膨脹土路基設(shè)計的幾點體會

膨脹土路基設(shè)計的幾點體會

擴張土在世界上的許多地區(qū)都有廣泛的分布。在膨脹土地區(qū)由于膨脹土的處理不當,無論是路堤或路塹都容易出現(xiàn)路基、路面與邊坡的變形破壞。阿爾及利亞東西高速公路是馬格里布高速公路的重要組成部分,即從毛里塔尼亞首都努阿紹特至利比亞的東部邊境處,全長近7000km。在阿爾及利亞境內(nèi)長約1216km,路線橫貫阿爾及利亞北部沿海重要城鎮(zhèn),項目區(qū)域范圍內(nèi)廣泛分布有膨脹土。業(yè)主招標合同要求采用歐洲標準,其中主要以法國的規(guī)范體系為主。筆者有幸參與這一宏偉工程部分標段的設(shè)計,本文結(jié)合對法國規(guī)范的理解談談膨脹土路基設(shè)計的體會。1膨脹土的分類膨脹土是指粘粒成分主要由強親水性礦物組成,具有反復脹縮性的特殊性粘土。其礦物成分中含有較多親水性較強的蒙脫石或伊利石。這些親水性粘土礦物成分遇水膨脹,失水收縮,不僅具有明顯的脹縮性,而且具有崩解性、多裂隙性、超固結(jié)性、風化特性及強度衰減性。國內(nèi)一般根據(jù)公路路基設(shè)計規(guī)范,對于自由膨脹率>40%和液限>40%的粘土初判為膨脹土,再依據(jù)脹縮總率eps進行詳判:當eps≤0.7%時為非膨脹土,0.7%<eps≤2%時為弱膨脹土,2%<eps≤4%時為中等膨脹土,當eps>4%時為強膨脹土。法國規(guī)范中對于膨脹土的分類相關(guān)規(guī)定較少,一般有兩種方法。第一種是參照VanDerMerwe圖(1964年的方法,見圖1),根據(jù)各類土中小于0.002mm的顆粒含量及IP(塑性指數(shù))值,判定膨脹土的膨脹潛勢。根據(jù)現(xiàn)場取樣試驗與國內(nèi)膨脹性試驗的對比結(jié)果為:①區(qū)材料基本對應于國內(nèi)非膨脹土;②區(qū)材料基本對應于國內(nèi)的弱膨脹土;③區(qū)材料基本對應于國內(nèi)的中等膨脹土;④區(qū)材料基本對應于國內(nèi)的強膨脹土。第二種是根據(jù)法國標準NFP94-091測出膨脹力,按照膨脹力的指標σg(參見表1,具體指標見法國《CourPratiqueDeMécaniqueDesSols,1981》)對膨脹土進行膨脹分級。一般而言,第一種分類方法優(yōu)點在于簡單易行,利用常規(guī)試驗可對所有土類進行初步判別,缺點在于該方法判別的結(jié)果是所有土類均具有膨脹特性。該分類方法可用于區(qū)域范圍內(nèi)土類膨脹潛式的初判。在第一種分類方法的基礎(chǔ)上再進行膨脹力的試驗,根據(jù)膨脹力試驗結(jié)果進行分類。第二種分類方法可以作為膨脹土的詳判。2土類劃分trt國內(nèi)對于膨脹土的利用,一般規(guī)定如下:弱膨脹土若脹縮總率eps不超過0.7%,可直接作為路基填料使用;中膨脹土需要進行摻灰改性,摻灰改性后脹縮總率eps不超過0.7%可作為路基填料使用;強膨脹土不應作為路堤填料使用。法國規(guī)范中對于膨脹土的材料利用沒有明確的規(guī)定,一般對于材料的能否利用以及如何利用按照GTR(GuideTechniqueRealization,公路土方指南)執(zhí)行。GTR進行土類劃分時,首先根據(jù)天然材料在機械作用或者水流作用下是否分解分為土類和巖石類;其次對于土類中有機物含量的百分比≤3%的劃分為一般土類,土類中有機物含量的百分比>3%的劃分為有機質(zhì)土。一般土類根據(jù)材料的物理特性(粒徑級配、塑性指數(shù)IP和亞甲藍值VBS)、力學特性(LosAngeles系數(shù)和micro-deval系數(shù)值)和狀態(tài)參數(shù)進行分類。一般分為A、B、C和D等4類。通過對膨脹潛式圖和GTR分類的對比,可以得知膨脹土主要屬于GTR分類中的A類土。位于①區(qū)和②區(qū)的弱～中等膨脹土,按GTR分類多為A1或A2的土質(zhì),認為其膨脹性很小,可以作為正常填料使用(按照GTR的規(guī)定,如材料處于過濕或者過干狀態(tài),仍然不能直接使用,應采用晾曬或散水的方式進行處理)。位于③區(qū)的強膨脹性土,按GTR分類多為A3,一般考慮摻灰改性處理。位于④區(qū)的超強膨脹土或者GTR分類為A4(GTR中明確指出必須經(jīng)過專門研究才能判斷能否作為填料),應棄除,不考慮作為填料。3膨脹土邊坡防護膨脹土路塹邊坡與正常土路塹邊坡有著不一樣的特點。首先,膨脹土表層存在一個大氣影響區(qū),在大氣影響區(qū)內(nèi)膨脹土受環(huán)境影響顯著。路塹邊坡開挖后,坡面土體受脹縮影響產(chǎn)生裂隙,這些裂隙成為水分入滲的通道。隨著時間的推移表面裂隙向深處發(fā)展,同時與土體內(nèi)原存在的結(jié)構(gòu)裂隙進一步連接擴張,從而使得膨脹土內(nèi)水分的遷移變得十分顯著。由于土體的濕脹干縮效應,導致膨脹土體強度產(chǎn)生變化。其次,由于膨脹土大都具有超固結(jié)性,初始結(jié)構(gòu)強度較高。在邊坡開挖過程中,隨著上覆土層重量的卸除,引起土體超固結(jié)應力釋放,使得開挖土體范圍內(nèi)出現(xiàn)卸荷膨脹變形,并在坡腳形成應力集中區(qū)和較大的塑性區(qū)。隨著開挖的不斷進行,上部的松動對下覆土層會產(chǎn)生牽引力,這樣一級一級地傳下去,形成膨脹土邊坡的漸進破壞。國內(nèi)傳統(tǒng)膨脹土路塹邊坡防護采用的是剛性防護,主要方式有漿砌片石、混凝土六角塊滿鋪防護、骨架+植草護坡等。剛性防護的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)整體強度較高,對于防止邊坡土體繼續(xù)風化、抑制膨脹效果較佳。缺點在于不能消除大氣影響深度內(nèi)膨脹土的變化,不能從根本上解決膨脹土體的脹縮問題。同時剛性防護還有產(chǎn)生眩光、噪聲,不能還原生態(tài)環(huán)境的缺陷。目前國內(nèi)已逐步拋棄剛性防護,采用生態(tài)的防護方法。本項目對于膨脹土邊坡防護要求比較高,一般不采用剛性邊坡防護形式,盡量采用生態(tài)邊坡防護。在制定邊坡防護方案時考慮原則如下:(1)要保持邊坡土體天然含水狀態(tài)的相對穩(wěn)定,防止地面水與地下水滲入路塹邊坡,同時防止土中水分被蒸發(fā),以免邊坡土體的濕脹干縮變形;(2)要保持邊坡土體結(jié)構(gòu)的相對完整性,控制土體的風化作用,盡可能防止水分在膨脹土邊坡內(nèi)產(chǎn)生顯著的變化,防止土體強度的衰減;(3)對膨脹土的超固結(jié)性所帶來的影響采取一定的防護措施,防護工程應能適應邊坡膨脹土體可能產(chǎn)生的膨脹變形與膨脹力而不遭破壞;(4)邊坡防護在滿足基本功能及確保路塹邊坡穩(wěn)定的前提下,應盡可能考慮采用與周圍環(huán)境景觀相協(xié)調(diào)的防護方案。具體設(shè)計時對于膨脹土類別為弱～中(土質(zhì)為A1、A2)的挖方邊坡,按普通邊坡處理,一般直接覆蓋耕植土綠化防護。對于膨脹土類別為強～超強(土質(zhì)為A3、A4、泥巖和泥灰?guī)r等)的除考慮邊坡穩(wěn)定性外,需加強截水和排水處理,盡量考慮放緩邊坡,對邊坡坡面進行防護,一般推薦的邊坡防護方案有以下幾種。(1)土工網(wǎng)覆蓋耕地植土綠化首先鋪設(shè)一層土工布并固定在坡面上;其次通過熱焊將一層地質(zhì)膜放置在土工布上,并埋在坡頂和坡底的兩端來固定;然后將一層三維土工網(wǎng)放置在地質(zhì)膜上,并埋在坡頂和坡底的兩端用來固定;最后在三維土工網(wǎng)上覆蓋耕植土綠化防護。該方案為CCTP推薦,目前在國內(nèi)很少使用。(2)混凝土格室首先鋪設(shè)一層土工布并固定在坡面上;其次固定已拉開的格室,采用聯(lián)接錨釘對搭接處進行聯(lián)接,然后采用固定錨筋將土工格室錨固于坡面上;最后在格室內(nèi)回填耕植土進行綠化防護。土工格室是20世紀80年代國際上開發(fā)出來的一種新型特種土工合成材料,它是由高強度HPDE片材焊接形成的一種立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。它主要是利用網(wǎng)格體系與土體產(chǎn)生的摩擦和對土體約束在坡面形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體,達到減輕水流對坡面沖刷、防止坡面表層土體坍塌、加固土體的目的。目前該方案在國內(nèi)外均有應用。(3)回填和土工布分層膠結(jié)加筋形式有多種選擇,可以采用土工編織袋或者分層設(shè)置土工布的形式。采用土工編織袋形式時,坡面開挖后,將裝有土的土工編織袋分層回填;采用土工布分層加筋形式時,分層設(shè)置土工布并包裹,分層回填,分層夯實。最后在邊坡表面覆蓋耕植土綠化。目前該方案在國內(nèi)外均有應用。(4)現(xiàn)場材料覆蓋改土和覆土首先進行邊坡開挖;其次在開挖后的坡面上覆蓋一層土工布;然后將邊坡開挖范圍內(nèi)土體換填為非膨脹土(換填材料可以根據(jù)現(xiàn)場材料的來源采用透水性材料、粘土或者改性土等);最后在邊坡表面覆蓋耕植土綠化。目前該方案在國內(nèi)外均有應用。具體防護方案的選擇,需結(jié)合工程地質(zhì)條件、膨脹土的工程特性、大氣影響深度、材料的來源以及施工技術(shù)條件綜合選擇。4膨脹土膨脹變形公式國內(nèi)對于膨脹土地基的處理,規(guī)范中僅給出了原則性指導意見:一般是挖除地表0.3～0.6m厚的膨脹土,并將路床換填為非膨脹土或摻灰處理;若為強膨脹土,建議加深換填深度,一般建議挖除深度達到大氣影響深度。以上規(guī)定僅為原則規(guī)定,缺少路基填土高度控制標準和地基處理深度的控制標準,設(shè)計人員在膨脹土地基處理時只能根據(jù)經(jīng)驗來進行設(shè)計。阿爾及利亞特萊姆森大學MAMOUNE和BEKKOUCHE通過對特萊姆森地區(qū)土層參數(shù)與土的變形的關(guān)系進行統(tǒng)計,根據(jù)統(tǒng)計回歸出該地區(qū)的膨脹土的膨脹變形公式。利用該公式,筆者對RELIZANE地區(qū)的膨脹土的膨脹變形進行了計算。計算結(jié)果表明,該公式不適用于RELIZANE地區(qū)。該公式具有地區(qū)的局限性,無法進行大規(guī)模的推廣,無法解決膨脹土地基的變形計算問題。我們通過法國規(guī)范規(guī)定的膨脹土試驗,找到一種膨脹土在飽水狀態(tài)下,其膨脹力(σg)、外加應力(σ)和膨脹變形(ΔH)三者之間的關(guān)系。進而對應于某種明確的受力狀態(tài),可以通過已知的關(guān)系式求出對應的膨脹變形。具體方法如下。4.1不同地形條件對膨脹土厚度的影響參考法國《NFP94-091膨脹試驗》中有關(guān)規(guī)定,膨脹土膨脹變形計算公式為:ΔΗΗ=-Rg?lg(σgσ)(1)ΔHH=?Rg?lg(σgσ)(1)式中:ΔH為計算影響深度范圍內(nèi)膨脹土的變形,m;H為計算影響深度范圍內(nèi)膨脹土層厚,m;Rg為地基土的膨脹比,主要反映ΔΗΗ～lgσΔHH～lgσ的關(guān)系,可利用國內(nèi)荷載膨脹量試驗取得。影響深度H一般為大氣影響深度,應由各氣候區(qū)土的深層變形觀測、含水量觀測及地溫觀測資料確定。為簡化計算,可以按照最不利條件考慮,綜合考慮地表水和地下水對膨脹土的影響。對于填方路段的計算影響深度:(1)當?shù)叵滤宦裆钚∮?m,計算影響深度取5m;(2)當?shù)叵滤宦裆畲笥?m,計算影響深度取3m。對于挖方路段的計算影響深度,以路槽底起往下確定。一般挖方路段的地下水位埋深均較深,僅考慮地表水及大氣環(huán)境濕度的影響,計算影響深度取2m。σg為地基土的膨脹力(kPa)。在體積不變的情況下,土體吸水膨脹時所產(chǎn)生的內(nèi)應力,可直接應用國內(nèi)膨脹力試驗取得。σ為計算點處膨脹土的上覆壓力(kPa),一般:(1)當σg≤σ,地基土無膨脹變形;(2)當σg>σ時,地基土有膨脹變形,膨脹變形值為ΔH。4.2h5m的地基處理膨脹土地基是否需要處治以及處治的深度可以通過膨脹值的計算確定。根據(jù)目前高速公路建設(shè)所取得的經(jīng)驗,一般認為ΔH≤5cm時,膨脹土變形對路面的影響可以忽略,不需要對地基進行特殊處理;當ΔH>5cm時,需進行處理。目前采用的處治措施如下:(1)地基土換填或改性,根據(jù)公式(1)確定換填或改性的深度,以滿足ΔH≤5cm為標準;(2)調(diào)整最小填土高度,根據(jù)公式(1)計算出路基最小填土高度,以滿足ΔH≤5cm為標準。在上述基底處治的基礎(chǔ)上加強路基防水和排水設(shè)計。5基地質(zhì)量參數(shù)本文以西標段某一挖方段為例,介紹膨脹土路基設(shè)計的應用。該段落樁號位于K2+350～K3+675,路面結(jié)構(gòu)為26.5cm路面體+30cm墊層。該段落最大挖深7.64m,主要工程地質(zhì)層:(1)耕植土,灰褐色,含植物根系,松散,厚度一般為0.35～0.50m;(2)低液限粘土,灰黃色-褐黃色,含鈣質(zhì)結(jié)核及團塊,局部含砂粒,極硬。土性參數(shù)見表2。根據(jù)表2可知,該段落土類GTR分類為A2類土。該區(qū)域地基土具有弱～中膨脹潛式。對該區(qū)域地基土進一步取樣進行相關(guān)膨脹性試驗,試驗結(jié)果見表3。進一步的膨脹性試驗結(jié)果表明,該區(qū)域地基土為弱～中膨脹性土。按照公式(1)的要求,選擇K3+500典型斷面進行計算,膨脹變形