公路膨胀土路基施工技术因素分析及展望

公路膨胀土路基施工技术因素分析及展望

李江鹏

云南省公路科学技术研究院 云南省昆明市 650000

摘要：公路的主体结构物需要建立在有足够承载能力且平顺的路基基础上，不可避免的沉降问题使路基的施工显得尤为重要^[1]。膨胀土是一种在我国分布广泛且对路基施工质量要求较高的地质条件。本文通过对传统方法的分析，提出了膨胀土路基施工可行的发展方向，以期对研究者提供相关参考。

关键词：膨胀土，路基填筑，土质改良

1前言

在公路工程中，土方工程极大的影响着工程造价，若遇不良地质条件，选择合适的方式处理将收到事半功倍的效果，极大的提高经济效益。不良地质条件中膨胀土是其中较为常见且分布广泛的一种，收缩性大、分散性高且含有蒙脱石和伊利石等强亲水性矿物是膨胀土的典型特征。膨胀土做路基填料时，由于其力学特性对气候及含水量变化非常敏感，容易引起基床翻浆冒泥、路肩鼓胀等病害，因此是一种不良填料^[2]。膨胀土在云南有广泛的分布，在云南省高速路网建设中，对膨胀土的研究处理是一项持久的工作。

换填是解决膨胀土病害的最彻底的方法，但是对于公路工程此方法既不经济也不环保；掺无机结合料是改善膨胀土综合稳定性较为普遍的方法，常用的有石灰、水泥、粉煤灰等材料；固体废弃物改良法是利用工业废料及建筑垃圾等固体与膨胀土掺和，对膨胀土进行改良，具有较好的环保和经济效益^[3]。在实际工程施工中，因地制宜的选取合适的改良方法非常必要。

2膨胀土的特征

吸水导致膨胀土体积膨胀，当这种膨胀受到约束时就会产生膨胀力，若膨胀土失水则体积收缩并伴随土体开裂^[4]，这便是膨胀土的胀缩特性，反复的胀缩会使土体强度降低影响土体结构的承载能力。根据膨胀土的类型不同，遇水后在无侧限情况下，膨胀土会发生不同程度的崩解，膨胀性越强崩解越快。多数膨胀土具有超固结性能，内部裂隙复杂，初期强度高易风化，随着胀缩频率和风化时间的增加其抗剪强度会大幅衰减。

膨胀土的膨胀潜势在含水量变化时得到充分发挥，原有含水量越低的膨胀土遇水后危害越大，当含水量变化超过1%时就可引起有害膨胀。一般情况下，膨胀土具有液限高、塑性低的特性，属于高塑型粘性土。液性指数是反映粘土软硬状态的重要指标，如表1所示，液性指数越小土越硬。干容重是影响粘土膨胀潜势的又一重要指标，固定粘土的膨胀力仅随干容重变化。

表1 土的液性指数

在膨胀土的粒度组成中，粒径小于2微米的胶粒含量>15%或者粒径小于5微米的粘粒含量>30%，蒙脱石或伊利石等亲水矿物含量>7%时，土体具有较强的膨胀潜势。当亲水矿物含量超过20%时，膨胀土的工程性质主要由亲水矿物决定^[5]。

3公路路基膨胀土施工技术影响因素分析

3.1膨胀土类别与常用处理方法

必要的试验对路基土进行定性，合理选择取土区域及间隔是提升路基施工质量的重要途径。膨胀土的分类指标有膨胀率、膨胀性矿物含量、胀缩总率、标准吸湿含水率和液塑性等^[6]。自由膨胀率大于40%，标准吸湿含水率大于2.5%，胀缩总率大于0.7%，塑性指标大于18，液限大于40%时，土体可认定为膨胀土。根据现场膨胀土土样测定相关指标，确定膨胀土的类型，按照膨胀土膨胀强弱决定其使用要求和处理方法，如表2所示。

表2 膨胀土类型及使用要求

由上表可知，对中膨胀土进行改性处理是符合多数公路路基施工情景的。改性处理一般使用石灰、水泥、粉煤灰等固化材料与膨胀土发生物理化学反应，达到降低膨胀潜势、增加强度和稳定性的目的^[7]。石灰改良膨胀土成形后压实度会随着龄期的增长而降低，试验段可做压实度随龄期的变化曲线，为后期抽检提供相应的龄期压实度检测标准。石灰与膨胀土的反应机理在于粘土颗粒与石灰中盐基交换生成新的含水碳酸钙等钙盐，既有隔离亲水矿物与水的作用又发生石灰的凝结硬化。生石灰水化过程释放热量可蒸发膨胀土中的水分利于施工，但生石灰不利于储存，故施工中多以熟石灰为主，若采用生石灰则需“闷料”一周以上保证生石灰充分熟化。水泥与膨胀土的反应机理在于水泥水化反应产生具有较强胶结力的凝胶附着到土颗粒表面，同时离子交换反应使土颗粒亲水性能降低，提高土颗粒之间的连接强度

^[8]。水泥掺量增加会增加膨胀土的强度但超过一定量也会引起降低稳定土的收缩性能并增加成本，故水泥掺量一般控制在4%～10%之间。粉煤灰等工业废渣与膨胀土的反应机理在于粉煤灰中丰富的氧化后的硅、铁、钙、镁、铝离子与膨胀土中的矿物质发生离子交换并水化生产胶凝物质，使膨胀土形成网状连接，提高其早期强度。粉煤灰等工业废渣改良膨胀土具有较高的环保和经济价值，但早期强度不高且掺量通常较大。

3.2施工技术指标控制

选定改良材料后，混合料的拌制和碾压是控制施工质量的重要标准。严格控制混合料的质量，对不同取土场的土样需做好严格区分，通过试验确定混合料各组分的质量，现场条件允许的情况下尽量采用厂拌的方式拌制混合料。混合料拌匀后及时进行检测以保证改良剂的掺加量满足要求，掺灰后的涨缩总率控制在2%以内，含水量控制在最佳含水量±3%以内，不同含水量下膨胀土的CBR值大于3%，尽量避开雨季施工，现场排水通畅。碾压质量以压实度来评定，做好试验段的铺筑，确定压实参数。通过保证含水量、选择适宜吨位压路机、控制碾压厚度、确保碾压速度和遍数、实时检测压实度等方式把控碾压质量。碾压结束要及时做好路基表面的防护工作，必要时（雨天或者空气湿度较大时）需进行覆盖，尽量避免雨季施工，施工现场排水措施严格按照规范要求执行^[9]，建立健全各类预案，以保证施工过程的质量和安全。

公路膨胀土路基施工由于地质条件的复杂多变使得各种影响因素都具有随机性，且每个施工段都有其独特性，丰富的施工经验是完善施工方案全面考虑施工组织的有力保障，但同时应主要以试验检测为技术手段指导施工。系统的道路勘测、全路段地质情况分析、水文地质勘察、地质灾害评估等措施均是路基施工质量控制的有效保障，也是各类预案编制的重要基础。施工前明确质量标准及要求，编制详细可行的施工组织设计，施工过程严控材料质量管理，严格按照试验结果配置混合料，碾压完毕加强沉降监测，做好养护并迅速衔接下阶段施工。

3.3公路膨胀土路基施工展望

传统方法基本能解决大部分中膨胀土路基填筑问题，施工技术的发展和管理能力的提升都是施工质量提高的重要途径。在改良剂的选择上，有机高分子改良剂和表面活性改良剂也是不错的选择，有机高分子改良剂可通过自身的聚合物反应生成高强度网状高分子凝胶体包裹膨胀土达到增加土壤强度的目的，表面活性剂则是与膨胀土中的亲水矿物结合阻止其与水反应使膨胀土丧失膨胀效应^[10]。这类改良剂的应用让施工效率大大提高，同时表面活性剂无毒且环保，是适应生态文明要求的材料。未来新技术和新材料及智能化的发展会给膨胀土路基的施工带来新的发展方向，特别是智能化的发展，让路基沉降具有可预测性，可通过人工神经网络等方法将膨胀土参数和改良剂参数结合起来，预测改良剂掺加量达到何值时膨胀土掺和料的膨胀总率达到零，如此便能更清晰的指导施工。

4结束语

膨胀土路基作为常见病害中的一种，对其施工技术的发展和研究具有重要意义，在选择施工方法时要多方权衡经济效益、环境保护、施工技术条件等方面的利弊，综合作出施工决策。

参考文献

1. 佟辉. 高速公路路基膨胀土填筑技术研究[M].长安大学, 2012.

2. 杨伟英. 膨胀土在高速公路路基填筑中的应用研究[J]. 商品与质量·建筑与发展, 2013, 000(009):74-74,75.

3. 石磊. 道路路基膨胀土土性改良及施工技术的研究[J]. 工程技术研究, 2019(5):2.

4. 谢裕江,刘高，郑金明. 膨胀土研究进展综述[J]. 中国科技论文在线, 2018.

5. 李峰德. 膨胀土路基危害和处理方法浅析[J]. 交通世界(建养.机械), 2009, Z1(No.189,No.190):89-90.

6. JTG 3430-2020,公路土工试验规程[S].

7. 周铁娥. 浅谈公路工程膨胀土路基施工技术[J]. 城市建设理论研究:电子版, 2012, 000(004):1-5.

8. 任骜.膨胀土新型改良剂室内试验研究[D].河南大学.2008

9. 邱军. 高速公路路基膨胀土填筑技术解析[J]. 黑龙江交通科技, 2015, 38(9):1.

10. 葛立冬.土壤固化剂技术的应用.铁道标准设计[J],2005,20(5):5-8