淺談膨脹土對公路路基沉降和邊坡穩定性的影響

劉華超

摘要 近年來，隨著我國經濟快速發展，高等級公路也迎來了大規模建設，然而我國地質條件十分復雜，膨脹土分布十分廣泛。膨脹土屬于黏性土，對路基壓實度和邊坡穩定性影響較大，嚴重制約道路的通行能力。因此文章對膨脹土地區公路病害、膨脹土路基沉降特性、路基邊坡穩定性進行了研究，提出膨脹土地區路基邊坡處置措施，同時表明設置排水設施的重要性。

關鍵詞 膨脹土；公路病害；邊坡穩定性

中圖分類號 U416.167文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）09-0138-03

0 引言

隨著經濟的發展，我國公路進入大規模建設階段，公路網不斷擴大，西部地區公路建設工程上馬得越來越多。由于我國西部地區膨脹土分布廣泛[1]，造成各類工程問題和事故屢屢發生，所以對膨脹土工程研究提出了更高質量和工藝的要求，因此對膨脹土路基沉降和邊坡穩定性問題研究也已到了刻不容緩的地步。

1 現時期的膨脹土研究狀況

我國對于膨脹土的認知與了解，早在20世紀就有相關記載。對黏性土地基變形破壞和邊坡失穩事件分析存在相關記錄，由于技術落后和意識的短缺沒有引起人們的注意[2]。我國對膨脹土問題研究起始于20世紀60年代。公路、鐵路工程的建設過程中經常會遇到膨脹土問題，如成渝鐵路、成昆線北段、焦枝線、陽安線等工程施工過程中都遇到了膨脹土病害[3]。近年來，我國在膨脹土工程地質特性的評定、試驗技術、脹縮機理、邊坡的工程實踐、強度特性等多個方面都有相當水平的科研成果。

2 研究膨脹土的意義

膨脹土定義：系指土中礦物成分主要由親水礦物組成，同時具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的黏性土。膨脹土屬于黏性土的一種，且膨脹結構比較特殊[4]，主要礦物成分為伊利石和蒙脫石等，屬于強親水性礦物，包含大量黏粒。膨脹土在天然狀態下為硬塑狀態，呈現棕色、褐色、黃色、紅色、灰白色等。各類膨脹土中蒙脫石、伊利石的含量見表1。

膨脹土在天然狀態下為硬塑狀態，具有較高的強度。由于膨脹土存在脹縮性、裂隙性和超固結性，因此對環境變化較為敏感。如：當土壤環境含水量增加時，膨脹土便會膨脹；當含水量減少時，膨脹土發生收縮，且自由膨脹率不低于40%[5]。當膨脹土發生多次膨脹收縮時，強度會發生大幅度降低，甚至引起膨脹土崩解。我國幅員遼闊，地質復雜，各個地區膨脹土由于其結構不同，埋藏深度差異，造成了各地膨脹土都存在一定的差異性。由于膨脹土膨脹收縮特性和其特殊縫隙結構，會對公路及鐵路建設造成比較大的困難。

3 膨脹土地區公路路基病害

天然狀態下的膨脹土為硬塑狀態，在未發生膨脹時，路基穩定性較好，路基強度較高。但是隨著時間推移，表面風化、膨脹、收縮等多重因素作用下就會出現路基翻漿冒泥、路基波浪形沉降、路堤與路塹邊坡失穩、路基渣囊以及路肩縱向開裂與坍塌等多種病害[6]。

3.1 路基翻漿冒泥

膨脹土路基發生失穩破壞且得不到及時處理時，在循環膨脹收縮和車輛碾壓作用下，會導致路基強度降低和泥化現象，引起路基松弛滲水。當孔隙水壓增加時，周圍泥土雜質在水壓作用下進入到粒料中，沿裂縫冒出，形成路基翻漿冒泥現象，如果不及時處理甚至引起路基變形與沉陷。

3.2 路基波浪形沉陷

在長時間風化和雨水作用下，不同路段路基中的膨脹土漲縮效果也存在差異，路基便會形成波浪形沉陷，而且路基沉降形變隨著路堤的增高變形明顯。路基沉陷會影響正常行車，當沉降過大時極易引起交通事故[7]。

3.3 路堤與路塹邊坡失穩

膨脹土路基經過長時間風化導致邊坡表面剝落。當遇到雨水時，膨脹土吸水膨脹，降低了膨脹土抗剪強度，當壓實度較差時，還會引起路堤溜滑、路肩溜塌和滑坡等現象。

路堤與路塹在雨水沖刷下會形成泥土流，造成涵洞和邊溝的堵塞，嚴重情況下會造成路面被淹沒或路基被沖毀。從以往項目經驗總結得出：膨脹土路堤和路塹邊坡發生滑坡現象一般都是在投運3～5年后發生，部分膨脹土路堤和路塹事故潛伏時間還會更長。要想有效預防膨脹土滑坡，需要采取合適的防排水措施，還應對邊坡上的膨脹土進行加固和改良[8]。

3.4 路基渣囊

當路基出現泥化現象，路面基層內的粒料被擠入泥化的基床中形成渣囊結構，渣囊不僅會破壞地基結構，同時也會成為儲水容器和滲水通道，使深層土體的泥化現象加劇，進而加速渣囊的形成，造成惡性循環。

3.5 路肩縱向開裂與坍塌

路肩部位由于其臨空特殊性，其承受外力作用較大，又由于工程施工時機械碾壓不到位，常常造成路肩沉降形變遠大于堤身部位。膨脹土路肩極易形成縱向開裂現象，路肩開裂后雖然不至于影響道路安全使用，但如果不及時修復，縱裂縫便會成為滲水通道，加速水分滲入，從而引起路肩塌陷現象。

4 膨脹土路基沉降的特性

4.1 荷載作用下膨脹土路基的沉降

4.1.1 荷載作用下膨脹土路基的沉降三分量

和普通土質路基相似，主固結沉降、次固結沉降和瞬時沉降構成荷載作用下膨脹土路基的三個沉降分量。次固結沉降，膨脹土由水鋁片和硅氧片的構成結構相對穩定，對于膨脹土路基沉降影響微乎其微，可忽略不計。在公路長期使用過程中，膨脹土的瞬時沉降與主固結沉降會產生一部分，主要原因為大重型卡車和高速汽車對路面的反復荷載作用；另一部分是在公路建設過程中，路面承受荷載隨著工程推進而逐漸增加，每一次荷載的施加都會引起主固結沉降和瞬時沉降[9]。綜上所述，次固結沉降影響小，而主固結沉降和瞬時沉降在公路使用期間和建設過程中隨荷載和時間一同變化。

4.1.2 反復車輛荷載作用下膨脹土路基的沉降特點

公路長期使用期間，在車輛的往復荷載作用下，膨脹土路基土的應力與應變的關系如圖1所示[10]。

從圖1可以看出，膨脹路基土變形由不可恢復塑性變形和可恢復彈性變形兩部分構成，其中，路基瞬時沉降主要是彈性形變造成，路基主固結沉降由塑性變形造成。在長時間循環加荷－卸荷的作用下，路基塑性變形在每次卸荷載后都無法完全恢復，變形也是不斷累積，而彈性變形就可以完全恢復。路基土承受荷載大小和加荷－卸荷作用次數都直接影響塑性變形積累的沉降總量，荷載大小、循環次數都與主固結沉降累積量成正比關系。綜上可以得出，路基承受的車輛重量與道路車流量都影響著路基土的沉降量，且與道路應力有關。

4.2 膨脹土路基的脹縮沉降規律

膨脹土路基在膨脹與收縮的循環作用下會出現脹縮變形，引起路基的脹縮沉降。其中膨脹土發生膨脹后會造成路基向上變形，其方向定義為負，收縮后會造成路基向下沉降，其方向定義為正[10]。特殊情況下膨脹土吸水后會引起路基濕陷變形，導致出現膨脹土得水出現正沉降現象。為了驗證膨脹土路基脹縮沉降與時間的關系，通過對某項目路基膨脹土進行浸水試驗，得到膨脹土自由膨脹率與時間的關系如圖2所示[10]。

從圖2可以看出，膨脹土變形隨時間加長會出現階段性特性，根據特性可分為三個階段：

第一階段（oa）：該階段時間處于膨脹土浸水0～

30 min，膨脹率和時間在該階段大致呈正比關系，且膨脹土膨脹較快，此階段特點總結為膨脹土勻速急劇膨脹。

第二階段（ab）：該階段時間處于膨脹土浸水30～

160 min，膨脹土雖然還在膨脹，但是膨脹率隨時間變化其增長速率已經顯著變緩，此階段特點總結為減速膨脹。

第三階段（bc）：該階段時間處于膨脹土浸水160 min以后，膨脹土變形基本穩定，膨脹率基本不再隨時間增長而變化，此階段特點總結為緩慢膨脹階段。

膨脹土路基當水開始浸入，最先是膨脹土表面膨脹，由于路基各個部分浸水的先后順序，所以膨脹沉降速度在路基各個部分都有明顯差異。在浸水剛開始時，路基表面膨脹土首先進入第一階段，膨脹土勻速急劇膨脹，而且路基上層的膨脹土不用承受較大的自身重力，所以上層膨脹土沉降量也相對非常大。當水分隨著時間慢慢向路基內部滲入后，路基中下部膨脹土也開始沉降，但是由于上層土已經膨脹完成，對中下層膨脹土壓力較大，而且上層土膨脹時，阻礙了水向中下層滲透，致使中下層膨脹土膨脹沉降速度減緩，所以中下層的沉降量相對較小。

5 路基邊坡的穩定性分析研究

膨脹土與普通土邊坡相比，邊坡內變形與受力差別較大，主要因為膨脹土膨脹和收縮特性。近些年來，技術人員通過對膨脹土邊坡分析研究發現，此前路基工程最常采用的邊坡穩定性分析方法，如圓弧滑動面條分法等并不適用于膨脹土這種特殊土質的邊坡，并總結出膨脹土邊坡是一種漸進性破壞的真實失穩形式。近年來隨著我國計算機技術的快速發展，膨脹土邊坡穩定性分析的新型理論逐漸豐富起來，如灰色理論與模糊數學等。邊坡的穩定性分析方法也日新月異，現在主要有離散元法、流形元法、限元法三種。由于工程數字化和虛擬仿真技術的不斷發展和逐漸成熟，也為邊坡穩定性研究提供了新思路，由二維向三維、靜態向動態的方向發展。

近年來，我國針對膨脹土邊坡穩定性的分析研究，理論方面還不夠成熟，但是實踐應用方面已經積累了一定經驗，比如在膨脹土邊坡加固等方面都有豐富的應用經驗。隨著我國科學技術的不斷發展，膨脹土路基方面研究雖然還處于剛起步階段，但是通過專家的分析研究，關于路基土改良方面的研究已取得了許多成果，比如針對鐵路工程中膨脹土進行了土工合成材料加固路堤的施工技術研究，就強夯法在膨脹土高填方路堤填筑中的應用進行了研究、對石灰穩定膨脹土效用及其施工質量控制進行了試驗研究等。目前就預防治理膨脹土路基病害的措施方法根據機理上的不同可分為邊坡支護與加固、壓實和換填法、土工織物加筋法、保濕法、土性改良法等幾大類，具體方法有改性土樁、粉噴攪拌樁強化基床、素混凝土和改性土骨架護坡、土工織物治理膨脹土基床病害、植物護坡、土釘墻等幾十種。

6 結論

該文通過借鑒前輩科研人員的研究成果并結合自身工作經驗，通過對公路膨脹土路基沉降和邊坡穩定性影響分析總結得出以下結論：

（1）膨脹土路基的主要病害有翻漿冒泥、路基波浪形沉降、路堤與路塹邊坡失穩、路基渣囊以及路肩縱向開裂與坍塌。

（2）荷載作用下膨脹土路基的沉降特性為次固結沉降影響小，而主固結沉降和瞬時沉降在公路使用期間和建設過程中隨荷載和時間一同變化。

（3）根據膨脹土路基脹縮沉降規律分析得出上層膨脹土沉降量相對較大，而中下層沉降量相對較小。

參考文獻

[1]李星. 公路膨脹土路基的沉降和邊坡穩定性研究[J]. 工程建設與設計， 2023（4）： 25-28.

[2]秦梓航. 膨脹土填方路基變形穩定特性及處治技術研究[D]. 南寧：廣西大學， 2021.

[3]翁曉波. 設置土工材料防水增強層的路基路面結構數值模擬研究[D]. 重慶：重慶交通大學， 2019.

[4]王文良. 膨脹土高填方變形控制及邊坡穩定性研究[D]. 西安：長安大學， 2018.

[5]張魯軍. 蒙自繞城高速公路工程膨脹土路基改良方案研究[D]. 重慶：重慶交通大學， 2015.

[6]馬昌林. 公路膨脹土路基邊坡穩定性計算及評價研究[J]. 西部探礦工程， 2011（4）： 173-177.

[7]柏松平. 云南復雜地質環境公路地質病害誘發機理及其對策研究[D]. 昆明：昆明理工大學， 2008.

[8]陳善雄. 膨脹土工程特性與處治技術研究[D]. 武漢：華中科技大學， 2006.

[9]楊衛紅. 寧淮高速公路馬武段膨脹土路基處理研究[D]. 南京：東南大學， 2006.

[10]龔文惠. 公路膨脹土路基的沉降和邊坡穩定性研究[D]. 武漢：華中科技大學， 2004.