膨脹土公路工程病害及處治方案對策

1、膨脹土地區(qū)公路工程病害及其處治設(shè)計對策1、膨脹土定義膨脹土系指黏粒成分主要有親水性礦物伊利石、蒙脫石等組成，同時具有顯著 的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的高塑性黏性土。2、膨脹土的分布我國是膨脹土分布面積最廣的國家之一，主要分布在北京 西安 成都一線東 南的廣大區(qū)域內(nèi)，包括北京、河北、山東、山西、陜西、河南、安徽、江蘇、四川、 湖北、湖南、云南、貴州、福建、廣西、廣東等省、市、自治區(qū)的大部或一部分。 此外，在東北和西北地區(qū)也有零星分布。河南省膨脹土主要分布在南陽、平頂山、信陽大部，三門峽、洛陽、安陽、許 昌、漯河、駐馬店等地區(qū)也有零星分布。3、膨脹土的工程地質(zhì)特征3.1 地層及巖性特征一般產(chǎn)

2、出為老第四系及第三系地層，呈黃、褐、棕及灰綠、灰白色的硬塑至堅 硬的高塑性黏性土或黏土巖。3.2 地貌特征多分布在二級及二級以上的階地和山前丘陵地區(qū)， 呈壟崗和淺而寬的溝谷地形， 其坡度平緩，無明顯的自然陡坎。3.3 結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)致密堅硬，有裂隙分布，斷口光滑，土內(nèi)多含鈣質(zhì)結(jié)核，有時富集成層。3.4 地表特征分布在溝谷頭部、 庫岸和路塹邊坡的膨脹土常出現(xiàn)土塊剝落、 滑塌或淺層滑坡。旱季時在地表常出現(xiàn)裂縫，長可達(dá)數(shù)十米至近百米，深數(shù)米，雨季閉合。3.5 地下水特征膨脹土地區(qū)多為上層滯水或裂隙水，無統(tǒng)一水位。4、膨脹土的工程特性4.1 脹縮性脹縮性即膨脹土吸水膨脹失水收縮。土中蒙脫石含量越多，其脹

3、縮潛勢越大， 膨脹力越大。土的初始含水量越低，膨脹量和膨脹力越大。擊實土的膨脹性遠(yuǎn)比原 狀土為大，密實度越高，膨脹量和膨脹力越大。4.2 多裂隙性 膨脹土中的裂隙主要有垂直、水平和斜交三組，致使土體被分割成具有一定幾 何形態(tài)的塊體， 破壞了土體的完整性。 裂隙面光滑， 且多充填灰白色或灰綠色薄膜、 條帶或斑塊，其礦物成分主要是蒙脫石，有很強(qiáng)的親水性，具有軟化土體強(qiáng)度的顯 著特性，脹縮性大。4.3 超固結(jié)性 膨脹土地層多為老黏性土，超固結(jié)性明顯、天然孔隙比小、干密度較大、初始 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高。超固結(jié)膨脹土路基開挖后，將產(chǎn)生土體超固結(jié)應(yīng)力釋放，邊坡與路 基面出現(xiàn)卸荷膨脹，并常在坡腳形成應(yīng)力集中區(qū)和較

4、大的塑性區(qū)，導(dǎo)致邊坡容易失 穩(wěn)破壞。4.4 風(fēng)化特性 膨脹土受氣候因素影響，極易產(chǎn)生風(fēng)化破壞作用。路基開挖后，土體在風(fēng)化營力作用下，很快會產(chǎn)生碎裂、剝落和泥化現(xiàn)象，使土體結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度降低。按膨 脹土的風(fēng)化程度，一般將膨脹土劃分以下三層 : 強(qiáng)風(fēng)化層 : 位于地表或邊坡表層，受大氣營力與生物作用強(qiáng)烈，干濕作用顯著，土體碎裂 多呈砂礫和細(xì)小鱗片狀，結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)完全喪失，厚度 0.4-1.0 米。 弱風(fēng)化層 : 位于地表淺層，大氣營力與生物作用有所減弱，但仍較強(qiáng)烈，干濕效應(yīng)也較明 顯。土體割裂多呈碎石狀或碎塊狀，結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)大部分喪失，厚度 1.0-1.5 米。 微風(fēng)化層 : 位于弱風(fēng)化層之下，大氣營力與

5、生物作用明顯減弱，干濕效應(yīng)也不顯著，土層 基本保持有規(guī)則的原始結(jié)構(gòu)形體，多呈棱塊狀和短柱狀等，塊體結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)僅部分喪 失，厚度 1.0 米左右。大氣風(fēng)化作用影響深度 確定大氣作用影響深度， 可先求出膨脹土的濕度系數(shù)， 同時根據(jù)當(dāng)?shù)?10 年以上 的土的含水量變化及有關(guān)氣象資料統(tǒng)計求出。無此資料時，可按膨脹土地區(qū)建筑 規(guī)范GBJ112-87恤=1.152-0.726 a.00107式中：恤一膨脹土濕度系數(shù)，在自然氣候影響下，地表下1米處土層含水量可能達(dá)到的最小值與其塑限值之比；a當(dāng)年9月至次年2月的蒸發(fā)力之和與全年蒸發(fā)力之比值；c全年中干燥度蒸發(fā)力與降水量之比值大于1.00的月份的的蒸發(fā)力與降水量

6、差值之總和。我國部分地區(qū)蒸發(fā)力及降水量值，可按膨脹土地區(qū)建筑技術(shù) 規(guī)范GBJ112 87附錄二采用。大氣風(fēng)化作用影響深度，應(yīng)由各氣候區(qū)土的深層變形觀測或含水量觀測及地溫 觀測資料確定。無資料時，可按下表采用。大氣風(fēng)化作用影響深度表m土的濕度系數(shù)呱大氣風(fēng)化作用影響深度da0.65.00.74.00.83.50.93.0大氣影響急劇層深度大氣影響急劇層深度系指大氣影響特別顯著的深度，其確定可按上表中 大氣風(fēng)化作用影響深度乘以0.45采用。4.5強(qiáng)度衰減性膨脹土的抗剪強(qiáng)度為典型的變動強(qiáng)度，具有峰值強(qiáng)度極高和殘余強(qiáng)度極低的特 性。由于膨脹土的超固結(jié)性，其初期強(qiáng)度極高，一般現(xiàn)場開挖都很困難。然而，由 于

7、土中伊利石和蒙脫石礦物的強(qiáng)親水性以及多裂隙結(jié)構(gòu)，隨著土受脹縮效應(yīng)和風(fēng)化 作用的時間增加，抗剪強(qiáng)度將大幅度衰減。5、膨脹土詳判指標(biāo)及膨脹潛勢分級5.1膨脹土詳判指標(biāo)膨脹土詳判按照公路路基設(shè)計規(guī)范JTGD30-2004，采用自由膨脹率、標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水量在25 T和相對濕度65%條件下，膨脹土試樣恒重后的含水量及 塑性指數(shù)三項指標(biāo)：即自由膨脹率 Fs %40、標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水量 商%25、塑性指數(shù)Ip> 15。當(dāng)符合上述兩項指標(biāo)時，即應(yīng)判定為膨脹土。5.2膨脹潛勢分級膨脹潛勢的分級按照公路路基設(shè)計規(guī)范JTGD30-2004條文說明的表7-9。表7-9膨脹潛勢的分級級別分類指標(biāo)7非膨脹土弱膨脹土中等膨

8、脹土強(qiáng)膨脹土自由膨脹率Fs (%)FsV 4040< Fs< 6060w Fs< 90Fs90標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率(%)cof< 2.52.5W cjf< 4.84.8W 商 v 6.8GDf > 6.8塑性指數(shù)IpV 1515< Ip< 2828w Ip< 40I p406、公路工程病害及處治設(shè)計對策6.1路基工程 病害原因在填方路基路床采用CBR強(qiáng)度不符合規(guī)范要求膨脹土或改性土填筑，其脹縮性 和含水量不均，或挖方路基及零填路基未按規(guī)范要求作超挖換填，且路面結(jié)構(gòu)基 層和面層設(shè)計不當(dāng)、施工質(zhì)量差、路面積水嚴(yán)重及重型荷載車流量大等諸多因素 綜合作用

9、情況下，路面水會大量滲入，致使灰土基層和路床土基含水量不均而脹縮 軟化，產(chǎn)生幅度很大的波浪變形或鼓包。該病害形成的同時也可使灰土基層和路床 土基形成泥漿，擠入基層和面層，并帶出路面呈諸多灰土質(zhì)的小白點(diǎn)。該小白點(diǎn)擴(kuò) 大逐步成片發(fā)展為沉陷坑槽病害，最終使路面全破壞。 處治設(shè)計對策新建公路：特別對高等級公路，應(yīng)在切實作好路面結(jié)構(gòu)設(shè)計和防排水設(shè)計， 強(qiáng)化施工質(zhì)量監(jiān)測的前提下，對填方路基，當(dāng)填土高度小于路面與路床的總厚度時， 應(yīng)挖除地表0.3-0.6m基底膨脹土，并將路床換填灰土處理。若為強(qiáng)膨脹土，挖除深 度應(yīng)達(dá)到大氣影響深度；膨脹土作為路堤填料，應(yīng)符合公路路基設(shè)計規(guī)范JTGD30-2004；作為路床填

10、料，應(yīng)符合，且應(yīng)強(qiáng)調(diào)對強(qiáng)膨脹土、地下水發(fā)育、運(yùn)營中處理困難的挖方及零填路基，路床的換填深度應(yīng)加深至1.0-1.5米，并采取防滲和地下排水措施。表路床土最小強(qiáng)度和壓實度要求項目分類路面底 面以下 深度(m)填料最小強(qiáng)度(CBR)(%)壓實度(%)高速公路、一級公路二級公 路三、四級 公路高速 公路、二級 公路三、四級 公路一級公路填方路基00.3865> 96> 95> 940.30.8543> 96> 95> 94零填方及挖方路基00.3865> 96；> 95> 940.30.8543> 96> 95/既有公路病害：處治原則應(yīng)

11、宜早發(fā)現(xiàn)并及時處理，防止病害趨于嚴(yán)重。對初期病害宜酌情采取洗刨、填補(bǔ)或壓漿補(bǔ)強(qiáng)處治。對沉陷坑槽面積大于50%，路面已嚴(yán)重破壞，應(yīng)徹底翻修，按上述新建公路要求設(shè)計與施工。 病害原因在于膨脹土初期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，在施工時不易被粉碎，亦不易被壓實，在路堤 填筑后，由于風(fēng)化作用和濕脹干縮效應(yīng)，土塊崩解，在上部路面，路基自重與車輛 荷載作用下，路堤易產(chǎn)生不均下沉，如伴隨有軟化擠出，則可產(chǎn)生很大的沉降量， 尤以橋頭高填路堤不均勻下沉更為嚴(yán)重。不均勻下沉導(dǎo)致路面變形破壞。 處治設(shè)計對策新建公路：路堤填料要求與施工應(yīng)符合公路路基設(shè)計規(guī)范JTGD30-2004既有公路病害：可酌情采用換填、壓漿、水泥土攪拌樁及CF

12、G樁復(fù)合地基處 治。 病害原因路肩部位常因機(jī)械碾壓不到位，使填土達(dá)不到要求的壓實度，因而后期的沉降 量相對較大。同時，因路肩臨空，大氣風(fēng)化作用特別敏感，干濕交替頻繁，肩部土 體失水收縮遠(yuǎn)大于堤身，其風(fēng)化作用程度在路堤縱向上一致，故在路肩順路線方向 常產(chǎn)生縱向開裂，形成長數(shù)米至上百米的張開裂縫。裂縫寬2-5c m,其分布在路肩及其外1米左右，且多橫切過排水槽。該縱裂縫甚至可影響到路面，但其裂縫寬度 細(xì)小，多呈雁行式展布。除此，在路堤采用非膨脹土或改性土包邊設(shè)計時，由于包 邊土與路堤填芯的膨脹土兩者工程性質(zhì)差異較大，在施工中難易控制壓實度，則常 在兩土體結(jié)合部產(chǎn)生路面縱裂縫。 處治設(shè)計對策新建公路

13、：堤填料要求與施工應(yīng)符合公路路基設(shè)計規(guī)范JTGD30-2004， 應(yīng)不包括路床和上路堤部分既有公路病害：采用灌縫、人工重錘夯實、硬化路肩和斜坡防護(hù)。對包邊裂 縫，采用對裂縫開槽灌縫、開挖搭鋪鋼筋網(wǎng)回填處治。病害原因 作為膨脹土路堤填料，在隨著通車時間的延續(xù)，路堤經(jīng)過幾個干濕季節(jié)的反復(fù) 收縮與膨脹作用后，表層填土風(fēng)化加劇，裂隙發(fā)育，形成強(qiáng)風(fēng)化帶，當(dāng)有水滲入時， 其膨脹軟化，強(qiáng)度降低，導(dǎo)致邊坡局部塌滑，尤為高填路堤，易發(fā)生整體失穩(wěn)的滑 坡病害。設(shè)計處治對策新建公路：堤填料要求、坡率及平臺設(shè)計與施工，應(yīng)符合公路路基設(shè)計規(guī) 范JTGD30-2004既有公路病害： 可酌情采用填補(bǔ)夯實、 坡面防護(hù)、設(shè)置坡

14、腳檔墻等處治措施。病害原因 膨脹土挖方邊坡受氣候影響，極易產(chǎn)生風(fēng)化作用，其表層風(fēng)化尤為強(qiáng)烈，加快 產(chǎn)生碎裂、剝落和泥化病害，這在淺挖路基常見。處治設(shè)計對策 新建公路：作漿砌片石護(hù)面或拱形骨架防護(hù)設(shè)計，并強(qiáng)化排水及防滲措施。既有公路病害：按設(shè)計要求補(bǔ)做必要的防護(hù)工程及排水和防滲工程。病害原因膨脹土具超固結(jié)性，干密度大，初始強(qiáng)度較高，當(dāng)其開挖后，將產(chǎn)生土體超 固結(jié)應(yīng)力釋放，坡面出現(xiàn)卸荷膨脹，并常在坡腳形成應(yīng)力集中區(qū)和較大塑性區(qū)，導(dǎo) 致坡體失穩(wěn)。當(dāng)路基開挖后， 膨脹土受大氣因素影響極易產(chǎn)生風(fēng)化破壞作用， 形成風(fēng)化帶， 致使強(qiáng)度降低，不同程度地喪失結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)力，其坡體常沿風(fēng)化界面坍塌或滑坡。處治設(shè)計對策

15、新建公路： 膨脹土地區(qū)挖方邊坡發(fā)生坍塌或滑坡是常見病害， 是危及行車安全的主要問題， 特別是深挖方路基坡體失穩(wěn)滑動導(dǎo)致堵塞道路和危及行車安全事故多有發(fā)生。 對此，公路路基設(shè)計規(guī)范JTGD30-2004丨強(qiáng)調(diào)公路通過膨脹土地段時：“應(yīng)避免大填、大挖，以淺路塹、低路堤通過為宜。當(dāng)挖方邊坡高度大于 10米時應(yīng)進(jìn)行個別設(shè)計，必要時應(yīng)與隧道方案進(jìn)行比選”。邊坡設(shè)計應(yīng)遵循 緩坡率、寬平臺、固坡腳”的原則。固坡腳支檔應(yīng)視為最重要 環(huán)節(jié)，其設(shè)計方案可按公路路基設(shè)計規(guī)范JTGD30-2004丨表，或挖除大氣影響深度內(nèi)的膨脹巖土，回填灰土至基底標(biāo)高；邊坡坡率及平臺寬度可按公路路基 設(shè)計規(guī)范JTGD30-2004丨

16、表表膨脹土路塹邊坡支擋措施邊坡高度（m）弱膨脹土中等膨脹土強(qiáng)膨脹土< 6不設(shè)坡腳墻護(hù)墻、擋土墻> 6護(hù)墻、擋土墻擋土墻、抗滑樁樁基承臺擋土墻、 抗滑樁、邊坡錨固表膨脹土邊坡坡率和平臺寬度膨脹土類 別邊坡高度（m）邊坡坡率邊坡平臺寬度（m）碎落臺寬度（m）弱膨脹土v 61:1.5-1.06101:1.51:2.01.52.01.52.0中等膨脹 土v 61:1.51:1.751.02.06101:1.751:2.02.02.0強(qiáng)膨脹土v 61:1.751:2.02.06101:2.01:2.5> 2.0> 2.0設(shè)置完善的排水系統(tǒng)，強(qiáng)化截水溝、排水溝及邊溝防滲設(shè)計。邊坡應(yīng)

17、連續(xù)施工，并作好臨時排水系統(tǒng)。開挖后及時支擋和封閉防護(hù)，限制坡 腳出現(xiàn)應(yīng)力集中和塑性區(qū)。防護(hù)封閉可按公路路基設(shè)計規(guī)范JTGD30-2004表表膨脹土路塹邊坡防護(hù)措施邊坡高度（m）弱膨脹土中等膨脹土< 6植物骨架植物> 6骨架植物、植物防護(hù)、拱形骨架植物、支撐滲溝漿砌片石護(hù)坡加拱形骨架植物既有公路病害：完善防排水及防護(hù)措施，強(qiáng)化坡腳及坡體支檔加固措施，必 要時改為明洞方案。6.2 橋涵工程病害原因基礎(chǔ)埋深小于大氣影響層深度， 膨脹巖土產(chǎn)生風(fēng)化作同， 致使巖土體強(qiáng)度衰減， 也存在超固結(jié)應(yīng)力釋放，基底卸荷回彈和膨脹現(xiàn)象；基底應(yīng)力大于地基承載力設(shè) 計的基礎(chǔ)面積不夠或未作地基處理丨；未作防滲

18、設(shè)計或防滲設(shè)計有缺陷，致使地基 有不均勻浸水而軟化。設(shè)計處治對策 新建公路：應(yīng)考慮大氣急劇影響深度內(nèi)膨脹巖土不宜作持力層；在大氣影響 深度內(nèi)的膨脹巖土作地基持力層時，應(yīng)考慮其脹縮變形和強(qiáng)度衰減的不利影響。對 此，設(shè)計的基礎(chǔ)埋深宜大于大氣影響深度，或挖除大氣影響深度內(nèi)的膨脹巖土，回 填灰土至基底標(biāo)高。宜采同整體基礎(chǔ)，或酌情對地基進(jìn)行處理。強(qiáng)化防排水及防滲 措施。 既有公路病害：完善防排水及基礎(chǔ)外補(bǔ)作防滲措施，基底壓漿或采取托換等 措施。病害原因 地勘資料對大氣影響層深度內(nèi)的膨脹土的樁側(cè)摩阻力參數(shù)取值偏高，致使設(shè)計 的單樁豎向承載力小于上部荷載。設(shè)計處治對策 新建公路：作好排水及防滲設(shè)計。單樁豎向承載力設(shè)計時，對大