平果至南宁高速公路膨胀土路基处理技术研究
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作者:陈文政
摘要：膨胀土路基会因滑坡开裂、松动剥落等病害而损坏，严重变形会导致路基和路面不稳定甚至损坏，轻微变形也会降低道路行驶质量。文章以平果至南宁高速公路项目为例，基于相似的气候、环境等条件，结合南宁外环高速公路膨胀土路基处治方案进行对比分析，以期完善平果至南宁高速公路项目膨胀土路基处治方案，可为类似工况地区膨胀土路基处治技术提供经验参考。
关键词：膨胀土；路基施工；处理技术
中图分类号：U416.1+67-A-03-009-3
0 引言
在高速公路工程项目施工中，经常遇到膨胀土等相关不良地质条件。由于膨胀土具有在水环境变化的条件下可产生往复变形的特性，容易对路基施工的稳定性造成不利影响，导致路基路面和边坡破坏，且不易修复，因此要对其进行细致、严格的处理，以确保工程稳定和优质的施工质量。近年来，随着众多高速公路项目建设实施，如何进行膨胀土路基的处理也受到了公路工程建设者们的广泛关注，必须采取有效措施防止此类土质条件对路基施工质量造成的不利影响，促进高速公路全寿命周期效益最大化。
1 膨胀土的工程特性
膨胀土主要由亲水性矿物质组成，具有失水收缩和吸水膨胀两种变形特征，多次重复发生膨胀与收缩形变将导致膨胀土强度减弱，易固结性能差［1］。在公路工程建设中遇到这类土质，需采用一定的方法进行处理。因此，清晰全面地了解膨胀土的具体胀缩性能具有重要意义。引起膨胀土吸水膨胀和失水收缩主要有内外两种因素：内部因素主要是由于其含有亲水性矿物质，主要是SiO2、Al2O3、和Fe2O3，以及内部黏土含量、孔隙度、水分含量、微观结构和结构强度等；外部因素则主要在于降水、蒸发等气候因素以及压力、地形、绿化、阳光、温度等条件的影响。
膨胀土的水分转移与含水量变化是其产生胀缩的关键因素。通过精细测定膨胀土自由膨胀率以及压力膨胀率等参数的试验数据表明，膨胀土在膨胀率较低时，其含水量相对较高，这说明自由膨胀率测定在膨胀土工程建设中起着重要的作用。根据膨胀土中的化学成分、黏粒含量等不同而表现出的胀缩潜势的不同，按照《公路工程地质勘察规范》（JTG C20-2011），膨胀土可分为强膨胀土、中等膨胀土和弱膨胀土，主要是根据其塑性指数、自由膨胀率Fs和俗嘉湿含水率来进行划分，如：Fs≥90%为强膨胀土；60%≤Fs＜90%为中等膨胀土；40%≤Fs＜60%为弱膨胀土（见表1）。膨胀土处理应根据不同的膨胀土分级采用适宜的措施［2］。
2 膨胀土地基的处理原则
在地基施工工程中，膨胀土的处理一直是非常复杂且重要的。由于膨胀土遇水易变形，会影响边坡强度，对桥梁水利等众多工程建设造成严重的不利影响。此外，膨胀土由于自身密度低，含水量大，施工后在环境的影响下可能会造成路基沉降和大规模塌陷，影响工程质量。同时，对于弱膨胀土，遇水后可能在短时间内不会膨胀，但其经过一段时间后会转变为湿陷性土，对工程施工的影响也很大［3］。随着科学技术的快速发展，对于膨胀土危害原因的分析越来越清晰，为工程处治膨胀土提供了思路与方法。
膨胀土路基的一般处理原则是根据当地气候情况、土壤性质、膨胀收缩等级等，采取避免膨胀土膨胀，消除膨胀土膨胀收缩的不良特性，或采用防水保湿的措施，保证膨胀土中的含水量不变，从而防止地基的胀缩变形。
3 膨胀土地基的处理方法
3.1 换填法
该方法是将膨胀土全部或者部分挖掉，换填非膨胀土以消除或减小地基胀缩变形的一种方法，经常在膨胀土施工处理中采用。特定深度以下的膨胀土，其含水量受外界气候影响较小，因此换填深度必须根据区域气候特征和膨胀土的膨胀性强弱来确定。这里涉及两个概念，即临界深度和临界含水量：前者主要是指膨胀土在不受其他外界因素影响的情况下所处的深度范围；后者代表其在该条件下的含水量。由于区域气候条件差异较大，根据含水量确定换土深度的精度不够，但可以确定相应的范围。一般换填深度为1.0～2.0 m，中等和弱膨胀土换填厚度控制在1.0～1.5 m，而强膨胀土路基的换填厚度可取1.5～2.0 m。
3.2 改良法
该方法的实施主要是基于膨胀土与水泥、石灰等的化学反应，这些物质间相互反应有利于提升膨胀土的强度和水稳性［4］。按比例将石灰、水泥、砾石、粉煤灰等无机材料加入到膨胀土中，石灰发生反应形成碳酸钙，水泥硬化反应大幅度提高了膨胀土的塑性极限，从而提高膨胀土的强度。固化物与膨胀土的结合，会优化其吸水性能，加强其结构的稳定性和刚性。这些掺和料的加入使得膨胀土的亲水性降低，稳定性增强，从而可以消除或减小地基土体的胀缩变形。
3.3 防排水处理
该方法作为膨胀土地基处理的一种辅助方法，是在进行地基处理的同时做好防水排水措施。其主要是通过采用黏土或土工布密封路基，将膨胀土与外界的物质交换隔离起来，实现对膨胀土的防水处理；同时，及时引排地表水和地下水，可以防止路基浸水，从外部环境上杜绝膨胀土往复变形的发生，保证路基的稳定。
4 平果至南宁高速公路膨胀土工程概况分析
本项目主线采用高速公路标准双向六车道建设，设计时速为120 km，路基宽度为34.0 m（分离式路基时为2×17.0 m），途经广西平果市及南宁市武鸣区、隆安县、西乡塘区等2市3区县，路线全长约85.087 km。根据工程地质调查及勘探结果，勘察区膨胀性土主要分布于溶蚀平原区及微丘陵区，岩性为全新统上部的红黏土、黏土及冲积粉质黏土。
膨胀土勘察依据规范JTG C20-2011中的8.3.3～8.3.5条款，且符合广西壮族自治区地方标准《膨胀土地区公路勘察设计规程》（45/T 1829-2018）的规定，对沿线路基土质膨胀性进行初步判定、膨胀土分级和膨胀岩室内试验。勘察区推荐线共计有膨胀土25段，共计长度35.12 km，均属于中等膨胀土，土层厚度为0.8～20 m。
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按照《公路路基设计规范》（JTG D30-2015），处理条件是路堤高度＜1.5 m，根据膨胀土地基变形量采用非膨胀土或无机结合料处治土，深度≥0.5～2 m，以此作为确定膨胀土地基处理措施和处理深度的依据，如表2所示。
5 膨胀土路基处治方案
为探索南宁周边高速公路膨胀土路基处治方案，基于相似的气候、环境等条件，以南宁外环高速公路膨胀土路基处治方案作为对比，以期完善平果至南宁高速公路项目膨胀土路基处治方案。根据相关资料［5］，南宁外环高速公路膨胀土路基处治方案为：路堤填筑采用非膨胀土包边膨胀土填芯方案（如图1所示）及边坡土工格栅加筋膨胀土填筑方案（如图2所示），路堑边坡采用柔性支护方案。经过7年的通车运营实践表明，部分膨胀土路基处治仍存在较多不完善之处，引起部分边坡塌方，影响高速公路通行运营。
结合上述膨胀土地基处理方法，从技术、经济、环保等方面对比各方法的优缺点，改良法和包芯法虽然成本较低、环保效益较高，但从高速公路全寿命周期考虑，本项目确定膨胀土填方路基和挖方路基设计处治方案均采用换填法，膨胀土挖方边坡防护采用支撑渗沟+纵向盲沟+骨架护坡+挡土墙等防护方案。
在平果至南宁高速公路施工前，首先对路基土样进行膨胀性试验，特别结合CBR值试验和液塑限试验，通过对路基整体土性及结构分布的分析，确定了膨胀土路基以填方路基为主、挖方路基为辅，并进一步结合地勘资料，合理确定了膨胀土路基处治范围及深度。
根据《公路工程地质勘察规范》（JTG C20-2011）中的8.3.3～8.3.5规范条款及广西壮族自治区地方标准《膨胀土地区公路勘察设计规程》（45/T 1829-2018）规定，结合地勘资料并参考南宁地区经验，确定了平果至南宁高速公路膨胀土填方路基设计处治方案为：超挖换填、铺设防水土工布、路基填筑，即膨胀土填方路基清表后再向下挖除90 cm，换填110 cm厚石渣；然后铺设10 cm中粗砂保护层+防水土工布+10 cm中粗砂保护层，再填筑路基（如图3所示）。
平果至南宁高速公路膨胀土挖方路基设计处治方案为：超挖换填、铺设防水土工布、路床施工，即膨胀土挖方路基挖至路床底面以下60 cm，换填厚40 cm石渣，在其上铺设10 cm中粗砂保护层+防水土工布+10 cm中粗砂保护层，然后施工路床（如图4所示）。
平果至南宁高速公路膨胀土挖方边坡防护设计处治方案为：采用支撑渗沟+纵向盲沟+骨架护坡+挡土墙等防护方案，支撑渗沟宽1.5 m、深1.5 m，由干砌片石码砌，纵向间距为12 m，第一级边坡采用上挡墙防护，以上各级边坡采用骨架护坡+骨架内植生袋绿化防护（如图5所示）。
6 膨胀土路基处治实施要点
（1）在膨胀土路基施工前，有必要对路基土质进行取样试验，详细、全面地分析土质，核对是否与勘察设计资料相符。
（2）膨胀土路基施工应避开雨季作业，并做好各项保障措施后方可施工。
（3）上挡墙基坑开挖采用跳槽法施工，挖好后应及时砌筑；泄水孔采用直径为10 cm的PVC管，高于碎落台0.3 m，泄水孔后用碎石作反滤层；上挡墙及坡面防护间隔11.60 m设置2 cm宽伸缩缝一道，用沥青麻筋或胶泥填塞，并深入10～20 cm。
（4）每级边坡坡脚上30 cm处设置仰斜排水孔，采用直径为10 cm的HDPE管，间距为5～6 m，且伸入土体≥15 m。
（5）坡面防护应随开挖断面及时铺砌，雨天应采用塑料薄膜覆盖开挖后的坡面。
7 膨胀土路基处理实施效果
平果至南宁高速公路膨胀土路基处治工程已按设计方案实施完成。为了有效评估膨胀土路基稳定性，使用Midas GTS NX软件来模拟边坡稳定性，根据地区气象水文数据，采用日降雨量15 mm、70 mm、100 mm三个参数，通过雨水冲刷路基形变，可以看出整体稳定性以及随着降雨量的增加而产生的应力和应变。稳定系数分析表明，随着日降雨量的增加，稳定系数逐渐下降。根据模拟数据，边坡能够在当地气象水文条件下保持自身的稳定性。
平果至南宁高速公路膨胀土路基目前只经历一个雨季，后期实施效果还有待观察。目前现场观察效果较好，填方和挖方边坡较稳固，未出现塌方情况。
8 结语
（1）膨胀土的胀缩特性是导致路基路面、边坡破坏的严重因素，危害极大，如果不能有效处理，将严重影响工程的整体|量。
（2）在膨胀土路基施工前，要对路基土样进行全面而详细的分析。不仅要从技术、经济、环保等方面对比各方法方案的优缺点，还要仔细研究类似工况地区项目的经验，考虑高速公路全寿命周期，确保所选用的处治方案恰当高效。
（3）平果至南宁高速公路膨胀土路基以中膨胀土为主，考虑到膨胀土特性及南宁地区雨季长、雨量大等气候特点，有必要选用可靠的膨胀土路基处治方法。
（4）平果至南宁高速公路项目膨胀土路基处治方案效果有待进一步观察，而该方案为探索完善南宁周边高速公路膨胀土路基处治方案提供了参考，具有研究价值。
参考文献
［1］陈善雄，余 颂，孔令伟，等.膨胀土判别与分类方法探讨［J］.岩土力学，2005（12）：1 895-1 900.
［2］宁豪杰，郑 豪.膨胀土分布规律及工程地质特征分析［J］.工程技术研究，2020，5（18）：229-230.
［3］张忠海.高速公路膨胀土特殊路基设计研究［J］.科技创新与应用，2020（30）：92-93.
［4］赵月博.石灰改良膨胀土路基施工技术研究［J］.交通世界，2021（18）：114-115.
［5］杨和平，王 静，湛文涛，等.南宁外环膨胀土路基处治技术及设计方案研究［J］.岩土力学，2011，32（S2）：359-365.
作者简介：
陈文政（1986―），工程师，主要从事高速公路建设管理工作。
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