公路施工中膨胀土的特性与防治研究

姚猛代金玲

中图分类号：U416.1+67

摘要：本项目路线所经地带位于我国东部暖温带大陆半湿润性季风气候区。膨胀土是一种在公路施工中无法规避的地质类型。通过室内试验研究了膨胀土物理力学性质，并依据矿物组成成分划分类别。针对膨胀土在公路中的应用，提出相应风险规避和灾害防治措施。对类似工程具有一定的借鉴意义。

关键词：膨胀土 矿物成分分析 理化性质 防治措施

一、前言

公路路基膨胀土辨别标准依据是《公路路基设计规范》（JTGD-2004）：自由膨胀率（δef）大于40%，塑性指数大于15，标准吸湿含水率大于2.5，三个指标中有两项达到标准定为膨胀土。对于路基填筑中使用膨胀土的公路，如处理不当可能会造成路肩和停车道纵裂、滑塌等病害，甚至会出现由于胀缩不均造成的路面沉陷变形。本文以正在建设中的山东省临沂至至枣庄高速公路为例，通过室内试验和现场探查，分析阐述公路施工过程中常见的膨胀土的特征和参数，并提出了相应的防治方法。

二、工程背景

临沂至枣庄高速公路位于山东省南部，东起临沂市罗庄区徐家林附近，连接京沪高速公路，经临沂市罗庄区、苍山县、枣庄市峄城区、薛城区，至路线终点京福高速公路，全长约88.633Km。笔者所在第四合同段工程起点K44+389，终点K60+550，全长16.161公里，其中路基填方：利用土方210904方，利用石方635031方，借土方1158234方，借石方150505方；结构物台背回填172311方。因为沿线附近可取土资源紧张，部分路段路基填筑只能利用弱膨胀土。

本项目路线所经地带位于我国东部暖温带大陆半湿润性季风气候区。区域内具有较明显的大陆性气候特征，一年四季分明；年平均气温在13.1℃～13.7℃，极端最高气温40.O℃，极端最低气温为-23.4℃。路线区域内年平均降水量950毫米。1960年降水量最高达1449.2毫米，1932年降水量最小为455.3毫米。历年平均蒸发量为1749.7毫米。全年无霜期为189-212天之间，多年平均霜冻期为153天；土壤最大冻结深度为40厘米；年平均相对湿度为66％～72％。鉴于上述气候条件，路基填筑过程中若使用膨胀土而不进行合理处理，势必会对工程质量埋下隐患，直接影响公路的使用寿命，本区大气影响深度3.7m，急剧影响深度1.66m。因此，本文参考相关规范和工程实例，结合现场探查和室内试验，分析了公路沿线膨胀土的特性和相应的防治措施。

三、膨胀土的等级划分和试验

1. 膨胀潜势的分级

根据相关规范中膨胀土的等级划分标准，见表1，公路施工中所用膨胀土以弱膨胀土为主，部分属于中等膨胀土。根据膨胀土的等级划分可以有效辅助现场的膨胀土辨别，并采取相应的防治措施。

表1 膨胀潜势的分级

非膨胀土 弱膨胀土 中等膨胀土 强膨胀土

自由膨胀率δef（%） δef﹤40 40≦δef﹤60 60≦δef﹤90 90≦δef

标准吸湿含水率（%） Wf﹤2.5 2.5≦Wf﹤4.8 4.8≦Wf﹤6.8 6.8≦Wf

塑性指数 Ip﹤15 15≦Ip﹤28 28≦Ip﹤40 40≦Ip

2. 沿线膨胀土宏观特征

临枣高速公路沿线粘土基本上都具有膨胀性，部分粉质粘土也具有膨胀性，宏观特征如下：

黄褐色~棕褐色，局部地段混有灰色，呈杂色，局部地段中下部含铁锰质结核和小块姜结石，较密集，可塑~硬塑、韧性较强、刀切面光滑。稍湿~湿，干燥时上部垂直节理发育，下部网裂，挖出的土块干燥时开始发生网裂，进一步风化呈砂状。新开挖的沟渠边坡不到一年，干裂崩塌，逐渐成缓坡，据观察，多年形成的自然边坡坡度27°左右，边坡率1：2左右，因此膨胀土分布地区很少见到土坎。沿线膨胀土层厚度1.0~15m不等。

3. 物理力学性质：

通过公路施工现场取样，进行室内试验，膨胀土的主要物理力学性质见表2.

表2 沿线膨胀土物理力学性质

测试项目 弱膨胀土 中膨胀土 备注

自由膨胀率% 40~59.5 66.8~61.5

无荷载 膨胀率% 1.09~1.62 1.62~8.85

膨胀含水率% 25.1~31.8 26.6~32.8

有荷载 50kpa膨胀率% 0.09~0.28 1.07~3.21

膨胀含水率% 24.4~31.0 26.1~30.5

膨胀力kpa 14~19 26.0~26.3

膨胀含水率% 24.7~30.06 26.3~30.8

缩限% 10.2~14.1 9.8~13.9

收缩系数 0.059~0.115 0.067~0.128

收缩率% 0.78~0.98 0.77~1.11

体缩率% 0.19~0.29 0.2~0.35

膨胀总率% 0.85~1.92 2.18~3.98

大于0.002mm粘粒含量 12.2~13.4 14.7~15.5

标准吸湿含水率 2.62~4.78 4.97~5.13

阳离子交换量mmo／kg 258 313

矿物成分% 蒙脱石：5

伊利石：5 蒙脱石：10

伊利石：10

根据土工试验资料本区弱膨胀土δef：40~59.5%，WL一般37~57%，Ip一般15~26；中等膨胀δef：60~73%，WL一般40~58.9%，Ip一般15~27.9，个别样品δef略大于60%，但液限和塑性指数值很低，划到弱膨胀土范围。

4. 矿物成分

根据X光衍射测定资料，本区膨胀土为蒙脱石-伊利石型。

根据实验结果个别弱膨胀土胀缩总率和膨胀力偏高，主要是由于天然含水率较低，而部分中膨胀土的胀缩总率和膨胀力偏低，是由于天然含水率较高的关系，说明土体越干燥，遇水膨胀力和膨胀率也越大，反之越小，但含水率太大，土的强度变小，因此保持适当的、较稳定的湿度是关键。

三、膨胀土的防治措施

1. 弱膨胀土路段路基防治措施

清表后换填非膨胀土填筑路堤，压实，适当加宽路肩，放缓坡脚段的边坡坡率，换填非膨胀土封闭、保湿，边沟适当加宽，做好排水、防水措施。

（1）路边不宜种植吸水量大、蒸发量大的植物，可种植草皮或骨架植物护坡。

（2）临枣高速公路膨胀土路段均为填方路段且很大一部分地段填方高度大于6m，应预留一定的沉降量。

（3）沿线路堑段边坡大部分为岩质边坡，仅局部地段有薄壁粘土，粘土层边坡坡率可采用1：2，种植草皮护坡。

（4）地下水埋深较大、膨胀土层较厚的地段，受大气影响较大，病害较强，地下水位较浅地段，因为土层已经处于膨胀状态，如果保湿较好，对构筑物影响不大，但应保持适当湿度，较大时压缩性也增大，失水时收缩也大，地势低洼，季节性积水地段应做好排水系统。

弱膨胀土，经试验检测：胀缩总率2.11~1.93%超过0.7%，需改性处理，胀缩总率达到小于0.7才能做填料。

试验数据：对于弱膨胀土、中等膨胀土掺灰4%时，压实度93%时承载比已达到30.6~32.8%。回弹模量：166.27~172.27；压实度96%时承载比39.8~40.9%，胀缩总率小于0.7%。因此，本区膨胀土掺灰4%可满足填料的要求。

2. 膨胀土做路基填料防治措施

如果用弱膨胀土做路基填料，应采取必要的措施，建议如下：

（1）包盖封闭法：底部用灰土或风化岩垫层压实，膨胀土与非膨胀土交替分层摊铺，但膨胀土层边部摊铺非膨胀土层，分层碾压，最后用膨胀土封顶，适当加宽路肩，路肩及边坡用非膨胀土封闭，厚度1.5m以上，做好排水、防水措施。

（2）掺灰改性加固法：分层摊铺弱膨胀土，每层松土厚度25cm左右，上部按比例撒灰（根据试验结果可掺灰4%左右），用BMW路拌机拌匀，压实，压实厚度不大于20cm。边坡用非膨胀土包盖，以利于种植草皮生长，做好排水、防水措施。

（3）还可以采用NCS复合粘性土固化材料处理膨胀土，也可以用土工织物治理方法但成本较高。

三、结论

（1）查明了项目区域中的膨胀土理化性质。

（2）论述膨胀工程应用的可行性。

（3）提出了膨胀土应用的可行具体措施。