高速鐵路膨脹土路塹設(shè)計及防治措施

高速公路膨脹土路塹設(shè)計及病害防治措施一膨脹土的成分和結(jié)構(gòu)膨脹土是現(xiàn)代工程地質(zhì)和土力學(xué)中出現(xiàn)的較新的專業(yè)技術(shù)名詞，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粘性土”。膨脹土是一種具有特殊膨脹結(jié)構(gòu)的粘性土，含有較多的粘粒，主要礦物成分為次生粘土礦物蒙脫石和伊利石，外觀多呈褐色、棕色、紅色、黃色、灰白色和灰綠色。天然狀態(tài)下的膨脹土一般處于硬塑狀態(tài)，土質(zhì)細(xì)膩、有滑感，含鈣質(zhì)結(jié)核或鐵錳結(jié)核，斜交裂隙和光滑面發(fā)育，呈碎粒狀或鱗片狀。膨脹土作為一種具有裂隙性、脹縮性和超固結(jié)性的高塑性粘土，在天然狀態(tài)下強度很高，但其對氣候環(huán)境變化特別敏感。當(dāng)含水量變化時，膨脹土遇水發(fā)生膨脹、失水發(fā)生收縮變形，表現(xiàn)出明顯的脹縮性。其自由膨脹率一般大于40%；干濕循環(huán)次數(shù)增加時，膨脹土強度降低幅度增大，具有崩解性。氣候變化時導(dǎo)致土體中裂隙擴展，更易于水分的侵入和蒸發(fā)，使土體極易風(fēng)化。由于各地區(qū)膨脹土的礦物組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造、土層埋藏深度和厚度及分布范圍等的不同，使得膨脹土的性態(tài)各異。膨脹土反復(fù)脹縮變形的特性以及雜亂分布的多裂隙結(jié)構(gòu)，對建筑物地基、道路和鐵路路基、機場跑道、渠道邊坡、堤壩等均有較嚴(yán)重的破壞作用。在道路工程中，膨脹土地區(qū)的公路病害如邊坡滑坍、路基波浪式沉陷變形、路肩開裂和坍塌等問題已越來越突出。對于膨脹土，有“逢塹必崩，無堤不塌”之說。膨脹土的公路病害往往具有多發(fā)性和反復(fù)性，不僅易造成公路工程地質(zhì)問題，長期潛在地威脅著公路工程的安全，而且嚴(yán)重影響公路的行運舒適性和使用壽命。近年來，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的迅速發(fā)展，高等級公路大量興建，會不可避免地遇到各類膨脹土的工程問題和工程災(zāi)害。工程建設(shè)的需要已對膨脹土問題的研究提出了一系列新的要求，加強膨脹土路基沉降和邊坡穩(wěn)定性問題的研究已迫在眉睫，也已成為我國工程地質(zhì)、巖土工程、和公路工程以及其他相關(guān)領(lǐng)域的熱點課題之一。西部是我國膨脹土分布較為廣泛的地區(qū)，膨脹土引起的公路病害也比較典型。西部大開發(fā)是實現(xiàn)我國地區(qū)發(fā)展平衡和可持續(xù)發(fā)展的重大舉措。西部開發(fā)，交通先行，而公路建設(shè)則是西部開發(fā)的重中之重。因此，開展西部膨脹土地區(qū)公路路基沉降和邊坡穩(wěn)定性的研究，對西部地區(qū)的公路建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義。二膨脹土的基本工程特性膨脹土形成的地質(zhì)年代，大都為第四紀(jì)晚更新世或更早些，少量為全新世，有些地區(qū)為第三紀(jì)。從成因看，各地區(qū)的膨脹土大都屬于泥炭巖和粘土巖的殘積物。膨脹土是一種特殊的粘性土。與一般粘性土相比，除了具有一般粘性土所具有的物理、化學(xué)和工程性之外，膨脹土在礦物成分、土體結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)等方面還具有不同的特點，從而決定了膨脹土具有特殊的力學(xué)和工程性質(zhì)。膨脹土的最大特性是隨干濕循環(huán)而反復(fù)脹縮，同時具有多裂隙性和超固結(jié)性。脹縮性是導(dǎo)致多裂隙性和超固結(jié)性的主要原因。脹縮性、多裂隙性、超固結(jié)性是土體內(nèi)部吸力和內(nèi)應(yīng)力變化的3種外在表現(xiàn)形式。多裂隙性使土體滲透性增大、抗剪強度降低，并且使抗剪強度參數(shù)的離散性增大。超固結(jié)性使土體具有較大卸荷回彈膨脹以及漸進破壞特性。膨脹土的脹縮性、多裂隙性、超固結(jié)性三者相互作用，共同決定著土體的變形和抗剪強度。1膨脹土的脹縮性膨脹土的脹縮性在形變上表現(xiàn)為吸水體積膨脹，失水體積收縮干裂;在應(yīng)力上表現(xiàn)為吸水內(nèi)部吸力消逝，且產(chǎn)生向外膨脹力，失水膨脹力消失而內(nèi)部吸力極大增強。膨脹土的脹縮性主要受自身的粘土礦物成分及其含量控制。蒙脫石、伊利石、高嶺石膨脹土中最主要的3種粘土礦物。蒙脫石親水性最強，伊利石次之，高嶺石最弱。膨脹土的脹縮性就是由于粘粒中含有一定數(shù)量的蒙脫石、伊利石的緣故。一般來講，蒙脫石含量在5%以上的土體就會有明顯的膨脹性。此外，粘粒具有較強的膠體化學(xué)性質(zhì)。土體中粘粒含量愈多，其液限就越高，膨脹性就越大。中國膨脹土粒度成分的特點是粘粒含量高，一般超過44%，最高超過81%。土體中含水量的變化是引起膨脹土脹縮變形的外在因素。實踐證明，膨脹土隨其含水量的不同而具有不同的脹縮特性。當(dāng)膨脹土處于干燥狀態(tài)時，具有高的膨脹潛勢，反之則低。但是，當(dāng)含水量很高時，處于接近飽和狀態(tài)的膨脹土則具有較高的收縮潛勢。膨脹土的脹縮變形同時伴隨著抗剪強度的改變。膨脹土除了吸水膨脹強度降低，失水收縮強度提高的特性外，同時還存在脹縮循環(huán)之間的強度衰減特性。2膨脹土的多裂隙性膨脹土普遍發(fā)育各種尺度、各種形態(tài)裂隙。裂隙按尺度大小可分為顯微裂隙、微裂隙及宏觀斷裂面3種類型。顯微裂隙一般為原生裂隙，呈閉合狀。微裂隙多為次生裂隙，呈微開狀，在肉眼下即可辨認(rèn)。斷裂面包括斜坡裂面、滑坡斷面和構(gòu)造軟弱面等。該斷裂面均有一定寬度，且延伸規(guī)模大，一般長數(shù)十米至數(shù)百米。斷面內(nèi)粘粒含量高，多以蒙脫石為主。宏觀斷面的抗剪強度很低，一般接近土體殘余強度或低于殘余強度。其存在對變坡的深層穩(wěn)定極其不利。膨脹土體的滲透性主要受其裂隙控制。膨脹土塊本身的孔隙度很小，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膨脹土的超固結(jié)性膨脹土的強烈收縮性及其粘粒的膠體性質(zhì)是其超固結(jié)性的2個主要原因。這2個原因比先期地質(zhì)覆蓋荷壓成因具有更普遍的意義。膨脹土的超固結(jié)性使其受壓時比一般粘性土具有更大的側(cè)向壓力（側(cè)向壓力系數(shù)較大），而卸荷時比一般粘性土產(chǎn)生更大的回彈膨脹。這兩點對挖方邊坡均產(chǎn)生不利影響。此外，超固結(jié)性使膨脹土邊坡體現(xiàn)為漸進破壞的特性。三膨脹土地區(qū)的公路路塹病害1路塹邊坡失穩(wěn)膨脹土路塹在旱季時，邊坡表面易遭風(fēng)化而發(fā)生剝落現(xiàn)象。雨季時，一些未加防護或防護不力的路塹邊坡，其表土在水流沖蝕下會形成坡面溝狀沖蝕現(xiàn)象，表層遭受強風(fēng)化和受水浸濕后易發(fā)生沿坡面向下的呈流塑狀態(tài)的局部溜塌、溜滑和較大規(guī)模的滑坡現(xiàn)象。路塹邊坡的破壞具有長期潛伏性，多在公路運營3~5年后發(fā)生滑坡不斷。有些堅硬狀態(tài)的膨脹土路塹邊坡，其破壞的潛伏期甚至更長。另外，膨脹土的路塹邊坡的失穩(wěn)具有淺層性。溜塌厚度一般在1m以內(nèi)，沒有明顯的滑面和裂縫，溜塌距離較短，通常能自行穩(wěn)定于坡面上。滑坡厚度多為1.0~3.0m，具有明顯的滑床，且滑床后壁陡直、前緣平緩?；露嘁誀恳匠霈F(xiàn)，成群發(fā)生，呈縱長形疊瓦狀。有的滑坡從坡腳一直牽引至坡頂，具有相當(dāng)大的破壞性。與一般地質(zhì)滑坡不同的是，膨脹土的滑坡體范圍與大氣影響深度、土的類型和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而與邊坡的外形和尺寸無明顯關(guān)系。因此，放緩邊坡坡度或降低邊坡高度，對提高膨脹土邊坡穩(wěn)定性的意義不大，要從根本上防止滑坡，應(yīng)采取有效的邊坡防護和排水防水措施，同時還需對坡內(nèi)膨脹土體進行改性或作其他加固處理。2路塹翻漿冒泥未經(jīng)換填或封閉處理的膨脹土路基，在旱季和雨季干濕循環(huán)效應(yīng)的作用下，加之車輛行駛荷載的作用，造成表面松弛。當(dāng)路面滲水、路基土被雨水浸泡后，土體崩解，強度降低，基床表層土發(fā)生泥化。在反復(fù)車輛荷載作用下，土中孔隙水壓力不斷積累，泥化的路基土在孔隙水壓力作用下擠入路面的粒料基層，并沿路面裂縫和伸縮縫等縫隙濺冒而出，從而導(dǎo)致路基發(fā)生翻漿冒泥的現(xiàn)象。路基的翻漿冒泥現(xiàn)象往往又會伴隨有路基的較大沉陷和路面的波浪變形，因此嚴(yán)重影響交通安全，甚至使交通中斷。3路塹路面沉降膨脹土的特殊性尤其表現(xiàn)為吸水膨脹、失水收縮的工程特性。和一般土體不同，膨脹土除在荷載作用下產(chǎn)生變形外，還會在含水量變化時產(chǎn)生明顯的脹縮變形。因此，膨脹土的變形可分為兩大類：一類是在土體自重和外加荷載作用下的壓縮變形，包括瞬時變形、主固結(jié)變形和次固結(jié)變形；另一類是在外荷載與浸水等共同作用下的濕脹變形，或在外加荷載與蒸發(fā)、風(fēng)干、水位下降等共同作用下的干縮變形。在施工和運營期間，膨脹土路基在受到風(fēng)化和雨水浸濕后，在濕脹干縮效應(yīng)的作用下，土體發(fā)生崩解。加之路幅內(nèi)土基的含水量的不均勻變化，致使土基產(chǎn)生不均勻沉陷，路面出現(xiàn)波浪式變形。路面的波浪式變形直接制約著車輛的行駛的速度，影響行運的舒適性，同時也隱埋了道路交通事故的導(dǎo)火索。四高速公路膨脹土路塹邊坡防護方案膨脹土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(fēng)化特性及強度衰減性。膨脹土的這些特性使得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)生大量的裂隙，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(yīng)，導(dǎo)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(yīng)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(yīng)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，這樣逐級傳遞下去，最終導(dǎo)致膨脹土邊坡的漸進破壞。因此對于膨脹土路塹邊坡防護方案的選擇，需結(jié)合膨脹土的工程特性、大氣影響深度以及工程地質(zhì)條件綜合考慮。1邊坡防護的原則根據(jù)前述膨脹土路塹邊坡破壞的特點以及以往膨脹土邊坡的防護經(jīng)驗，對膨脹土邊坡的防護要注意以下幾點：a） 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，同時應(yīng)防止土中水分被蒸發(fā)，避免邊坡土體的濕脹干縮變形。b） 要保持邊坡土體結(jié)構(gòu)的相對完整性，控制土體的風(fēng)化作用，盡可能防止水分在膨脹土邊坡內(nèi)產(chǎn)生顯著變化，防止土體強度的衰減。c） 對膨脹土的超固性所帶來的影響采取一定的防護措施，防護工程應(yīng)能適應(yīng)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。d） 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(yīng)盡可能考慮采用與周圍環(huán)境景觀相協(xié)調(diào)的生態(tài)防護方案以體現(xiàn)生態(tài)環(huán)保的新理念。2防護方案比較2.1常規(guī)膨脹土剛性防護常規(guī)膨脹土路塹邊坡防護一般采用的是剛性防護，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。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)整體強度較高，對于防止邊坡土體繼續(xù)風(fēng)化、抑制膨脹效果較佳。缺點：不能消除大氣影響深度內(nèi)膨脹土的變化，在大氣影響的作用下，同樣可以引起土體的脹縮變形，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)境等缺陷。2.2膨脹土改性邊坡防護高性能土壤固化劑（也稱“土壤穩(wěn)定劑”）是近年來國內(nèi)外土木和交通工程領(lǐng)域中不斷研發(fā)成功的一類新型土體加固材料。該材料具有適用范圍廣、改性效果好、性能穩(wěn)定、施工方便等諸多優(yōu)點，目前已在交通道路、環(huán)保工程和水土保持等領(lǐng)域逐步得到推廣使用。然而從國內(nèi)外已有的應(yīng)用成果和項目來看，土壤固化劑目前多應(yīng)用于路基土的改性和加固，而應(yīng)用于土坡，尤其是膨脹土路塹邊坡的水土流失防治和生態(tài)改性加固邊坡的工程實例所見不多。從理論上分析，膨脹土生態(tài)改性劑通過離子交換作用，改變膨脹土結(jié)構(gòu)特性來提高膨脹土的抗剪強度，增強膨脹土的水穩(wěn)性。一方面能減輕邊坡的水土流失，增強坡面的抗沖刷能力和作為植物綠化培植基的固化能力;另一方面由于固化后的坡面表層土的強度和抗?jié)B透性增加，可提高整個邊坡的穩(wěn)定性。優(yōu)點：基本消除或減弱邊坡表面脹縮特性，坡體表面土體強度大幅度提高，水穩(wěn)性好。缺點：土體改性深度取決于施工深度，打孔過多、過密時坡面易松散;不能作為存在潛在滑坡可能的邊坡治理方案；改性施工工藝的控制、改性對坡面植物綠化的影響以及邊坡改性的長期效果還需作進一步的研究。土工編織袋邊坡防護土工編織袋是國外常用來處理特殊地基的一種簡單方法，在日本已被廣泛應(yīng)用于新干線鐵路和高速公路中，土工編織袋是將素土、摻石灰或水泥的普通土、砂礫、礦渣、建筑垃圾等裝在織物袋中做成的。用于膨脹土路塹邊坡防護的土工編織袋能夠消除大氣對坡面的直接作用，減緩坡面水分的蒸發(fā)，延緩膨脹土中的水分遷移，從而減弱膨脹土的脹縮變形；同時土工編織袋護坡具有很好的整體性，如果膨脹土中有少許水分變化引起小量的脹縮變形，也能被土工編織袋調(diào)節(jié)消化，因此能起到柔性支擋作用；對于疊在外層的土工編織袋可以進行適當(dāng)?shù)木G化美化，以達到生態(tài)環(huán)保的效果。針對膨脹土路塹邊坡特點，設(shè)計遵循“緩坡率、寬平臺、固坡腳”的原則，在對坡面坡率放緩的基礎(chǔ)上對于坡腳應(yīng)力集中區(qū)采用綠色土工編織袋換填，施工時可采用如下施工工藝：a） 裝袋在取土點采用人工或機械裝土，要求置于土工編織袋內(nèi)的土須粉碎并統(tǒng)一采用3%~5%的石灰進行改性處治，石灰土的含水量要略大于最佳含水量；b） 鋪筑土工編織袋按照設(shè)計要求，分段開挖并將土工編織袋逐層堆砌，要求將袋口扎緊后折疊置于其自身底下。c） 整平用振動機械碾壓土工編織袋，將袋中土均勻振鋪在土工袋中，土工編織袋層間聯(lián)結(jié)處也采用3%~5%的石灰土填充，在人工整平好的土工編織袋上鋪5cm左右的薄層灰土，再堆砌一層土工編織袋，兩層間應(yīng)錯開疊碓，重復(fù)以上步驟，最后在土工編織袋頂部培筑粘土并夯實封閉。d） 鋪設(shè)網(wǎng)墊土工編織袋固土護坡腳施工完畢后，在坡腳上方剩余坡面鋪設(shè)三維土工網(wǎng)墊，待土工網(wǎng)鋪設(shè)完畢后對全坡面覆蓋營養(yǎng)土并進行植物混播。優(yōu)點：可有效地控制坡面脹縮變形，成本低環(huán)保效果明顯，屬于“綠色”填筑方法。缺點：施工相對復(fù)雜。土工格室邊坡防護土工格室是20世紀(jì)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