膨脹土的特性分析與路基設計措施

李志波

摘要：膨脹土的特點是巖土中含有大量的親水性粘土礦物成份，在環境濕度變化影響下，可產生強烈的脹縮變形。邯鄲是膨脹土的集中分布區，需要針對膨脹土特點，采取有針對性的防治設計措施，確保路基設計整體可靠性，并達到最佳效果。

關鍵詞：膨脹土 特性分析路基設計

中圖分類號：U448文獻標識碼： A

1膨脹土的主要工程地質特征

1.1 膨脹的粘土礦物成份主要為蒙脫石和水云母等親水性較強的礦物，具有吸水膨脹，失水收縮的性。其中蒙脫石含量愈高，土中扁平顆粒定向度愈強，其脹縮性愈強。此外，土的初始含水量和干密度也對其脹縮性有明顯影響。初始含水量愈大，干密度愈小，其膨脹量愈小，收縮量愈大；反之，膨脹量愈大，收縮量愈小。因此，在工程中可利用往膨脹土中摻加非膨脹土或白灰和粉煤灰的方法降低其脹縮性，也可采用溫度控制的方法，減少其脹縮量。

1.2 多裂隙性

膨脹土由于吸水膨脹，失水收縮，使土體中裂隙發育。裂隙面是土體中的主要軟弱面，大多數膨脹土滑坡均是循裂隙面發展而成。膨脹土中軟弱裂隙面的存在是土體失穩破壞的主要原因。

1.3 強度衰減性

膨脹土的抗剪強度具有典型的變動強度特征，其天然峰值強度極高，殘余強度極低。此外，膨脹土強度衰減還與氣候條件及施工條件有關，一般雨季衰減快，旱季衰減慢；開挖面大，在空中暴露時間長，其強度衰減快。因此膨脹土路基盡量選在旱季施工，不要采用全斷面開挖，開挖后要及時封閉。

1.4 超固結性

膨脹土形成年代較早，在漫長的地質歷史過程中曾經經受過比目前的上覆壓力大的荷載作用，已達到完全或部分固結的程度，具有較大的結構強度，呈超固結狀態。其初始強度高，但風化后強度衰減很快。

1.5 崩解性

膨脹土吸水后體積膨脹、軟化、解體。一般強膨脹土崩解快，弱膨脹土崩解慢。初始含水量愈高，土崩解愈慢；反之，崩解愈快。

1.6 風化性

膨脹土因富含親水性粘土礦物，具有非水穩性和多裂隙性，對水、熱特別敏感，暴露于大氣中后很快會產生風化。膨脹土風化程度由地表向下逐漸減弱，一般可分為3個帶；

（1）強風化帶 位于表層，厚1.0m，裂隙極發育，土體呈松散碎石或砂粒狀；

（2）弱風化帶 位于強風化帶下，厚1.0～1.5m，裂隙發育，呈張開狀，土體呈碎塊狀；

（3）微風化帶 位于弱風化帶下，厚大于1m，裂隙不太發育，呈閉合狀，土體呈棱塊和短柱狀。

膨脹土中的風化帶分界面是一個主要的軟弱面，膨脹土邊坡的破壞大多沿此面發生。

2膨脹土地區公路路基病害及成因分析

2.1 路塹變形破壞類型

（1）沖蝕坡面松散表土在集中水流沖刷侵蝕作用下，沿坡面形成的溝狀沖蝕現象。主要發生在雨季。

（2）剝落路塹邊坡表層強風化土體在重力作用下沿坡面滾落的現象，主要發生在旱季。

（3）溜塌邊坡表層強風化層內的土體，吸水膨脹軟化，處于過飽和狀態，在重力與滲透壓力作用下，沿坡面向下產生塑流狀塌移的現象。常發生在雨季。

（4）泥流坡面松散土粒與坡腳剝落堆積物，被水流裹帶搬運形成。常堵塞邊溝或涵洞，嚴重者可沖毀路基，淹埋路面。

（5）坍滑邊坡淺層膨脹土體，在濕脹干縮效應與風化作用影響下，土體強度衰減，穩定性變差，沿一定滑面整體滑移并伴有局部坍落的現象。

（6）滑坡邊坡土體開挖后，由于坡腳支撐或軟弱夾層被切斷，在脹縮效應與風化作用的影響及水的促滑作用下，邊坡土體喪失穩定平衡，沿一定滑面整體向下滑移的現象。

2.2路堤變形破壞類型

（1）沉陷主要由于填土壓實不夠，膨脹土濕脹干縮效應和崩解引起。

（2）縱裂路肩順線路方向產生的縱向開裂，主要由于該部位填土壓實不夠，路肩臨空，受風華作用，影響面大，干濕交替頻繁引起。

（3）坍肩坍肩主要是由于路肩土體壓實不夠，又處于兩面臨空，易受風化作用影響，強度衰減所致。

路堤變形破壞類型除上述幾種外，還有溜塌、滑坡等，其主要由于表土壓實不夠，風化劇烈所致。

綜上所述，膨脹土路基變形破壞主要是由于膨脹土表層風化效應、濕脹干縮效應及軟弱結構面效應所引起。此外，路堤填料選擇不當，施工時壓實不夠都會引起路基病害。因此，在進行膨脹土路基設計時要密切注意這些問題。

3膨脹土地區的公路路基設計

3.1路基主體設計

路基主體設計包括路堤和路塹的外形設計及路堤填料選擇，要滿足穩定、環境和經濟要求。

（1）路堤

應選用非或弱膨脹土作填料，用中膨脹土作填料需進行改性處理或做成包心路堤。同一類型的土最好填筑在同一層，壓實度要均勻。脹縮性較大的土最好填在下部，上部為非或弱膨脹土，其目的是利用自重限制膨脹。

由膨脹土填筑的路堤一般不能過高，邊坡坡度不宜小于1：1.75，一般采用直線或折線坡。高路堤應設邊坡平臺，平臺上要設排水溝。

（2）路塹

膨脹土路塹設計視膨脹土類別和邊坡高度而定。中一弱膨脹土矮邊坡一般采用直線或拆線坡，強膨脹土路塹或高邊坡采用臺階形邊坡。邊坡平臺依軟弱面位置可設一道或多道，平臺上設排水溝或支擋設施。邊坡坡腳要留邊溝平臺，防止邊坡垮落物堵塞邊溝，影響排水。

膨脹土邊坡坡度視膨脹土類別和坡度而定，可參考規范辦理。

3.2 路基防護與加固設計

膨脹土地區路基病害大多發生在邊坡上，所以其路基防護與加固設計主要為邊坡防護與加固設計，有坡面防護和支擋工程兩類。

（1）坡面防護工程

坡面防護工程是針對膨脹土易隨含水量變化產生脹縮變形和易風化的特征，采取的一些坡面防護措施，主要有植物防護、片石護坡等：

①植物防護用于坡面防水保濕和防水流沖刷，主要措施有植樹、種草、鋪草皮等，其中以鋪草皮和種紫穗槐效果最佳。當邊坡高度不大時，植物防護可單獨使用；當坡高較大時，可配合其它防護措施一起使用。對風化層較厚或易風化、易產生脹縮變形的強膨脹土邊坡，當坡高不大時，應盡量采用扎根深、固著力大，蒸騰量小的植物防護。植物防護是一種柔性防護，它可適應膨脹土邊坡較大的脹縮變形，又能起到減緩風化、減輕水流沖刷、美化環境的作用。因此，應盡量多采用適宜的植物防護，充分發揮其綜合效能。

②骨架護坡用于防止坡面表土沖刷，加強風化層土體的支撐穩固作用。用于風化層較淺的膨脹土邊坡，骨架形式有方格型、拱型和人字型3種。一般采用片石砌筑，骨架內鋪草皮，種紫穗槐或抹面。由于骨架嵌入坡面深度小于1.0m，所以當風化層厚度大于1.0m時，應設支檔工程。

③片石護坡用于整治已產生局部溜塌變形的邊坡，有干砌和漿砌片石兩種。干砌片石用于已變形的坡面嵌補，恢復坡面的完整。漿砌片石護坡整體強度較高，自重較大，對抑制土體膨脹有一定效果，同時，也可起到防風化作用。應注意的是漿砌片石護坡必須設泄水孔，防止坡后積水引發脹縮變形。

④全封閉護坡有混凝土抹面和混凝土預制塊護坡兩種。用以防止表土風化和表水沖蝕坡面，混凝土塊還具有抑制膨脹的作用。但全封閉護坡不能排出坡內水流，且混凝土隔熱性差，因此不適用于滲水邊坡。

（2）支擋工程

支擋措施主要有擋墻、抗骨樁、片石垛等，用于防治有可能下滑的土體。一般用于風化層較厚的強膨脹土邊坡，也用于滑坡治理。支擋措施可依軟弱面位置設置一道或多道，其埋深要穿過風化層或軟弱層深度，基礎要牢固。

支檔措施一般和其它坡面防護措施一起使用。

3.3 路基排水設計

水是影響路基穩定的主要因素，膨脹土對水尤其敏感，只要土中含水量有1%的變化，就會引起土體發生脹縮變形。此外，水對邊坡還有沖蝕和引起風化的作用。因此，在膨脹土地修建公路必須要設置完善的排水系統，并保證其發揮效能，運轉良好。

膨脹土路堤要設置坡腳排水溝，排除路基附近的地面水；高路堤要在邊坡平臺上設排水溝，減少沖刷下部坡面的水量并設支撐滲溝排除堤內水。

膨脹土路塹要設邊溝排水；每級邊坡平臺均要設排水溝，減輕坡面水對下部邊坡的沖蝕作用；塹頂上方要設一道或多道截水溝，排除流向路基的地面水。且塹頂上方一定范圍內不得有蓄水設備，否則要做好防滲工作；邊坡內地下水可由水平孔或支撐滲溝排除。

當地基地下水位較高時，可于排水溝或邊溝下設置盲溝，以降低地下水位，減輕其對路基的不利影響。

膨脹土地區的排水溝比一般地區的排水溝斷面要大要深，并且均漿砌加固，防止滲漏。排水縱坡要略陡一些且橫向排水的距離不能太長。路基要及時設置橫向排水設施，如吊溝、渡槽等，以使可能威脅路基安全的水盡快排離路基。排水溝要定期清淤，防止淤塞溢水。

3.4環保設計

（1）植物防護膨脹土路基邊坡如有可能盡量采用植物防護，尤其扎根深、固著力強的植物。植物防護是一種柔性防護，具有防水保濕、防風化、防水流沖蝕的特性，又可起美化環境、凈化空氣、調節氣溫的作用，是一種綜合性的防護措施，也是目前路基防護的主導潮流。

（2）植樹造林膨脹土路基除了要采用正確的路基主體設計、路基防護加固設計和排水設計措施外，還要注意路基外圍的環境保護工作，如植樹造林等。植物根系可固著土壤，減少水土流失；植物還可起到降低水流流速，減小其沖蝕能力的作用。

4 結語

膨脹土是一種工程地質性質非常復雜的特殊土，對環境（尤其水）的變化非常敏感，具有易風化、易產生脹縮變形、多裂隙和強度衰減等特征。因此在膨脹土地區修建公路，要針對膨脹土的特點和具體情況進行合理的設計。