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1、膨胀土地区公路工程病害及其处治设计对策1、膨胀土定义膨胀土系指黏粒成分主要有亲水性矿物伊利石、蒙脱石等组成，同时具有显着的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的高塑性黏性土。2、膨胀土的分布我国是膨胀土分布面积最广的国家之一，主要分布在北京西安成都一线东南的广大区域内，包括北京、河北、山东、山西、陕西、河南、安徽、江苏、四川、湖北、湖南、云南、贵州、福建、广西、广东等省、市、自治区的大部或一部分。此外，在东北和西北地区也有零星分布。河南省膨胀土主要分布在南阳、平顶山、信阳大部，三门峡、洛阳、安阳、许昌、漯河、驻马店等地区也有零星分布。3、膨胀土的工程地质特征3.1 地层及岩性特征一般产出为老第四系及
2、第三系地层，呈黄、褐、棕及灰绿、灰白色的硬塑至坚硬的高塑性黏性土或黏土岩。3.2 地貌特征多分布在二级及二级以上的阶地和山前丘陵地区，呈垄岗和浅而宽的沟谷地形，其坡度平缓，无明显的自然陡坎。3.3 结构特征结构致密坚硬，有裂隙分布，断口光滑，土内多含钙质结核，有时富集成层。3.4 地表特征分布在沟谷头部、库岸和路堑边坡的膨胀土常出现土块剥落、滑塌或浅层滑坡。旱季时在地表常出现裂缝，长可达数十米至近百米，深数米，雨季闭合。3.5 地下水特征膨胀土地区多为上层滞水或裂隙水，无统一水位。4、膨胀土的工程特性4.1 胀缩性胀缩性即膨胀土吸水膨胀失水收缩。土中蒙脱石含量越多，其胀缩潜势越大，膨胀力越大。
3、土的初始含水量越低，膨胀量和膨胀力越大。击实土的膨胀性远比原状土为大，密实度越高，膨胀量和膨胀力越大。4.2 多裂隙性膨胀土中的裂隙主要有垂直、水平和斜交三组，致使土体被分割成具有一定几何形态的块体，破坏了土体的完整性。裂隙面光滑，且多充填灰白色或灰绿色薄膜、条带或斑块，其矿物成分主要是蒙脱石，有很强的亲水性，具有软化土体强度的显著特性，胀缩性大。4.3 超固结性膨胀土地层多为老黏性土，超固结性明显、天然孔隙比小、干密度较大、初始结构强度较高。超固结膨胀土路基开挖后，将产生土体超固结应力释放，边坡与路基面出现卸荷膨胀，并常在坡脚形成应力集中区和较大的塑性区，导致边坡容易失稳破坏。4.4 风化特
4、性4.4.1 风化程度划分膨胀土受气候因素影响，极易产生风化破坏作用。路基开挖后，土体在风化营力作用下，很快会产生碎裂、剥落和泥化现象，使土体结构破坏，强度降低。按膨胀土的风化程度，一般将膨胀土划分以下三层:强风化层:位于地表或边坡表层，受大气营力与生物作用强烈，干湿作用显著，土体碎裂多呈砂砾和细小鳞片状，结构联结完全丧失，厚度0.4-1.0米。弱风化层:位于地表浅层，大气营力与生物作用有所减弱，但仍较强烈，干湿效应也较明显。土体割裂多呈碎石状或碎块状，结构联结大部分丧失，厚度1.0-1.5米。微风化层:位于弱风化层之下，大气营力与生物作用明显减弱，干湿效应也不显著，土层基本保持有规则的原始结
5、构形体，多呈棱块状和短柱状等，块体结构联结仅部分丧失，厚度1.0米左右。4.4.2 大气风化作用影响深度和大气影响急剧层深度确定大气风化作用影响深度确定大气作用影响深度，可先求出膨胀土的湿度系数，同时根据当地10年以上的土的含水量变化及有关气象资料统计求出。无此资料时，可按膨胀土地区建筑规范GBJ112-873.2.4式计算：如=1.152-0.726-0.00107式中：巾w一膨胀土湿度系数，在自然气候影响下，地表下1米处土层含水量可能达到的最小值与其塑限值之比；a-当年9月至次年2月的蒸发力之和与全年蒸发力之比值；C一全年中干燥度蒸发力与降水量之比值大于1.00的月份的的蒸发力与降水量差值
6、之总和。我国部分地区蒸发力及降水量值，可按膨胀土地区建筑技术规范GBJ11287附录二采用。大气风化作用影响深度，应由各气候区土的深层变形观测或含水量观测及地温观测资料确定。无资料时，可按下表采用。大气风化作用影响深度表m土的湿度系数仅大气风化作用影响深度da0.65.00.74.00.83.50.93.0大气影响急剧层深度大气影响急剧层深度系指大气影响特别显着的深度，其确定可按上表中大气风化作用影响深度乘以0.45采用。4.5 强度衰减性膨胀土的抗剪强度为典型的变动强度，具有峰值强度极高和残余强度极低的特性。由于膨胀土的超固结性，其初期强度极高，一般现场开挖都很困难。然而，由于土中伊利石和蒙
7、脱石矿物的强亲水性以及多裂隙结构，随着土受胀缩效应和风化作用的时间增加，抗剪强度将大幅度衰减。5、膨胀土详判指标及膨胀潜势分级5.1 膨胀土详判指标膨胀土详判按照公路路基设计规范JTGD30-2004，采用自由膨胀率、标准吸湿含水量在25c和相对湿度65%条件下，膨胀土试样包重后的含水量及塑性指数三项指标：即自由膨胀率Fs40、标准吸湿含水量u25、塑性指数Ip15o当符合上述两项指标时，即应判定为膨胀土。5.2 膨胀潜势分级膨胀潜势的分级按照公路路基设计规范JTGD30-2004条文说明的表7-9。表7-9膨胀潜势的分级级别分类指标非膨胀土弱膨胀土中等膨胀土强膨胀土自由膨胀率Fs(%)Fs4
8、040Fs6060Fs90标准吸湿含水率(%)ca2.52.5of4.84.8wf6.8Q6.8塑性指数Ip1515Ip2828Ip406、公路工程病害及处治设计对策6.1 路基工程6.1.1 路面波浪变形鼓包、溅浆冒泥及沉陷坑槽病害病害原因在填方路基路床采用CBR强度不符合规范要求膨胀土或改性土填筑，其胀缩性和含水量不均，或挖方路基及零填路基未按规范要求作超挖换填，且路面结构基层和面层设计不当、施工质量差、路面积水严重及重型荷载车流量大等诸多因素综合作用情况下，路面水会大量渗入，致使灰土基层和路床土基含水量不均而胀缩软化，产生幅度很大的波浪变形或鼓包。该病害形成的同时也可使灰土基层和路床土基
9、形成泥浆，挤入基层和面层，并带出路面呈诸多灰土质的小白点。该小白点扩大逐步成片发展为沉陷坑槽病害，最终使路面全破坏。处治设计对策新建公路：特别对高等级公路，应在切实作好路面结构设计和防排水设计，强化施工质量监测的前提下，对填方路基，当填土高度小于路面与路床的总厚度时，应挖除地表0.3-0.6m基底膨胀土，并将路床换填灰土处理。若为强膨胀土，挖除深度应达到大气影响深度；膨胀土作为路堤填料，应符合公路路基设计规范JTGD30-20047.8.2条规定；作为路床填料，应符合3.2.1条表3.2.1规定，且应强调对强膨胀土、地下水发育、运营中处理困难的挖方及零填路基，路床的换填深度应加深至1.0-1.
10、5米，并采取防渗和地下排水措施。表3.2.1路床土最小强度和压实度要求项目分类路面底面以下深度(m)填料最小强度(CBR)(%)压实度(%)高速公路、一级公路二级公路三、四级公路高速公路、一级公路二级公路二、四级公路填方路基00.38659695940.30.8543969594零填力及挖力路基00.38659695940.30.85439695/既有公路病害：处治原则应宜早发现并及时处理，防止病害趋于严重。对初期病害宜酌情采取洗刨、填补或压浆补强处治。对沉陷坑槽面积大于50%,路面已严重破坏，应微底翻修，按上述新建公路要求设计与施工。6.1.2 路堤沉陷病害病害原因在于膨胀土初期结构强度较高
11、，在施工时不易被粉碎，亦不易被压实，在路堤填筑后，由于风化作用和湿胀干缩效应，土块崩解，在上部路面，路基自重与车辆荷载作用下，路堤易产生不均下沉，如伴随有软化挤出，则可产生很大的沉降量，尤以桥头高填路堤不均匀下沉更为严重。不均匀下沉导致路面变形破坏。处治设计对策新建公路：路堤填料要求与施工应符合公路路基设计规范JTGD30-20047.8.2条和公路路基施工技术规范JTGF10-2006有关规定。既有公路病害：可酌情采用换填、压浆、水泥土搅拌桩及CFG桩复合地基处治。6.1.3 路堤纵向裂缝病害病害原因路肩部位常因机械碾压不到位，使填土达不到要求的压实度，因而后期的沉降量相对较大。同时，因路肩
12、临空，大气风化作用特别敏感，干湿交替频繁，肩部土体失水收缩远大于堤身，其风化作用程度在路堤纵向上一致，故在路肩顺路线方向常产生纵向开裂，形成长数米至上百米的张开裂缝。裂缝宽2-5cm,其分布在路肩及其外1米左右，且多横切过排水槽。该纵裂缝甚至可影响到路面，但其裂缝宽度细小，多呈雁行式展布。除此，在路堤采用非膨胀土或改性土包边设计时，由于包边土与路堤填芯的膨胀土两者工程性质差异较大，在施工中难易控制压实度，则常在两土体结合部产生路面纵裂缝。处治设计对策新建公路：堤填料要求与施工应符合公路路基设计规范JTGD30-20047.8.2条和公路路基施工技术规范JTGF10-2006有关规定。并对路肩和
13、斜坡作硬化封闭防护设计。采用包边设计方案的范围，应不包括路床和上路堤部分。既有公路病害：采用灌缝、人工重锤夯实、硬化路肩和斜坡防护。对包边裂缝，采用对裂缝开槽灌缝、开挖搭铺钢筋网回填处治。6.1.4 路堤坍滑及滑坡病害病害原因作为膨胀土路堤填料，在随着通车时间的延续，路堤经过几个干湿季节的反复收缩与膨胀作用后，表层填土风化加剧，裂隙发育，形成强风化带，当有水渗入时，其膨胀软化，强度降低，导致边坡局部塌滑，尤为高填路堤，易发生整体失稳的滑坡病害。设计处治对策 新建公路：堤填料要求、坡率及平台设计与施工，应符合公路路基设计规范JTGD30-20047.8.2条和公路路基施工技术规范JTGF10-2
14、006有关规定。 既有公路病害：可酌情采用填补夯实、坡面防护、设置坡脚档墙等处治措施。6.1.5 挖方路基坡体碎裂、剥落和泥化病害病害原因膨胀土挖方边坡受气候影响，极易产生风化作用，其表层风化尤为强烈，加快产生碎裂、剥落和泥化病害，这在浅挖路基常见。处治设计对策 新建公路：作浆砌片石护面或拱形骨架防护设计，并强化排水及防渗措施。 既有公路病害：按设计要求补做必要的防护工程及排水和防渗工程。6.1.6 挖方边坡坍塌或滑坡病害病害原因 膨胀土具超固结性，干密度大，初始强度较高，当其开挖后，将产生土体超固结应力释放，坡面出现卸荷膨胀，并常在坡脚形成应力集中区和较大塑性区，导致坡体失稳。 当路基开挖后，膨胀土受大气因素影响极易产生风化破坏作用，形成风化带，致使强度降低，不同程度地丧失结构联结力，其坡体常沿风化界面坍塌或滑坡。处治设计对策 新建公路：膨胀土地区挖方边坡发生坍塌或滑坡是常见病害，是危及行车安全的主要问题，特别是深挖方路基坡体失稳滑动导致堵塞道路和危及行车安全事故多有发生。对此,公路路基设计规范JTGD30-2004强调公路通过膨胀土地段时：”应避免大填、大挖，以浅路堑、低路堤通过为宜。当挖方边坡高度大于10米时应进行个别设计，必要时应与隧道方案进行比选”。边坡设计应遵循缓坡率
