高速铁路膨胀土路堑设计及防治措施.docx

高速公路膨胀土路堑设计及病害防治措施一膨胀土的成分和结构膨胀土是现代工程地质和土力学中出现的较新的专业技术名词，系指“土中矿物成分主 要由亲水矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的粘性土”膨胀土 是一种具有特殊膨胀结构的粘性土，含有较多的粘粒，主要矿物成分为次生粘土矿物蒙脱石 和伊利石，外观多呈褐色、棕色、红色、黄色、灰白色和灰绿色天然状态下的膨胀土一般 处于硬塑状态，土质细腻、有滑感，含钙质结核或铁锰结核，斜交裂隙和光滑面发育，呈碎 粒状或鳞片状膨胀土作为一种具有裂隙性、胀缩性和超固结性的高塑性粘土，在天然状态下强度很高， 但其对气候环境变化特别敏感当含水量变化时，膨胀土遇水发生膨胀、失水发生收缩变形， 表现出明显的胀缩性其自由膨胀率一般大于40%；干湿循环次数增加时，膨胀土强度降 低幅度增大，具有崩解性气候变化时导致土体中裂隙扩展，更易于水分的侵入和蒸发，使 土体极易风化由于各地区膨胀土的矿物组成、结构和构造、土层埋藏深度和厚度及分布范 围等的不同，使得膨胀土的性态各异膨胀土反复胀缩变形的特性以及杂乱分布的多裂隙结 构，对建筑物地基、道路和铁路路基、机场跑道、渠道边坡、堤坝等均有较严重的破坏作用。

在道路工程中，膨胀土地区的公路病害如边坡滑坍、路基波浪式沉陷变形、路肩开裂和 坍塌等问题已越来越突出对于膨胀土，有“逢堑必崩，无堤不塌”之说膨胀土的公路病 害往往具有多发性和反复性，不仅易造成公路工程地质问题，长期潜在地威胁着公路工程的 安全，而且严重影响公路的行运舒适性和使用寿命近年来，随着我国经济建设的迅速发展，高等级公路大量兴建，会不可避免地遇到各类 膨胀土的工程问题和工程灾害工程建设的需要已对膨胀土问题的研究提出了一系列新的要 求，加强膨胀土路基沉降和边坡稳定性问题的研究已迫在眉睫，也已成为我国工程地质、岩 土工程、和公路工程以及其他相关领域的热点课题之一西部是我国膨胀土分布较为广泛的地区，膨胀土引起的公路病害也比较典型西部大开 发是实现我国地区发展平衡和可持续发展的重大举措西部开发，交通先行，而公路建设则 是西部开发的重中之重因此，开展西部膨胀土地区公路路基沉降和边坡稳定性的研究，对 西部地区的公路建设具有重要的现实意义二膨胀土的基本工程特性膨胀土形成的地质年代，大都为第四纪晚更新世或更早些，少量为全新世，有些地区为 第三纪从成因看，各地区的膨胀土大都属于泥炭岩和粘土岩的残积物。

膨胀土是一种特殊 的粘性土与一般粘性土相比，除了具有一般粘性土所具有的物理、化学和工程性之外，膨 胀土在矿物成分、土体结构、物理性质、化学性质等方面还具有不同的特点，从而决定了膨 胀土具有特殊的力学和工程性质膨胀土的最大特性是随干湿循环而反复胀缩，同时具有多裂隙性和超固结性胀缩性是 导致多裂隙性和超固结性的主要原因胀缩性、多裂隙性、超固结性是土体内部吸力和内应 力变化的3种外在表现形式多裂隙性使土体渗透性增大、抗剪强度降低，并且使抗剪强度 参数的离散性增大超固结性使土体具有较大卸荷回弹膨胀以及渐进破坏特性膨胀土的胀 缩性、多裂隙性、超固结性三者相互作用，共同决定着土体的变形和抗剪强度1膨胀土的胀缩性膨胀土的胀缩性在形变上表现为吸水体积膨胀，失水体积收缩干裂;在应力上表现为吸 水内部吸力消逝，且产生向外膨胀力，失水膨胀力消失而内部吸力极大增强膨胀土的胀缩性主要受自身的粘土矿物成分及其含量控制蒙脱石、伊利石、高岭石膨 胀土中最主要的3种粘土矿物蒙脱石亲水性最强，伊利石次之，高岭石最弱膨胀土的胀 缩性就是由于粘粒中含有一定数量的蒙脱石、伊利石的缘故一般来讲，蒙脱石含量在5% 以上的土体就会有明显的膨胀性。

此外，粘粒具有较强的胶体化学性质土体中粘粒含量愈 多，其液限就越高，膨胀性就越大中国膨胀土粒度成分的特点是粘粒含量高，一般超过 44%，最高超过81%土体中含水量的变化是引起膨胀土胀缩变形的外在因素实践证明， 膨胀土随其含水量的不同而具有不同的胀缩特性当膨胀土处于干燥状态时，具有高的膨胀 潜势，反之则低但是，当含水量很高时，处于接近饱和状态的膨胀土则具有较高的收缩潜 势膨胀土的胀缩变形同时伴随着抗剪强度的改变膨胀土除了吸水膨胀强度降低，失水收 缩强度提高的特性外，同时还存在胀缩循环之间的强度衰减特性2膨胀土的多裂隙性膨胀土普遍发育各种尺度、各种形态裂隙裂隙按尺度大小可分为显微裂隙、微裂隙及 宏观断裂面3种类型显微裂隙一般为原生裂隙，呈闭合状微裂隙多为次生裂隙，呈微开 状，在肉眼下即可辨认断裂面包括斜坡裂面、滑坡断面和构造软弱面等该断裂面均有一 定宽度，且延伸规模大，一般长数十米至数百米断面内粘粒含量高，多以蒙脱石为主宏 观断面的抗剪强度很低，一般接近土体残余强度或低于残余强度其存在对变坡的深层稳定 极其不利膨胀土体的渗透性主要受其裂隙控制膨胀土块本身的孔隙度很小，透水性很弱然而， 由于裂隙的存在使其透水性提高3〜10倍。

3膨胀土的超固结性膨胀土的强烈收缩性及其粘粒的胶体性质是其超固结性的2个主要原因这2个原因比 先期地质覆盖荷压成因具有更普遍的意义膨胀土的超固结性使其受压时比一般粘性土具有更大的侧向压力（侧向压力系数较大）， 而卸荷时比一般粘性土产生更大的回弹膨胀这两点对挖方边坡均产生不利影响此外，超 固结性使膨胀土边坡体现为渐进破坏的特性三膨胀土地区的公路路堑病害1路堑边坡失稳膨胀土路堑在旱季时，边坡表面易遭风化而发生剥落现象雨季时，一些未加防护或 防护不力的路堑边坡，其表土在水流冲蚀下会形成坡面沟状冲蚀现象，表层遭受强风化和受 水浸湿后易发生沿坡面向下的呈流塑状态的局部溜塌、溜滑和较大规模的滑坡现象路堑边坡的破坏具有长期潜伏性，多在公路运营3~5年后发生滑坡不断有些坚硬状 态的膨胀土路堑边坡，其破坏的潜伏期甚至更长另外，膨胀土的路堑边坡的失稳具有浅层 性溜塌厚度一般在1m以内，没有明显的滑面和裂缝，溜塌距离较短，通常能自行稳定 于坡面上滑坡厚度多为1.0~3.0m，具有明显的滑床，且滑床后壁陡直、前缘平缓滑坡 多以牵引式出现，成群发生，呈纵长形叠瓦状有的滑坡从坡脚一直牵引至坡顶，具有相当 大的破坏性。

与一般地质滑坡不同的是，膨胀土的滑坡体范围与大气影响深度、土的类型和 结构密切相关，而与边坡的外形和尺寸无明显关系因此，放缓边坡坡度或降低边坡高度， 对提高膨胀土边坡稳定性的意义不大，要从根本上防止滑坡，应采取有效的边坡防护和排水 防水措施，同时还需对坡内膨胀土体进行改性或作其他加固处理2路堑翻浆冒泥未经换填或封闭处理的膨胀土路基，在旱季和雨季干湿循环效应的作用下，加之车辆行 驶荷载的作用，造成表面松弛当路面渗水、路基土被雨水浸泡后，土体崩解，强度降低， 基床表层土发生泥化在反复车辆荷载作用下，土中孔隙水压力不断积累，泥化的路基土在 孔隙水压力作用下挤入路面的粒料基层，并沿路面裂缝和伸缩缝等缝隙溅冒而出，从而导致 路基发生翻浆冒泥的现象路基的翻浆冒泥现象往往又会伴随有路基的较大沉陷和路面的波 浪变形，因此严重影响交通安全，甚至使交通中断3路堑路面沉降膨胀土的特殊性尤其表现为吸水膨胀、失水收缩的工程特性和一般土体不同，膨胀土 除在荷载作用下产生变形外，还会在含水量变化时产生明显的胀缩变形因此，膨胀土的变 形可分为两大类：一类是在土体自重和外加荷载作用下的压缩变形，包括瞬时变形、主固结 变形和次固结变形；另一类是在外荷载与浸水等共同作用下的湿胀变形，或在外加荷载与蒸 发、风干、水位下降等共同作用下的干缩变形。

在施工和运营期间，膨胀土路基在受到风化和雨水浸湿后，在湿胀干缩效应的作用下， 土体发生崩解加之路幅内土基的含水量的不均匀变化，致使土基产生不均匀沉陷，路面出 现波浪式变形路面的波浪式变形直接制约着车辆的行驶的速度，影响行运的舒适性，同时 也隐埋了道路交通事故的导火索四高速公路膨胀土路堑边坡防护方案膨胀土不仅具有明显的胀缩性，而且具有崩解性多裂隙性、超固结性、风化特性及强度 衰减性膨胀土的这些特性使得膨胀土路堑边坡与正常土路堑边坡有着不一样的特点首先 膨胀土表层存在一个大气影响区，在大气影响区内膨胀土受环境影响显著路堑边坡开挖后， 坡面土体受胀缩影响产生大量的裂隙，成为水分入渗的通道，随着时间的推移表面裂隙向深 处发展，同时与土体内原存在的结构裂隙进一步连接扩张，从而使得膨胀土内水分的迁移变 得十分显著，由于土体的湿胀干缩效应，导致膨胀土体强度产生变化其次由于膨胀土大都 具有超固结性，初始结构强度较高，在边坡开挖过程中，随着上覆土层重量的卸除，引起土 体超固结应力释放，使得开挖土体范围内出现卸荷膨胀变形，并在坡脚形成应力集中区和较 大的塑性区，随着开挖的不断进行，上部的松动对下覆土层会产生牵引力，这样逐级传递下 去，最终导致膨胀土边坡的渐进破坏。

因此对于膨胀土路堑边坡防护方案的选择，需结合膨 胀土的工程特性、大气影响深度以及工程地质条件综合考虑1边坡防护的原则根据前述膨胀土路堑边坡破坏的特点以及以往膨胀土边坡的防护经验，对膨胀土边坡的 防护要注意以下几点：a） 要保持边坡土体天然含水状态的相对稳定，防止地面水与地下水渗入路堑边坡， 同时应防止土中水分被蒸发，避免边坡土体的湿胀干缩变形b） 要保持边坡土体结构的相对完整性，控制土体的风化作用，尽可能防止水分在膨胀土边坡内产生显著变化，防止土体强度的衰减c） 对膨胀土的超固性所带来的影响采取一定的防护措施，防护工程应能适应边坡膨胀土 体可能产生的膨胀变形与膨胀力而不遭破坏d） 边坡防护在满足基本功能及确保路堑边坡稳定的前提下，应尽可能考虑采用与周围 环境景观相协调的生态防护方案以体现生态环保的新理念2防护方案比较2.1常规膨胀土刚性防护常规膨胀土路堑边坡防护一般采用的是刚性防护，主要方式有浆砌片石、混凝土六角块 满铺防护、骨架、植草护坡等优点：结构整体强度较高，对于防止边坡土体继续风化、抑制膨胀效果较佳缺点：不能消除大气影响深度内膨胀土的变化，在大气影响的作用下，同样可以引起土 体的胀缩变形，不能从根本上解决膨胀土体的胀缩问题，同时刚性防护还有产生眩光、噪声、 不能还原生态环境等缺陷。

2.2膨胀土改性边坡防护高性能土壤固化剂（也称“土壤稳定剂”）是近年来国内外土木和交通工程领域中不断 研发成功的一类新型土体加固材料该材料具有适用范围广、改性效果好、性能稳定、施工 方便等诸多优点，目前已在交通道路、环保工程和水土保持等领域逐步得到推广使用然而 从国内外已有的应用成果和项目来看，土壤固化剂目前多应用于路基土的改性和加固，而应 用于土坡，尤其是膨胀土路堑边坡的水土流失防治和生态改性加固边坡的工程实例所见不多 从理论上分析，膨胀土生态改性剂通过离子交换作用，改变膨胀土结构特性来提高膨胀土的 抗剪强度，增强膨胀土的水稳性一方面能减轻边坡的水土流失，增强坡面的抗冲刷能力和 作为植物绿化培植基的固化能力;另一方面由于固化后的坡面表层土的强度和抗渗透性增加， 可提高整个边坡的稳定性优点：基本消除或减弱边坡表面胀缩特性，坡体表面土体强度大幅度提高，水稳性好缺点：土体改性深度取决于施工深度，打孔过多、过密时坡面易松散;不能作为存在潜 在滑坡可能的边坡治理方案；改性施工工艺的控制、改性对坡面植物绿化的影响以及边坡改 性的长期效果还需作进一步的研究2.3 土工编织袋边坡防护土工编织袋是国外常用来处理特殊地基的一种简单方法，在日本已被广泛应用于新干线 铁路和高速公路中，土工编织袋是将素土、掺石灰或水泥的普通土、砂砾、矿渣、 建筑垃圾等装在织物袋中做成的。

用于膨胀土路堑边坡防护的土工编织袋能够消除大气对坡 面的直接作用，减缓坡面水。