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膨胀土路基处理

班尼的专业地带

膨胀土路基处理

　一问题的提出

膨胀土是指粘粒成份主要由强条水性矿物质组成，并且具有显著胀缩性的粘性土。

在我省陕南地区分布较为广泛。

在安康生物科技工业园区道路施工图设计中，通过对该地区进行地质勘测，发现该地区出露的地层主要为膨胀土，该土具有吸水膨胀.失水收缩并往复变形的性质，对路基的破坏作用不可低估，并且构成的破坏是不易修复的。

为了保证道路在较长时间内路基的稳定和路面的平整度，达到安全.舒适行车的目的，必须解决因膨胀土而造成的一系列工程问题。

所以，膨胀土的处理是本工程的重要课题。

二膨胀土的物理性质及力学性质分析

膨胀土按粘土矿物分类，可以归纳为两大类：

一类以蒙脱石为主，另一类以伊力土和高岭土为主。

蒙脱石粘土在含水量增加时出现膨胀，而伊力土和高岭土则发生有限的膨胀，引起膨胀土发生变化的条件，分析概述如下：

1．含水量

膨胀土具有很高的膨胀潜势，这与它含水量的大小及变化有关。

如果其含水量保持不变，

则不会有体积变化。

在工程施工中，建造在含水量保持不变的粘土上的构造物不会遭受由膨胀而引起的破坏。

当粘土的含水量发生变化，立即就会产生垂直和水平两个方向的体积膨胀。

含水量的轻微变化，仅1%∽2%的量值，就足以引起有害的膨胀。

在安康地区，膨胀土对人们的危害较大，建造在膨胀土上的地板，在雨季来临时，土中含水量增加引起的地板翘起开裂屡见不鲜。

一般来讲，很干的粘土表示有危险。

这类粘土能吸收很多的水，其结果是对结构物发生破坏性膨胀。

反之，比较潮湿的粘土，由于大部分膨胀已经完成，进一步膨胀将不会很大。

但应注意的是，潮湿的粘土，在水位下降或其它的条件变化时，可能变干，显示的收缩性也不可低估。

2．干容重

粘土的干容重与其天然含水量是息息相关的，干容重是膨胀土的另一重要指标。

γ=18.0KN/m³的粘土，通常显示很高的膨胀潜势。

在安康地区，人们对这种土的评语是“硬的象石头”。

这表明着粘土将不可避免地出现膨胀问题。

3．力学性质

在工程地质中，这种粘土的膨胀现象很普遍，我们通过土工实验，得出粘土的力学指标，以供土质力学上的计算。

通常对膨胀土的力学分析，主要是对其膨胀潜势和膨胀压力的研究后得出的。

Ⅰ.膨胀潜势

膨胀潜势：

简单的讲，就是在室内按AASHO标准压密实验，把试样在最佳含水量时压密到最大容重后，使有侧限的试样在一定的附加荷载下，浸水后测定的膨胀百分率。

膨胀率可以用来预测结构物的最大潜在的膨胀量。

膨胀量的大小主要取决于环境条件，如润湿程度.润湿的持续时间和水分的转移方式等。

因此，在工程施工中，改造膨胀土周围的环境条件，是解决膨胀土工程问题的一个出发点。

Ⅱ.膨胀力

膨胀力，也就是膨胀压力。

通俗的讲，就是试样膨胀到最大限度以后，再加荷载直到回复到其初始体积为止所需的压力。

对某种给定的粘土来说，其膨胀压力是常数，它仅随干容重而变化。

因此，膨胀力可以方便的用作衡量粘土的膨胀特性的一种尺度。

对于未扰动的粘土来讲，干容重是土的原位特征。

所以在原位干容重时土的膨胀压力可以直接用来论述膨胀特性。

4．土工实验

为了全面的了解膨胀土的物理及力学特性，指导安康生物科技工业园区道路路基的施工设计，特对该地区进行了地质勘察，并进行了一系列土工实验。

从实验的数据中可以发现含水量.干容重等外部及内部因素对膨胀土所产生的力学变化。

以下土工实验由中国有色金属工业西安勘察设计研究院完成.

土工实验报告表一

试验编号土样编号钻孔取土深度（m）含水量ω%天然容重γKN/m³干容重γKN/m孔隙比e孔隙度n%塑性指数Ip%液性指数IL压缩系数aMpa压缩模量EMpa

383Ⅰ?

11.025.719.415.50.73942.517.70.040.1511.8

384Ⅰ?

22.029.018.114.00.92147.917.50.250.434.5

385Ⅰ?

33.023.819.015.40.74642.817.5<00.208.9

386Ⅰ?

44.326.118.614.80.81845.018.10.030.1314.3

387Ⅰ?

56.025.619.115.20.76543.318.10.010.266.9

388Ⅰ?

68.021.520.416.80.60137.516.9<00.0917.4

土工实验报告表二

试验编号土样编号钻孔取土深度（m）各级压力下的膨胀率δe0δe50δe100δe200%自由膨胀率δef%膨胀力PeKpa收缩系数λn

383Ⅰ?

11.0-0.78-0.090.571.5464560.48

384Ⅰ?

22.0-0.271.272.053.335680.46

385Ⅰ?

33.0-2.960.000.581.0046500.35

386Ⅰ?

44.3-10.80?

5.80?

3.01?

0.42702180.37

387Ⅰ?

56.0-2.150.671.251.7869310.47

388Ⅰ?

68.0-3.90-0.670.100.6063940.49

综上所述，膨胀土的变化除了土的膨胀与收缩特性这两个内在的因素外，压力与含水量的变化则是两个非常重要的外在因素。

准确地了解膨胀土的特性及变化的条件，就有可能估计到建造在这个地基上的路基及构造物将会产生怎样的变形，从而采取相应的地基处理措施。

三膨胀土路基处理

在对安康生物科技工业园区的道路工程设计中，针对膨胀土的物理性质及力学性质，根据地质勘测的详实报告及有关处理膨胀土的经验，设计中采用了综合处理的思想，并进行了针对性的研究，提出如下措施：

（1）填高不足1米的路堤，必须换填非膨胀土，并按规定压实。

（2）使用膨胀土作填料时，为增加其稳定性，采用石灰处治，石灰剂量范围10%∽12%，要求掺灰处理后的膨胀土，其胀缩总率接近零为佳。

（3）路堤两边边坡部分及路堤顶面要用非膨胀土作封层，必要时须铺一层土工布，从而形成包心填方。

（4）路堑边坡不要一次挖到设计线，沿边坡予留厚度30∽50cm一层，待路堑挖完后，再削去予留部分，并以浆砌花格网护坡封闭。

（5）路堤与路堑分界处，即填挖交界处，两者土内的含水量不一定相同，原有的密实度也不禁相同，压实时应使其压实的均匀.紧密，避免发生不均匀沉陷。

因此，填挖交界处2米范围内的挖方地基表面上的土应挖成台阶，翻松，并检查其含水量是否与填土含水量相近，同时采用适宜的压实机具，将其压实到规定的压实度。

（6）施工时应避开雨季作业，加强现场排水。

路基开挖后各道工序要紧密衔接，连续施工，时间不宜间隔太久。

路堤.路堑边坡按设计修整后，应立即浆砌护墙.护坡，防止雨水直接侵蚀。

（7）膨胀土地区路床的强度及压实标准应严格遵守国家有关规定.规范。

四结束语

膨胀土是影响道路及其它构造物建设的一种特殊土质，在实际工程中，其破坏力是巨大的。

解决膨胀土的问题，应着重从影响其物理.力学性质变化的内在因素和外在因素上考虑，从而通过改变土的力学性质达到处理的目的。

一个工程有其自身的特点及建设条件，在安康生物科技工业园区道路设计中，处理膨胀土的措施正在施工中应用，有的措施已显示出良好效果，有些对其功效尚需进一步实践证明。

参考文献：

（1）《安康生物科技工业园区道路施工图》（陕西省城乡规划设计研究院）

（2）《膨胀土上的基础》陈孚华著

（3）《岩土工程勘察报告书》（中国有色金属工业西安勘察设计研究院）

-作者：

bennygg20082004年12月4日,星期六15:

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半刚性基层沥青路面典型结构设计

黄　晓　明

【东南大学交通学院　南京210018】

摘要：

通过对江苏、安徽、浙江三省高等级公路若干线段及沪宁高速公路无锡试

验段的调查、测试和分析，提出了高等级公路半刚性基层沥青路面典型结构图式

及其注意事项，对半刚性基层沥青路面的结构设计具有较好的参考价值。

关键词：

半刚性　基层　沥青路面　结构设计

1　概述?

　　我国90%以上的高等级公路沥青路面基层和底基层采用半刚性材料。

半刚性基层沥青路面已经成为我国高等级公路沥青路面的主要结构类型。

　　在七?

五期间，国家组织开展了“高等级公路半刚性基层、重交通道路沥青面层和抗滑表层的研究”的研究工作，对沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性，沥青面层的开裂机理、车辙和疲劳、抗滑表层设计和应用、半刚性基层材料的强度特性和收缩特性，组成设计要求等进行了深入的研究工作，提出了较为完整的研究报告，为高等级公路半刚性基层沥青路面的设计和施工提供了理论依据和技术保证。

　　由于现行的《柔性路面设计规范》颁布于1986年，随着国家对交通运输业的日益重视和人们筑路经验的不断提高，一致认为1986年版的《柔性路面设计规范》已不能满足高等级公路半刚性基层沥青路面的需要。

由于对半刚性基层认识不足，使得设计结果具有一定的盲目性，设计结果要么过分保守，要么因路面结构设计不当而产生早期破坏，造成很大的经济损失。

因此，如何利用七?

五国家攻关项目取得的成果，结合近十年来半刚性基层沥青路面的设计和施工经验，根据实际使用效果，提出适合本地区特点的路面结构，对路面结构设计方法的更新和路面实际使用效果的改善具有重要的意义。

根据江苏、安徽、浙江高等级公路的实际，江苏在镇江、无锡、苏州、徐州、连云港共计4线10段进行调查，安徽在合肥、马鞍山、淮南三市调查了3线8段，浙江在嘉兴和杭州调查了2线5段共计9线23段。

调查的路面结构具有一定的典型性。

2　国内外研究概况?

2.1　国外国道主干线基层的结构特点

　　国外国道主干线基层结构有以下特点：

（1）多数采用结合料稳定的粒料（包括各种细粒土和中粒土）及稳定细粒土（如水泥土、石灰土等）只能用作底基层，有的国家只用作路基改善层。

法国和西班牙在重交通的高速公路上，要求路面底基层也用结合料处治材料。

（2）使用最广泛的结合料是水泥和沥青，石灰使用得较少。

此外，还使用当地的低活性慢凝材料和工业废渣，如粉煤灰、粒状矿渣等。

　　（3）有的国家用沥青稳定碎石做基层的上层，而且用沥青做结合料的结构层的总厚度（面层+基层的上层）常大于20cm。

　　经过几十年的总结，国外在半刚性基层沥青路面结构组合上虽有所改进，但半刚性材料仍是常采用的基层和底基层材料。

2.2　国外典型结构示例?

　　国外沥青路面结构设计方法经过几十年的完善，已经提出了比较成熟的设计方法，并且许多国家提出了典型结构设计方法，表1给出了法国典型结构一个范例。

表1?

土的等级

交通等级

PF1

PF2

PF3

To（750-2000）

7BB+7BB+25GC+25GC

7BB+7BB+25GC+20GC

7BB+7BB+25GC+25GC

T1（300-750）

8BB+25GC+25GC

8BB+25GC+20GC

8BB+20GC+20GC

T2（150-300）

6BB+25GC+22GC

6BB+22GC+20GC

6BB+20GC+18GC

T3（50-150）

6BB+22GC+20GC

6BB+18GC+18GC

6BB+15GC+15GC

　　注：

（1）交通等级栏下括号内的数值指一个车道上的日交通量，以载重5t以上的车计；?

（2）PF1，PF2和PF3指土的种类和土基的潮湿状态，PF1相当于一般的土基；?

　　　　（3）BB指沥青混凝土，GC指水泥粒料；?

　　　（4）表中数字单位为cm。

　　一些国家在高等级公路上实际采用过的半刚性基层沥青路面结构见表2。

一些国家在高等级公路上实际采用过的半刚性基层沥青结构表　　表2

国家

沥青层厚度（cm）

半刚性材料层厚度（cm）

备注

日本

20～30

水泥碎石，30～20

荷兰

20～26

水泥碎石，40～15

西德

贫混凝土，15

另有防冻层

英国

9.5～16.9

贫混凝土，15另

有底基层

瑞典

12.5

水泥粒料

南非

17.5

水泥砂砾，30

西班牙

水泥粒料

当前的规定

2.3　其它高速公路路面结构?

沥青路面典型结构设计?

表3?

道路名称

长度

（km）

路面结构

面层（cm）

基层（cm）

底基层（cm）

广佛路

15.7

4　中粒式

5　细粒式

25　水泥碎石或

31水泥石屑

25-28水泥土

沈大路

375

4　中粒式

5　细粒式

6　沥青碎石

25　水泥碎石

京津塘

142.5

5　中粒式

6　细粒式

12　沥青碎石

25　水泥碎石

30　石灰土

京石

4　中粒式

8　沥青碎石

15　二灰碎石

40　石灰土

济青路

15-18开级配中粒式

38-40二灰碎石

42　石灰土

　　正在建设的沪宁高速公路路面结构如表4。

表4

标段

结构

层

面层

基层

LFA

底基层

LFS

LFD

　　　　　　注：

AC-沥青面层（4cm中粒式，6cm粗粒式，6cm中粒式）；?

　　　　　　　　　　LFA-二灰碎石，LF-二灰，LS-石灰土；?

　　　　　　　　　　LFS-二灰土，LFD-二灰砂。

　　国内七?

五期间修筑的主要几条试验路的结构、实体工程及正在建设的一些高等级公路的结构表明，半刚性基层是沥青路面最主要的结构类型，同时，不同设计人员所提出的结构组合相差较大，甚至，对同一条路，不同设计单位设计的路面结构相差也很大。

因此，根据设计与施工经验提出的适应不同地区的典型结构具有一定的理论意义和实践意义。

3　路面结构调查?

　　典型结构调查要求选择的路线及路段具有典型性，公路等级要求是二级或二级以上的半刚性基层沥青路面，施工质量达到一定的水平，或者由专业队伍承担施工任务。

施工质量检查比较严格，如有相应的试验路段，尽可能根据当时试验目的及原始测试数据进行跟踪调查。

　　选择的调查路段使用年限应达到三年以上，并有一定的交通量。

路段应包括不同的路基结构（即填控情况）不同的地带类型，不同的路面结构（含不同材料和不同厚度），不同的使用状态（如完好，临界和破坏）和不同的交通量。

被选择的路段的基层结构应符合《公路路面基层施工技术规范》的规定，即不是用稳定细粒土或悬浮式石灰土粒料做的基层。

路段长度在100～500m之间。

为此，浙江、江苏和安徽分别选择320国道嘉兴段，104国道萧山段，206国道淮南段，205国道马鞍山段，合蚌路，312国道镇江、无锡、苏州段，310国道新墟段、徐丰线进行全面的调查和测试。

　　根据选择路段的基本情况，本次典型结构调查路段选择具有以下特点：

（1）反映了不同地区，不同的道路修建水平；?

（2）反映了不同地区，不同的路面结构组合类型；?

　　（3）包括了表处，贯入式等一般二级公路采用的结构，也包括了高速公路采用的结构；?

　　（4）包括中间夹有级配碎石连结层的路面结构；?

　　（5）反映了经济和地区水平的差异；?

　　（6）包括了不同地区主要使用的半刚性基层材料。

3.1　路段测试内容及测试方法

　　本次路况测试主要包括：

外观、平整度、车辙、弯沉、摩擦系数及构造深度。

外观测试是裂缝、松散、变形等破坏的定量描述；弯沉由标准黄河车（后轴重10t）及5.4m（或3.6m）弯沉仪测试；摩擦系数由摆式摩擦系数测定仪测试；构造深度由25ml标准砂（粒径0.15～0.3mm）摊铺得；平整度为3m直尺每100m路段连续测10尺所得统计结果；车辙是3m直尺在轮迹带上所测沉陷深度。

3.2　数据采集方法

（1）合理性检验。

由于实测数据存在偶然误差，因此，在进行误差分析之前，须去除观测数据中那些不合理的数据，代之以较合理的数据，进行合理性检验。

　　实际工作中常用3σ原则和戈氏准则，3σ原则较近似，戈氏准则较合理。

（2）代表值的确定。

代表值是在最不利情况下可能取得的值：

X=x±as　　　　　　　⑴

式中：

α为保证率系数；　x为均值；s为标准差。

　　97.7%的保证率，α取2.0；95%的保证率，α取1.645。

在后面计算中，代表值确定如下：

弯沉取；平整度、车辙为；摩擦系数、构造深度为X=　-1645S。

3.3　路面使用品质分析

3.3.1平整度

　　根据公路养护技术规范，不的道路等级对平整度有不同的要求。

但本次调查结果表明：

各路段的平整度与结构层组合与施工组织状况有关。

由于选择路段路面结构使用了沥青贯入式，沥青贯入式是一种多孔隙结构，整体性较差，在行车荷载的重复作用下被再压实，导致纵向出现不平整现象。

同时施工时各层纵向平整度的严格控制对路面表面平整度控制有十分重要的意义。

3.3.2　车辙

　　沥青路面车辙是高等级公路重要病害之一。

国外设计方法中AⅠ法以控制土基顶面压应变为指标，shell设计方法则通过分层总和法直接从沥青面层厚度及面层材料诸方面控制车辙。

我国还没有采用车辙指标，作为设计控制值，而是通过材料动稳定度或其它指标达到减少车辙的目的。

对半刚性基层沥青路面，由于土基顶面压应力较小，在重复荷载作用下土基产生的再压实的剪切流动引起的。

在调查路段，沥青贯入式结构由于其级配较差，在重复荷载作用下极易产生剪切流动和再压实，同时其高温稳定性较差，调查路段车辙量较大。

3.3.3　抗滑能力

　　沥青路面抗滑性能评价方法主要是测定面层的摩擦系数和纹理（构造）深度。

沥青面层纹理深度与矿料的抗磨能力（磨光值指标）和沥青混合料高温时的内摩阻力和粘聚力有关。

纹理深度达到要求必须合理选定矿料级配、沥青材料满足高等级道路石油沥青技术标准。

　　调查路段面层矿质材料为石灰岩，磨光值只有37左右，达不到高等级公路和大于42的要求。

　　面层磨擦系数普遍较小，不满足抗滑性要求。

3.4　路面结构强度分析

　　调查路段经过两年的弯沉及交通量实测，结果表明：

不同调查路段由于承受的交通量不同，虽然路面结构相同，但强度系数不同。

因此，只有根据强度系数才能判别路面结构是否达到使用寿命。

同时，有些路段其路面结构组合及厚度明显不符合设计要求或施工质量较差，因此必须调整设计厚度及结构组合。

3.5　沪宁高速公路无锡试验路综合调查

　　沪宁高速公路无锡试验路段是本次调查唯一针对高速公路特点的路面结构，通过近三年的运行和观察，对高速公路设计与施工提出了许多有益的结论。

（1）半刚性基层路段弯沉在（2.13～8.25）（1/100mm）范围，级配碎石段（X、XⅠ）弯沉为0.122mm和0.135mm，但在裂缝边缘弯沉值明显大于没有裂缝处的弯沉，裂缝边缘弯沉最大达20（1/100mm）。

因此，在试验路段弯沉绝对值能满足高速公路强度要求，但必须注意裂缝对半刚性路面结构强度影响。

（2）路面平整度基本没有改变，并能满足要求。

　　（3）1994年夏季高温持续时间长，对沥青路面高温稳定性提出了严峻的考验。

1994年观测结果表明，试验路段车辙较1993年基本没有变化。

　　（4）路表面在行车碾压作用下，行车带渗水很小或根本不渗水。

　　（5）从路面构造深度和摩擦系数二方面分析，面层摩擦系数较1993年减少约（9～14），在1993年新铺路段，摩擦系数从65.4（LK-15A），61.9（LH-20Ⅰ’）分别减少到35.4和32.0，减少约30。

对同一级配来说，LH-20Ⅰ’玄武岩径一年行车碾压后的摩擦系数值比行车碾压二年后砂岩（LH-20Ⅰ’）的摩擦系数值还要小，说明玄武岩的抗摩擦能力小于砂岩。

对LK-15A加铺层段，LK-15A段的摩擦系数LH-20Ⅰ’加铺层路段摩擦系数大。

　　（6）对比英国产摩擦系数仪，英国产摩擦仪测试结果较国产摩擦仪增大范围是：

（16.6～23.65）平均约21.0，其回归关系式为?

f上=1.13×f东+16.9。

式中：

f上为上海测试值；f东为东南大学测试值。

　　（7）半刚性路面裂缝较为严重，经二年运行，裂缝间距宽约为70～90m，窄的约为15～25m。

裂缝宽度在1～10mm之间。

而在'层的开裂是面层开裂的主要原因。

3.6　调查路段综合结论

（1）本次调查涉及高速公路结构，一级公路、二级公路，因此，调查工作可靠，对提出典型结构具有指导意义。

（2）调查路段路面结构有许多贯入式结构。

虽然这种结构整体稳定性不好，但调查结果表明，由半刚性材料引起的反射裂缝也相应减少。

　　（3）对高速公路路面结构，面层厚度12～16cm，基层底基层厚度50～60cm。

　（4）对一级公路路面结构，面层厚度8～12cm，基层底基层总厚度40～55cm1。

　　（5）对二级公路路面结构，面层厚度6～10cm，基层底基层厚度35～45cm。

4　土基等级划分?

　　土基是影响沥青路面结构承载能力、结构层厚度和使用性能的重要因素。

土基的强弱直接影响路表弯沉值的大小和沥青路面使用寿命的长短。

路面力学计算结果表明，沥青路面的回弹弯沉值绝大部分是由土基引起的。

合理划分土基等级，保证土基施工质量对路面弯沉控制有重要的意义。

　　《柔规》规定土基必须处于中湿状态以上，Eo的建议值根据土的相对含水量及土质确定。

实际上，土基的回弹模量（Eo）值随土的特性、密实度、含水量、路基所处的干湿状态以及加荷方式和受力状态的变化而变化。

土基回弹模量Eo值规定以30径刚性承载板在不利季节测定、在现场测定。

柔性路面设计规范中的Eo建议表，就是根据全国各地旧路上不利季节在路面完好处，分层得出E1，E0，并在土基测点中心钻孔取土测ρd、W　WP，同时用手钻在板旁取W校正，得出80cm范围内的平均值，整理得出EP的建议值。

该表采用6g锤的液限值，现改用100g锤测定液限。

　　如果用相对含水量确定土基的回弹模量，对重型击实标准，可将原建议值提高30%。

如华东地区中湿状态土基加强弹模量最小值23MPa。

则高等级公路路基的回弹模量最小值为23×1.3=30MPa这再一次证明土基回弹模量低限取30MPa是合理

的。

如果路基回弹模量最小值达不到要求，要求采取某种处治方法进行处治。

第二种确定土基回弹模量的方法是通过压实度和土的稠度来计算土基的回弹模量。

　　对比土的相对含水量与稠度的关系曲线，当Wc=1.

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