0～4.4米深度范围内。第三层为膨胀土，其自由膨胀率平均值为46%，具弱～中等膨胀性。分布于第一、二两层，两层之下，厚度一般大于15米。第四层为泥灰岩全风化形成的残积粘土，含泥灰岩碎石，其自由膨胀率平均值为34%。塑限平均值25%，液限平均值47%，分布于第三层之下，一般不可用做路堤填料。因此，沿线路堤填土用料须从别处借土。

由于蒙自、鸡街大气影响深度为4.50～5.00，大气影响急剧层深度为2.00～2.30米，膨胀土埋深小于5.3米的地段划分为不良地质地段，埋深小于2.4米的膨胀土地段为必须进行换土处置地段，浅埋基础不可直接置于膨胀土之上。

4.1路基设计要点

结合场地的地层结构及地基土的特性等综合考虑，场地地基的胀缩等级为Ⅰ～Ⅱ级，建议按Ⅱ级膨胀土地基进行设计，路基设计应避免大填、大挖，以浅路堑、低路堤通过为宜。

综合各种地基处理方案，本工程适采用换填法进行地基处理，换填的厚度及宽度以达到设计地基承载力为目的。

（1）填方区：填方前先清除覆盖于地表结构松散、承载力低且变形大的填筑土及种植土。基底采用60cm毛石换填，其上采用非膨胀土、碎石土，并按相应规范要求及时进行分层辗压夯实。同时，填土高度小于１ｍ时的，应挖除地表30～60cm的膨胀土，再进行填筑。路基换填详见图一。

（2）挖方区：路床超挖60～100cm，采用60cm毛石+20土夹石换填，并按相应规范要求及时进行分层辗压夯实。路基换填详见图二。

（3）高路堤地段：在道路坡脚设浆砌片石脚墙高1.2m，脚墙基础以粘土层为持力层，同时对地基及墙背地层采用非膨胀土进行换填处理，挡土墙应设变形缝和泄水孔，并对挡土墙的稳定性采取预防处理措施。

（4）路堑边坡：设截水边沟，其内喷播植草；挖深大于10m地段和强膨胀土地段设浆砌片石挡土墙，墙高2～4m，侧沟与挡墙砌为一体，以增强挡墙的稳定性。

5 施工要求

(1) 膨胀土路基特别强调“快速施工、及早封闭、注重防水"。所谓“快速”，是以保证质量、提高效率为目的的科学管理，绝不是不讲程序、忽视质量。以路堤填筑为例，除控制好填料的粒径、厚度、含水量外，关键是要注意分段施工，及时压实，使路堤自我封闭，把日晒雨淋对含水量的不利影响降至最低，用最经济的压实功能，获得最好的压实效果，减少路基边坡变形和坍塌。

(2) 膨胀土路堑边坡稳定是质量控制的重点，必须采取有效防范措施。路堑开挖后，原地层的天然平衡状态遭到破坏，其稳定性主要取决于膨胀土工程地质特征和水的作用，以及边坡高度和坡度。当水分沿裂隙渗入后，土质迅速发生膨胀、软化、崩解，降低土体的抗剪强度，使边坡趋于不稳定状态。工程在施工过程中，曾因暴雨影响，造成尚未成形或未进行防护的路堑边坡发生严重坍塌，个别地段自堑顶开裂下挫，整体下滑。后经建设、设计、监理和施工单位现场调查、会审，分别采取增设挡墙等措施，边坡才得以稳定。所以，路堑开挖前要做好截水沟，开挖后要及时防护，及时封闭，这是防止膨胀土路堑边坡坍塌的关键措施。

6 结束语

膨胀土是影响道路及其它构造物建设的一种特殊土质，在实际工程中，其破坏力是巨大的。解决膨胀土的问题，应根据实际情况选用合理的办法，保证构筑物的设计经济、安全、科学。一个工程有其自身的特点及建设条件，在红河工业园区道路设计中，处理膨胀土的措施等到了验证，改措施已显示出良好效果，有些对其功效尚需进一步实践证明。

主要参考文献：

[1] 《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）  人民交通出版社

[2] 《公路工程质量问题及防治措施》 人民交通出版社

[3] 《公路膨胀土工程》郑建龙 杨和平著 人民交通出版社