蘇 偉，文暢平，陳宗輝

（中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

0 引 言

膨脹土是在自然地質(zhì)變遷中形成的一種多裂隙、易風(fēng)化、顯著脹縮、反復(fù)破壞的特殊性黏土，其黏粒成分主要由親水性礦物蒙脫石和伊利石組成，對(duì)環(huán)境的濕熱變化敏感，土體遇水極易破壞［1－3］。因此，膨脹土不能直接用于路基填筑，并應(yīng)防止其因裸露在空氣中受外界氣候的影響引發(fā)濕脹干縮的惡性循環(huán)，從而導(dǎo)致一些地質(zhì)災(zāi)害如路基局部坍塌、隆起、裂隙，以及路基邊坡表層滑坡和路面隨季節(jié)變化的大幅度波浪變形等問(wèn)題。

工程中對(duì)膨脹土的處治方法主要有：換填法、摻無(wú)機(jī)結(jié)合料改性法、包邊法、土工織物加固法、“三明治”互層法等，這些處治方法都已成功運(yùn)用于實(shí)際工程中，但具體處治方法的選擇還需結(jié)合土性及施工環(huán)境等因素［4－7］。

益婁高速公路的膨脹土經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)初步判定為弱中性膨脹土，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步物理力學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其整體趨于弱膨脹土，同時(shí)益婁高速公路兩邊多農(nóng)田村莊，運(yùn)土棄土較為不便。為保證工程的經(jīng)濟(jì)性、可操作性、生態(tài)環(huán)保性等，綜合分析決定采用石灰改良膨脹土的包邊法進(jìn)行處治。本文基于益婁高速公路項(xiàng)目對(duì)石灰摻量、包邊材料、處治厚度的確定進(jìn)行研究。

1 工程概況

益婁高速公路二標(biāo)至五標(biāo)以及十二標(biāo)段之間斷續(xù)分布有厚薄不等、具有弱中等級(jí)的膨脹土。主要分布路段包括K9＋500～K25＋300、K26＋692～K39＋000、K41＋600～K41＋750、K93＋600～K96＋280等，總計(jì)約71.8萬(wàn)m2。

2 膨脹土等級(jí)及物理力學(xué)特性

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

膨脹土分布具有地域差異性，工程特性因地而異，處治方法也不盡相同。本文通過(guò)試驗(yàn)研究膨脹土具體的表觀特性、膨脹性、物理力學(xué)特性等，以準(zhǔn)確把握益婁高速公路膨脹土的工程特性并確定合理的處治方法。

2.2 試驗(yàn)方案

2.2.1 試驗(yàn)土樣

根據(jù)益婁高速公路特殊路基設(shè)計(jì)工程數(shù)量表，試驗(yàn)土樣選擇在膨脹土主要集中路段，取樣深度在1.0～6.0m，針對(duì)性取回32個(gè)代表性土樣。

2.2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

探討益婁高速公路膨脹土的表觀特性，為直觀判別該地區(qū)膨脹土提供經(jīng)驗(yàn)；根據(jù)膨脹性試驗(yàn)、液塑限聯(lián)合試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率試驗(yàn)對(duì)膨脹土進(jìn)行分級(jí)判別；通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)等進(jìn)一步把握益婁高速公路膨脹土的工程特性。

2.2.3 試驗(yàn)方法及依據(jù)

試驗(yàn)方法參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）、《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）等。判別依據(jù)為《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）、《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20—2011）等。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 土樣的表觀特性

通過(guò)對(duì)土樣顏色、成分、手摸感、干濕硬度等觀察，對(duì)取回土樣進(jìn)行編號(hào)、分類(lèi)、分析，具體土樣的表觀特性描述見(jiàn)表1。

表1 32個(gè)代表性土樣表觀特性描述

2.3.2 膨脹土的分級(jí)判別

首先對(duì)取回的32個(gè)代表性土樣進(jìn)行初步判別，判定土樣是否可能為膨脹土，判別的指標(biāo)為：土壤的顏色、成分、干濕狀態(tài)等。然后，對(duì)32個(gè)代表性土樣進(jìn)行詳判，驗(yàn)證初步判別的準(zhǔn)確性并確定膨脹土的膨脹潛勢(shì)，詳判指標(biāo)為自由膨脹率、塑性指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率，判定依據(jù)為《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20—2011）［11］。采用初判和詳判結(jié)合的判別方式，不僅可為表觀判別提供經(jīng)驗(yàn)參考，而且可使判別更具有條理性、針對(duì)性，避免造成漏判、錯(cuò)判。膨脹土的判別結(jié)果見(jiàn)表2。

2.3.3 膨脹土的工程特性

膨脹土的工程特性通過(guò)其自身的物理力學(xué)特性顯現(xiàn)。本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)益婁高速公路弱、中級(jí)膨脹土的物理力學(xué)特性進(jìn)行研究，試驗(yàn)參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）。膨脹土的物理力學(xué)特性見(jiàn)表3、4。

2.3.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為確定所取回32個(gè)土樣是否為膨脹土及相應(yīng)的膨脹等級(jí)，試驗(yàn)從自由膨脹率、塑性指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行判斷。由試驗(yàn)結(jié)果可知，所取回土樣78%屬于膨脹土，其中弱膨脹土占62.5%，據(jù)此推斷益婁高速公路存在的大量膨脹土以弱膨脹土為主，中膨脹土較少，具有弱中膨脹土的特性。

為進(jìn)一步探究益婁高速公路膨脹土的工程特性，本文開(kāi)展了膨脹土的物理力學(xué)試驗(yàn)。由膨脹土的物理特性指標(biāo)可知益婁高速公路膨脹土黏粒含量、天然含水率、液塑限相對(duì)較高，而自由膨脹率偏低，尤其弱膨脹土更加明顯；由膨脹土的力學(xué)特性指標(biāo)可知，益婁高速公路膨脹土的直剪強(qiáng)度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、加州承載比相對(duì)較高，而有荷及無(wú)荷膨脹率、膨脹力、脹縮總率相對(duì)較低。綜合分析可知，益婁高速公路膨脹土的膨脹等級(jí)偏低，整體趨于弱膨脹土的工程特性。

表3 膨脹土的物理特性指標(biāo)

3 處治方法

3.1 處治方法的選擇

工程中處治膨脹土的常用措施有：換填法、摻無(wú)機(jī)結(jié)合料改性法、“三明治”互層法、包邊法、土工織物及土工格柵加固法等。益婁高速公路二標(biāo)至五標(biāo)以及十二標(biāo)段之間斷續(xù)分布有弱、中等級(jí)膨脹土，總計(jì)約71.8萬(wàn)方，且周?chē)噢r(nóng)田村莊。如采用全斷面換填法，大量土方外運(yùn)無(wú)疑會(huì)增加工程造價(jià)；采用摻無(wú)機(jī)結(jié)合料改性法、“三明治”互層法，則易造成環(huán)境污染、生態(tài)破壞，影響居民生活，且不能充分利用當(dāng)?shù)嘏蛎浲?；采用土工織物及土工格柵加固法，大量外運(yùn)施工材料較困難，且施工工藝復(fù)雜；而采用包邊法不僅能避免大面積摻灰造成的環(huán)境污染，而且小范圍石灰改良能保證摻灰的均勻性。綜合經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量、工期、環(huán)境等因素，決定采用摻石灰改良的包邊法進(jìn)行處治。

表4 膨脹土的力學(xué)特性指標(biāo)

3.2 處治材料的選擇

包邊法即利用非膨脹性土將膨脹土包芯于內(nèi)部。在膨脹土分布較廣且不集中的地段，選擇外運(yùn)非膨脹性土勢(shì)必造成工作量及工程造價(jià)的增加，鑒于石灰可改變膨脹土的物理力學(xué)特性，合理?yè)饺胧铱墒古蛎浲辆哂蟹桥蛎浶缘奶攸c(diǎn)［8－9］。考慮到施工路段距石灰生產(chǎn)廠相對(duì)較近，本文提出采用石灰改良膨脹土作為包邊材料。

膨脹土的處治材料包括膨脹土和石灰2種材料。膨脹土要求選擇具有代表性的弱中等級(jí)膨脹土結(jié)合土樣，用符號(hào)“S”代替；石灰選擇三類(lèi)及以上的鈣質(zhì)石灰，其中CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為73%，MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.1%，用符號(hào)“C”代替。

3.3 改良膨脹土的工程特性

為了探索改良膨脹土的工程特性，本文進(jìn)行了膨脹性試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率試驗(yàn)、液塑限聯(lián)合試驗(yàn)、加州承載比試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)等，試驗(yàn)方法參考《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）。石灰改良膨脹土的工程特性見(jiàn)表5。

表5 改良膨脹土的工程特性

3.4 合理石灰摻量的確定

根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20—2011），當(dāng)土的自由膨脹率不小于40%、標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率不小于2.5%、塑性指數(shù)不小于15%時(shí)可判定為膨脹土。由表5可知：當(dāng)摻灰量為4%時(shí)，改良膨脹土已不屬于膨脹土的范疇，當(dāng)摻灰量為6%時(shí)，改良膨脹土的膨脹率大大降低，力學(xué)性能也不斷優(yōu)化；但再增加摻灰量時(shí)，改良膨脹土的物理力學(xué)特性并沒(méi)有顯著變化，個(gè)別參數(shù)甚至呈現(xiàn)上下起伏的不規(guī)律狀態(tài)，說(shuō)明不斷增加摻灰量時(shí)改良膨脹土的處治效果并不一定最好。通過(guò)試驗(yàn)決定益婁高速公路膨脹土的摻灰量應(yīng)控制在6%左右。

3.5 處治厚度的確定

包邊法的關(guān)鍵是根據(jù)所在地區(qū)的大氣影響深度確定合理的包邊厚度［10－11］。根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》（GB 50112—2013）的規(guī)定，大氣影響深度應(yīng)由所在地區(qū)土的深層變形觀測(cè)、含水量觀測(cè)及地溫觀測(cè)資料確定，無(wú)資料時(shí)可根據(jù)濕度系數(shù)計(jì)算公式確定。對(duì)于益婁高速公路，無(wú)法及時(shí)獲取當(dāng)?shù)赝翆拥淖冃斡^測(cè)及含水量觀測(cè)數(shù)據(jù)等，但可獲取計(jì)算濕度系數(shù)所需的參數(shù)。根據(jù)益陽(yáng)、婁底兩市的氣象臺(tái)站數(shù)據(jù)并經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，益婁、婁底兩市地區(qū)的濕度系數(shù)約為0.9，故益婁高速公路的大氣影響深度為3.0m?？紤]到干濕循環(huán)作用下裂隙深度的影響，本文通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)確定3.0m厚的包邊在0.5m范圍內(nèi)裂隙變化相對(duì)較大，超過(guò)0.5m范圍裂隙深度幾乎沒(méi)有變化，故益婁高速公路包邊層厚度確定為3.5m較為合理。

3.6 處治斷面尺寸的確定

包邊法主要結(jié)構(gòu)有頂封層、底封層、包邊層?？紤]到上覆路面會(huì)減弱結(jié)構(gòu)層大氣降雨蒸發(fā)作用，頂封層、底封層厚度分別取0.4m。包邊層按處治厚度取3.5m。鑒于益婁高速公路膨脹土路堤填筑高度在0～8m之間，其中填筑高度小于6m的路段占90%以上，因此本文主要研究填筑高度小于6m的情況，邊坡坡率可采用1∶1.5～1∶1.75［12］。具體路堤包邊斷面尺寸如圖1所示。

4 處治效果的判定

本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定6%的石灰摻量可改變膨脹土的膨脹性，達(dá)到包邊材料的質(zhì)量要求，具備非膨脹土的工程特性，但路基實(shí)際運(yùn)行能否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求還需后期長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，這就使得處治效果不具有及時(shí)說(shuō)服性。為提前獲知6%的石灰改良膨脹土包邊方案的處治效果，本文決定建立路基模型通過(guò)離心機(jī)模擬試驗(yàn)進(jìn)行判定［13］。

4.1 模型的建立

本試驗(yàn)采用的離心機(jī)為T(mén)LJ－2型土工離心機(jī)，最大容量為100g·t，模型尺寸為0.8m×0.6m×0.6m，半徑為3.0m，有效半徑為2.7m，最大加速度為200g，數(shù)據(jù)采集通道70個(gè)。

圖1 路堤包邊斷面尺寸

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鶕?jù)路堤實(shí)際斷面尺寸按包邊方案制作，模型比例設(shè)為40∶1，試驗(yàn)主要考慮不同路堤高度對(duì)石灰改良膨脹土包邊處治效果的影響，共進(jìn)行4組模型試驗(yàn)。模擬的原型路堤高度分別為2、4、6、8m，分別對(duì)應(yīng)模型的高度為50、100、150、200 mm。試驗(yàn)要求4組模型控制參數(shù)相同（除路堤高度外），其中壓實(shí)度要求達(dá)到96區(qū)，分層鋪土厚度按同比例縮小，采用室外養(yǎng)護(hù)，以充分模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

4.2 模擬結(jié)果及分析

在100倍重力加速度條件下對(duì)石灰改良膨脹土包邊路基進(jìn)行動(dòng)力離心試驗(yàn)。通過(guò)觀察水平方向（觀察點(diǎn)位于路基模型頂部軸線(xiàn)處，A點(diǎn)）、豎直方向（觀察點(diǎn)位于路基模型邊坡中部，B點(diǎn)）傳感器的變化值，分析不同路基填筑高度下6%生石灰改良膨脹土的包邊法處治效果。通過(guò)模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，A點(diǎn)的水平位移隨路基高度的變化不大，但豎直位移變化明顯，尤其高度大于6m時(shí)，豎直位移較大，達(dá)到1.2mm；B點(diǎn)處的水平、豎直位移均隨路基的高度增加而增大，尤其高度大于6m時(shí)，水平、豎直位移增大較明顯，水平位移達(dá)到0.8mm，豎直位移達(dá)到1.2mm。由模型試驗(yàn)可知，采用6%的生石灰改良膨脹土包邊法處治時(shí)，當(dāng)路基填筑高度小于6m時(shí)，路基的整體穩(wěn)定性較好；當(dāng)路基填筑高度大于6m時(shí)，路基的整體穩(wěn)定性較差，尤其路基邊坡的失穩(wěn)嚴(yán)重，模型存在多處裂隙情況。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2、3。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）膨脹土的工程特性研究首先應(yīng)選取足夠多的代表性土樣，然后對(duì)土樣顏色、觸感、成分等進(jìn)行大致描述，最后根據(jù)詳判結(jié)果進(jìn)行對(duì)照分析，增加從表觀狀態(tài)對(duì)膨脹土進(jìn)行判別的經(jīng)驗(yàn)。

（2）自由膨脹率、塑性指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率中有2個(gè)指標(biāo)達(dá)標(biāo)時(shí)即可判定為膨脹土，單純以自由膨脹率判別容易造成誤判。

（3）膨脹土的膨脹特性是通過(guò)自身的物理力學(xué)特性顯現(xiàn)的，不同地區(qū)膨脹土的特性不同，因此對(duì)膨脹土進(jìn)行處治前，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其特性進(jìn)行全面了解，為后續(xù)處治工作打下基礎(chǔ)。

（4）石灰摻量的多少及石灰改良膨脹土是否具備非膨脹性的要求，應(yīng)根據(jù)改性土的物理力學(xué)特性指標(biāo)進(jìn)行判斷分析，進(jìn)而確定合理的石灰摻量及所使用的包邊材料。

圖2 路基模型A點(diǎn)的位移變化趨勢(shì)

圖3 路基模型B點(diǎn)的位移變化趨勢(shì)

（5）采用包邊法處治膨脹土，包邊厚度應(yīng)根據(jù)外界氣候的變化進(jìn)行確定。綜合考慮益婁高速公路大氣影響深度、干濕循環(huán)的裂隙深度、處治材料、防排水條件等的影響，最終確定包邊厚度為3.5m，此包邊厚度僅適用于益婁高速公路，其他工程應(yīng)根據(jù)所處環(huán)境的具體情況而定。

（6）石灰改良膨脹土包邊法處治路基的效果需長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)予以確定。為確定合理的處治方案，本文引入離心機(jī)模擬試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)路基包邊厚度為3.5m、填筑高度不超過(guò)6m時(shí)，包邊法處治效果較好。