中国公路膨胀土工程问题得研究现状及展望.pdf

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1中国公路膨胀土工程问题、研究现状及展望郑健龙，杨和平（长沙理工大学，公路工程学院，410076）摘要：

公路膨胀土工程问题是我国高速公路建设中遇到的一大技术难题。

本文全面分析了我国公路膨胀土的分布状况以及在公路建设中造成的主要危害，回顾了我国公路膨胀土工程问题研究的状况，着重介绍了实施西部交通建设科技项目“膨胀土地区公路修筑成套技术研究”以来，我国公路膨胀土工程问题研究的新进展，并指出了今后需重点研究的方向。

关键词：

公路膨胀土；工程问题；分布状况；研究现状；展望1引言膨胀土是自然地质过程中形成的一种多裂隙并具有显著胀缩性的地质体，分布十分广泛，对各类浅表层轻型工程建设具有特殊的危害作用。

其粘粒成分主要由强亲水性矿物蒙脱石及其混层粘土矿物组成，具有超固结性、裂隙性、吸水显著膨胀软化，失水收缩开裂且反复变形等与正常固结粘土不相同的工程性质，加上土体中裂隙杂乱分布，修筑在典型膨胀土分布区的公路膨胀土路基常常是“逢堑必滑，有堤必坍”，而且这种破坏作用常具有多次反复性和长期潜在危害性。

因此，有人称它为“工程中的癌症”。

世界上迄今已经发现存在膨胀土的国家达40余个，遍及六大洲。

中国有3亿以上人口生活在膨胀土分布地区，每年因膨胀土造成的经济损失估计达150亿美元以上1。

中国的膨胀土及其工程问题具有显著特点：

1、分布广。

先后已有20多个省区发现膨胀土，其中广西、云南、四川、河南、湖北、安徽等地最为突出。

2、类型多。

各种成因类型的膨胀土如沉积类、残积类、岩溶侵蚀类都有。

3、性质复杂。

膨胀土工程问题不仅与土的成因、时代和演化历史有关，而且与气候环境（干旱、半干旱的热带、亚热带气候）、工程与膨胀土相互作用密切相关。

近年来，随着我国经济建设迅猛发展，高等级公路的大量修建，膨胀土对公路的危害和破坏日渐增多，日益引起交通部门和公路建设领域工程师们的高度关注，越来越多的工程师和研究者投入到公路膨胀土工程问题的研究，使公路膨胀土处治技术得到提高。

2002年6月交通部又专门立项，采取高等院校、科研、设计、施工单位联合的方式，开展膨胀土地区公路成套技术研究，无疑加快了公路膨胀土工程问题研究的步伐，使得研究工作更具深度、广度和系统性。

2公路膨胀土的分布状况及主要工程病害2.1公路膨胀土的分布状况公路运输在整个国民经济活动中一直发挥着重要作用，改革开放以来，随着我国社会经济持续快速增长，城市与城市、地区与地区之间的经济交往日益频繁，城市居民出行大幅度增加，客货流动急剧上升，其中很大部分要通过公路实现快速、高效和安全运输。

因此，上2世纪80年代末以来，中国开始了全国范围的大规模高等级公路建设，特别是实施西部大开发的战略以来，随着高速公路向山区、向西部地区快速延伸，公路膨胀土问题越来越突出，由此造成的经济损失和生态环境破坏日趋严重。

2.1.1几个主要膨胀土分布区的公路膨胀土问题据已有资料，江西在修建国道320时，通过宜春市区曾遇到“宜春膨胀土”，累计长度超过6公里；安徽312国道合肥至西葛段一级公路、蚌埠至光明高速公路沿线膨胀土广为分布；山东在修建泰安至莱芜一级专用公路、陕西在修建国道主干线GZ40洋县至缅县段、内蒙鄂尔多斯109国道东胜段以及江苏在修建宁连一级公路淮阴段都遇到膨胀土危害及路基处理问题；四川成都的几条出口高速公路成渝、成雅、成绵、成南及成都绕城高速公路修建时都受到“成都粘土”的困扰，造成路基病害增多、工程难度加大，工程造价大为增加；位于华中的江汉盆地、南阳盆地，膨胀土更是广为分布，上世纪九十年代以来所修建的高速公路如宜黄汉宜段、汉十、襄荆、孝襄、荆宜、樊魏、河南平汝公路宝丰至汝州段、京珠主干线安新高速韩陵山路段、南邓、许平南以及信南等多条高速公路上都发生膨胀土工程地质问题，有的公路膨胀土分布长度占全线总长的三分之二，因此，不少公路建设项目专门立题开展研究以解决膨胀土路基施工的难题。

2.1.2广西公路膨胀土问题广西是中国著名的膨胀土分布区，其中又以宁明盆地、百色盆地、南宁盆地最为典型和集中。

1987年在修建322国道时，南宁市明秀东路至五塘32公里范围内出现各种胀缩等级的膨胀土，公路施工中全路段的路基坍塌、边坡滑坍给工程带来严重损失，为处理路基破坏，共增设挡土墙和排水圬工体7万多立方米，增加工程投资350万。

该路段通车数年后，因膨胀土引起的路基病害还年年发生。

南梧路、水南路、南坛路、百罗路、宾南路等多条高速公路修建时都遇到膨胀土造成的严重破坏。

2002年开始修建的南宁至友谊关高速公路在穿越宁明盆地边缘时，遇到连绵十几公里的宁明膨胀土，造成路基的严重破坏，给工程施工带来极大困难，区域内几乎所有开挖堑坡都不同程度地坍滑，多处还发生多次滑坍，而路基填筑均采用远处借方、弃土换填，路堑开挖和清理坍塌边坡的膨胀土弃方量高达500多万方，造成公路沿线大量水土流失和生态环境破坏，成为南友高速公路建设中的最大技术难题之一。

因南友路建设造成的生态环境破坏估计若干年内还将产生后患。

2.1.3云南公路膨胀土问题云南也是全国著名膨胀土发育地区，多条高速公路建在膨胀土分布区，如安石公路碧安段、昆河公路鸡街至蒙自、新哨至黄凉田段、国道213线昭通至麻柳湾段、安宁至楚雄高速公路羊老哨段和温泉至禄裱段（累计长6.1km）、通建一级公路、昆曲高速公路，砚平至平远街高速公路平远街段等都不同程度的遭到膨胀土引起的各种程度的路基破坏。

云南楚大高速公路修建时遇到两处典型的膨胀土路段，其中K185+423K185+785路堑开挖的30多万方膨胀土全部废弃，K239+312K239+685挖方路段施工中两侧高边坡多次滑坍，353米长的路堑经多次整治，耗资千余万，路堑开挖的近70多万方膨胀土均废方远弃，造成弃土困难、环境破坏、水土流失，工程投资大大增加。

2.1.4西部开发公路建设中的膨胀土问题目前新一轮高速公路的建设高潮随着西部开发拉开序幕。

根据对全国各省区和各类工程近四十年的膨胀土研究成果资料及中科院地质与地球物理研究所30余年来对2000多个膨胀土土样品测试结果总结，中科院地质所曲永新研究员等人对全国23个省、市、自治区浅表层（30m以内）膨胀土的成因、时代、分布、工程特性、工程问题等进行详细归类整理，在此基础上对交通网上发布的规划建设中的国道主干线及西部8条省际区域路网沿线地质条件进行分析与预测，初步可确定西部拟建的21000km公路里程中有近3300km路段穿越膨胀土分布区。

由此可见，膨胀土工程地质问题已成为西部公路建设中最突出的工程问题之一。

32.2膨胀土地区公路主要病害总结十多年来高等级公路建设的经验不难发现，膨胀土对公路工程产生的严重破坏或危害其主要形式如下：

（1）滑坡：

无论是路堤还是路堑均有发生，是膨胀土路基最严重的病害。

路堤滑坡往往发生在填土或基底为膨胀（岩）土层的情况，滑体一般宽2050m，厚25m；路堑滑坡多发生在膨胀（岩）土分界面，裂隙面或软弱层处，宽数10m，厚一般34m，较少超过6m，具有成群分布、浅层性、牵引性、结构和构造性以及多次滑动性等特点。

（2）坍塌：

路基施工中到处可见，路堤坍塌多发生在路肩，坍壁一般不超过1m，宽几米或十几米不等；路堑坍塌较严重，多发生在堑顶，坍壁一般高23m，宽为几十甚至达到百米。

（3）溜坍：

路堤一般在坡腰和坡脚发生，厚度多小于1m，路堑多在已剥落、冲蚀或臌胀的坡面上产生，高度和长度均在数米内，厚多在0.20.6m，在长路堑边坡中也可见多个溜坍体连成的溜坍裙。

（4）边坡其它病害：

开裂发生在路肩和堑顶，方向平行于路线，缝宽13cm不等；臌胀由于土体剧烈膨胀致使边坡局部外臌，大多发生在坡腰或接近坡脚处；冲沟坡面受雨水冲刷所致，程度比一般土质边坡严重，且形成速度相当快；松散、剥落和泥流是表层土体性质、干缩湿胀、雨淋综合作用的结果。

（5）结构物破坏由于膨胀土胀缩变形和膨胀力作用，挡墙推移，墙身被剪断，涵洞基础下沉开裂，洞身断裂或涵底隆起，桥台开裂，桥梁锥坡和挡墙开裂外移等。

（6）路面变形、开裂和断板：

由于路基膨胀土胀缩变形或填方不均匀下沉，引起沥青路面产生波浪、拥包、沉陷，严重变形时可隆起10cm左右；半刚性基层、面层开裂引起早期破坏，水泥路面则发生纵向开裂（连续长可达数百米）、断板、唧泥等。

（7）水土流失等生态环境破坏：

路基施工中的借弃土方破坏地表植被，引起较严重的生态环境破坏。

3公路膨胀土工程问题研究的回顾如前所述，我国高等级公路的大规模修建始于20世纪90年代，过去由于公路等级低，定线设计时对地质不良地段尽量绕避，线路对地表的破坏小，公路路基受膨胀土破坏的问题不突出。

我国公路部门对膨胀土的危害及膨胀土地区筑路问题研究很少，上世纪80年代中后期，才出现一些零星的研究报道，主要还是介绍一些援外公路工程项目。

因此，公路行业对膨胀土的研究起步晚；上世纪90年代中后期，由于高速公路建设中遇到膨胀土工程问题日益增多，为了保证公路的顺利建成，解决工程施工中的具体问题，减少经济损失和生态环境破坏，一些通过膨胀土地区的公路的建设者陆续开始进行一些研究，主要集中在膨胀土路堤填筑技术、掺灰改性的方法和效果上，这期间有代表性的工作可概括如下：

3.1平汝公路膨胀土无级结合料改良试验研究二十世纪80年代末，河南平顶山市公路管理总段綦文贵等，针对平汝公路宝丰汝州段施工中存在的膨胀土路基工程多处出现严重病害造成重大工程损失的问题，专题立项开展了用无级结合料改良膨胀土的试验研究，主要研究了膨胀土中加入无机稳定剂石灰、水泥、粉煤灰碎石骨料等后的改性效果及在路基处理和路面基层中的应用，并开展了改良土的微观结构与强度的特性研究，探讨了经不同方法改良后的试件微结构、稳定性及硬化机理，总结提出了合适的改良方法以指导施工。

3.2交通部科研所开展的工作交通部科研所杨世基研究员结合援外工程、广西、贵州、山东、江苏等省几条公路修建，4对膨胀土路基压实控制方法、NCS改良剂改良膨胀土填料，公路膨胀土分类及膨胀潜势判别等开展过一些有意义的研究工作。

明确提出，用膨胀土填筑高等级公路路基不能单一地要求达到重型压实标准的规定，不但含水量大的膨胀土经晾晒极难达到其规定值，而且即使达到重型压实标准的干密度，也将会因饱和度低、浸水后膨胀率大，使强度降得很小，而不符合要求。

因此主张用填料的稠度进行压实控制，用能承受的重型压实机具分层进行路堤的最佳压实，并用轻型压实度达到95以上进行施工控制。

对过湿的膨胀土可用NCS改性剂减水改性处理。

此外，还根据公路工程特性，从膨胀土路基处理的工程实际出发，初步提出了公路路基膨胀土按CBR膨胀量、吸力和胀缩总率分类和判别指标，见表1。

表表表表1111公路膨胀土分类公路膨胀土分类公路膨胀土分类公路膨胀土分类分类承载比试验膨胀量VH%吸力sKPa胀缩总率eps%强膨胀土34404中等膨胀土2316044024弱膨胀土121001600.72.0正常土11000.7应该说这种压实控制的思路以及用CBR膨胀量指标进行膨胀土分类分级的提法切合公路工程实际，值得进一步探讨。

3.3广西膨胀土路基处治研究19921995年，长沙理工大学杨和平与广西公路局陈虔礼合作，立题开展了广西膨胀土公路路基稳定性研究，主要以322国道南宁出口段32Km膨胀土路基为依托，在广西大学柯尊敬教授对南梧路开展的大量膨胀土地质调查和土性试验的基础上，进行了南宁地区膨胀土成因、物质成分与工程性质、膨胀土地区路基破坏类型、特点及原因分析等系统研究，率先提出用柔性卷材封闭路堑边坡，用土工格栅稳定路堤边坡，开发应用土工织物加固膨胀土公路路基的设想，分析了预应力锚杆框架护坡在膨胀土边坡稳定中的作用，通过总结广西公路部门在膨胀土路基设计、施工、防护与加固中已有经验，初步提出了以封闭为主的一套膨胀土路基设计方法。

尔后，广西交通