膨胀土路基的边坡防护

膨 胀 土 路 基 边 坡 的 防 护

关键词：膨胀土 路堤 路堑 边坡 防护

内容提要：文章通过对膨胀土路堤和路堑的病害现象、成因及其承载力分析，提出了铺设土工格栅、铺设复合土工膜、干砌护肩、边坡植草、拱形骨架护坡、铺设土工三维网垫以及施工中的临时排水沟槽的设臵等简单易行又比较经济的边坡防护方法，在实际生产中有一定的参考价值。

一、膨胀土路基的病害极其成因

膨胀土也叫裂隙性粘土，在我国分布比较广泛，颜色一般表现为棕红、灰白、灰绿、黄褐色等；膨胀土的塑性指标Ip >17、液限指标WL>40%，其膨胀率eFs大于40%；膨胀土有以下基本特征：

1.裂隙发育 主要为成岩裂隙和构造裂隙：成岩裂隙垂直居多，裂面粗糙，为沉积后体积变化和温度变化等引起内应力作用而产生;构造裂隙多为斜交,裂面光滑具有擦痕，为地壳发展过程中受构造力的影响而形成;风化层中还有表现为杂乱无章的风化裂隙。膨胀土土体被裂隙分割成柱状、板状、鳞片状，一旦有外加荷载时土体沿裂隙产生变形，卸载就大大降低了土体强度；

2.峰值强度大而残余强度极小 裂隙粘土多沉积于下更新世（Q1）第三纪（E-N），在漫长的地质年代中，在上覆地层的强大压力下处于超固结状态，卸荷后土体的抗剪强度和抗压强度均有所衰减，经风化作用后土体强度越发减低；

3.干缩湿胀 由于它含有亲水性很强的粘土矿物成分如：伊利石、蒙脱石、高岭石，当其受水浸湿时，体积发生显著膨胀并且强度迅速降低而崩解、软化、抗冲刷性差；干燥失水时土体显著缩小，土质坚硬具有明显裂隙易粹裂，膨胀土吸水膨胀和失水收缩的过程是可逆的；

4.透水性差 膨胀土的粒度小而且其间的空隙大多被土粒的结合水膜所充满，其本身构造决定其透水性具有各向异性的特点。各种土的渗透系数经验数值表如下：

由于以上特征，在施工中不进行处理或措施不当对路堤病害主要表现在：边坡流坍、滑坡、路肩开裂及翻浆冒泥。对路堑的病害表现为：冲沟、剥蚀、滑塌；故是一种工程性能极差的土；从土的受力分析图上看土体中外加应力呈上大下小的圆锥体形状，而其外加应力往下传递的范围为上小下大的圆锥体形状，其应力分布及应力传递规律如图1所示，其在极限强度下的破坏主要表现在剪切破坏，土体的破坏首先从其边缘开始进而发生整体强度的降低，直至影响使用。由此可见路基强度的降低是由其边坡开裂开始发生，故为防止其病害，必须先从路基的边坡防护着手。

二、防护措施

笔者查阅过许多资料也走访过不少施工路段，膨胀土路基病害的防治，有很多方法：可以掺加白灰对土壤进行土性改良、可以掺加固化剂对土性改良、可以在土层中铺设土工布也可在膨胀土里掺加河卵石（砂夹石），还有在路基边坡呈梅花形布臵砼桩；但是对于大范围的膨胀土路基施工来说，以上措施都投资巨大，国家成本回收期增长，而且具体到某一路段时有可能受到客观条件的限制。相比之下我认为以下措施切实可行：

1.铺设土工格栅：土工格栅是一种由高密度聚乙烯等聚合制成的特种土工合成材料，分为单向与双向两

种，土工格栅的作用主要表现在：当其被与填料压实在一起时，土工格栅与填料的摩擦力大于填料颗粒间的摩擦力，它能增大路基的抗剪与抗滑强度而加固路堤边坡，使路基成为一个受力整体。

土工格栅的技术指标具体要求：标准状况下，湿度为５０％时，幅宽：不得小于规定宽度；单位面积质量：不得小于350g/m2 ；每延米纵横向拉伸屈服力不得低于20KN/m；纵横向屈服伸长率；不得大于10%；纵横向２％的伸长率时的拉伸力不得小于９ＫＮ／ｍ；网孔尺寸不得大于６０Ｘ６０（ｍｍ）；并且产品外观均匀，无损伤。

土工格栅的铺法：待上一工序完成并检验合格后，由测量人员放出路基边线，土工格栅的外边缘应比路基边

线靠里１０～２０ｃｍ平整的铺设；搭接长度应不短于３０ｃｍ，搭接处用尼龙绳绑扎结实。每相邻两层的土工格栅的接头应错开3米以上的距离，斜坡地面为方便铺设，边坡坡脚处需开挖2.5~3米的平台；施工段之间应预留3米的长度以便互相衔接。路基的填层厚度宜在２０～４０ｃｍ之间，土工格栅的增加摩擦力作用才能发挥到最佳，区间路基的顶面两层宜通铺，站场路基顶面两层至少在边沿铺设7米宽，利于路基的整体性受力。铺设好土工格栅应及时覆盖，严禁车辆和人员在其上扰动。土工格栅的铺设平面图及立面图见图2：

2.铺设复合土工膜：复合土工膜是土工织物或其它材料与以高分子聚合物为原材料的不透水的膜状材料结合而成的不透水材料。它的作用是直接把路基横断面上的水沿护肩的缝隙排出路基外侧，防止水渗透到基床以下降低土体间的结合力，而使路基的整体受力受影响。复合土工膜技术指标：幅宽不小于规定宽度；每平方米质量不小于600克；极限抗拉强度不小于12KN/m；延伸率不小于15%；顶破强度不小于1.5Mpa；抗渗强度不小于0.5 Mpa或渗透系数不大于10-11cm/s；寒冷地区还应满足抗冻要求。

复合土工膜的铺法：当路基基床工序结束后，在其上铺设5~10公分的中粗砂，铺设中粗砂的作用有：保护土工膜不被顶破和调整路基平整度便于横向排水；铺设中粗砂之后立即在路基全断面铺设复合土工膜，两张土工膜之间搭接时必须高端压在低端上，搭接方式采用焊接或粘接，搭接宽度不小于10公分，其它技术指标不得低于设计要求；同时必须保证坡面平整、无洞、无缺口；土工膜铺设后，及时在其上摊铺10~20公分厚的中粗砂，摊铺中粗砂的作用有：渗水和防止土工膜被曝晒、碾压破。摊铺中初砂时，应该沿土工膜由近至远地进行，让运

砂的汽车在已经摊铺好的砂层上行驶，以便防止汽车碾压坏复合土工膜。

3.干砌护肩：干砌护肩的作用有：a）.石料间的交错嵌搭缝使从路基横坡面汇集的水形成漫流，水的流速大大被降低，从而减少水对路基边坡的冲刷；b）.对路基以上的道碴或渗水砂起到挡护作用。

干砌护肩施工时注意：用于砌筑的石料强度和软化系数必须达到设计要求，石料的尺寸必须符合规范要求，特别是薄片石只可填充于砌体中而不可砌于砌体表面。干砌护肩施工前应夯实基底（其压实系数应大于路基的压实系数），先将较大的片石臵于底层，石料要交错嵌搭稳固，之间大的空隙用碎石填实；片石要以不摇动手取不出为宜。干砌护肩底下还必须铺设反滤层，其材料就地取材，采用小卵石或碎石，不得用夹有砂质或土质成分的天然土壤代替。砌体的表面应修理平整，为了更好地保持护肩的整体性和保证路容，最好能够采用M 5~7.5的砂浆把砌体表面及边角勾抹一遍。

4.边坡植草：边坡植草是一种比较经济实惠可操作性又强的防护措施，可以选择人工种植草皮或液压喷播草籽的两种方式。它的作用表现：不仅是草根对边坡有防护作用，草的茎叶对从路基横坡上流下的雨水有阻抗作用，减小了流水对路基边坡的冲刷；而且茂密的茎叶也减少了雨水直接对边坡的冲淋。从宏观上看，边坡植草利于环保，使所建路基成为沿线地区的一道风景线。边坡植草要选择根系发达、茎叶低矮茂密且易繁殖、寿命长的多年生草种，其必须具备较强的抗旱、抗风蚀、耐贫瘠、耐高温能力。

植草的步骤：1、刷坡即保证边坡的平顺，并夯拍密实；2、植草，在植草的初期，要避免人畜扰动，还应及时补缺、覆盖；3、施肥、浇水。注意：草的初长期可用透气透光的无纺布覆盖。防止浇水或者雨水损坏边坡。

5.骨架护坡及铺设三维土工网垫：高填路堤（填高大于6米）或深挖路堑（挖深大于6米）的土质边坡及强风化或全风化岩石边坡必须加强防护，坡面防护可以全面防护亦可采用浆砌片石做骨架的护坡，在其内喷播植草。这里只介绍浆砌片石做骨架的护坡，浆砌片石的护坡要求与其他砌体要求基本一致，单更着重强调与边坡的衔接力。施工前先对坡面进行处理：刷平顺并夯实，有条件的可以用坡式压路机碾压；在处理后的路基坡面上按设计好的尺寸放样、清基槽，砌筑时采用挤浆法，石料应互相交错并保证无瞎缝。缝宽间于2~4公分各层错缝间距不小于10公分，砌筑好的护坡勾缝提倡勾凹缝。

高度不大的边坡（垂直高度小于5米）可以用铺设三维土工网垫并在三维网垫间液压喷播草籽的方式防护，土工网垫是由丝条状合成材料经过一定特殊工艺处理并在结点相互熔合而成的孔隙很大的三维网状土工合成材料。它的技术参数：a.暴露状态下使用寿命不低于5年；b.水土保持系数不低于5；c.30min时回弹恢复率不低于80%；d.网孔的孔径间于40~55mm；e.当其延伸率为5%时抗拉强度不低于10KN/m；全坡面铺设三维土工网垫有固定草籽、先期稳定浮土、减少水流冲击的作用，这种方式经济可行，防护效果也比较显著。土工网垫铺设的操作规定：1.在边坡坡顶和坡脚分别开挖深度不小于0.5米的三角沟槽，并以固定钉分别固定在土工网垫的首端和末端后回填夯实；2.土工网垫应铺设平顺，两张网垫间的搭接宽度不得小于30公分并用固定钉固定牢实，钉间距宜为1~1.5米，并按梅花形布臵；3.防护植物应该在铺设土工网垫后栽植。土工网垫的搭接和固定钉的尺寸见示意图如图3：

不论何种土工合成材料，其强度、抗腐蚀、质量稳定性必须达到设计要求，并且要安装使用方便符合环保要求。

6.设臵临时排水沟：膨胀土路基施工应避开雨季，如果确实有困难时，应该在路堤或路堑的边坡上设臵临时排水沟，具体做法：每隔大约50米（或在汇水量大的地方）在路基设计宽度以外的预留宽度上从坡顶至坡脚开一道宽约50公分的小槽，并铺上塑料布以便把路基上的水引到坡脚的水沟中排走，设臵排水沟时，沟深不得超过路基设计宽度以免伤及成型路基内的土工格栅。临时排水沟的设臵并不是可有可无，它至少可以有以下作用：a）.把水流汇集到一处防止大面积的冲刷；b）.及时把水流排走防止水分下渗给路基带来质量隐患，同时也给雨后施工赢得了时间；c）.可以把水流按人们要求引到排水沟（渠），减少水土流失，利于环保。

路基（路堤和路堑）的边坡防护综合措施实施后，路基的横断面如下图4，

三、在实际施工中的心得体会

在2000年5月至2002年3月，笔者参建了西（安）——南（京）铁路A土16标段站前路基，工程概况：起止里程 DK370+800~DK383+800，位于南阳盆地，地形平坦，地势起伏不大；本段线路跨湍河、默河两条河流；地表大部分为膨胀土，其数量大、范围广，膨胀土的加固处理和病害防治是土方施工中的重点和技术关键。

本段地貌由湍河河床及阶地区、南阳盆地冲击平原及垄岗区组成，地形开阔，地势西北高东南低。

本段地质土质为：第四系全新统（冲积层、洪积层、坡积层）膨胀土、砂粘土、粘沙土、中粗砂、砾砂、圆砾土，地表大部分为中、弱膨胀土。

本段属亚热带半湿润气候区北缘，属大陆性季风气候，四季分明，气候温和、雨量较充沛，无霜期较长年平均气温14.5~16° 年平均最低气温在1.1—2.2 °С 年平均降水量在683.- -1878.1ml雨水多集中在六、七、八、С

九四个月中，其中以七月份最多，十二月份最少。

该地区地震基本烈度六度，土壤最大冻结深度0.15m。

开工伊始，我局西南指挥部就制定了创优规划和措施：

以样板先行，带动全段创优，保证开工必优，一次成优，力争国优，确保部优。开工之初，笔者针对整段膨胀土路基施工作出一份详尽、切实可行的施工组织设计，经精心组织，合理安排后决定：在DK375+370~DK375+654段进行试验段施工，因为这一段土方施工的填高，原地面地形，土方运距，机械上场操作均有代表性。在试验段施工中我们得出以下成果：1、填料含水率宜控制在12.5%~15.7%范围内（最佳含水率13.8%）；2、最经济的机械设备台数、吨位的配合；3、最佳压实遍数及车速；4、合理的松土摊铺厚度；5、运土摊铺平整、压实及进行边坡防护等工序、时间协调关系；6、边坡防护措施在不同天气条件下合理实施及效果验证。

在取得试验段经验数据之后，全段再依照以上数据施工并在施工中不断根据实情更改和完善有关数据。同时我们特别注意到膨胀土路基这一特殊性，不仅严格按一般路基施工规范要求施工，还必须遵守膨胀土路基的特殊要求：安排工期尽量错过雨季；适当提高压实密度要求（1~3个百分点）；加强边坡防护；在路堤施工中采用了铺设土工格栅、铺设复合土工膜、边坡植草、干砌护肩等措施；而在路堑施工中采用了铺设复合土工膜、骨架护坡、边坡植草、铺设三维网垫并植草等措施。具体作法如前所述。

总之，膨胀土路基的施工难度相对较大，但是问题的关键在于路基填料的压实和边坡的防护，如果这两个问题解决好了，膨胀土路基的整体受力就强度也就得到了保证，由于上述边坡防护措施认真实施，经过近三年的

时间考验，笔者参建的西（安）——南（京）铁路A土16标段路基，不但路容路貌获得一致好评，更难得的是路堤和路堑的使用效果一直很好。这给膨胀土路基施工提供了一种思路，也为广大的土石方工作者在选择施工方案时提供了一种参考。

参考资料：

《地质与土质》 李瑾亮 人民交通出版社

《土质学与土力学》 洪毓康 人民交通出版社

《公路工程地质》 李 斌 人民交通出版社

《铁路路基设计规范》 TB 10001—99 中国铁道出版社

《铁路路基施工手册》 中铁一局 中国铁道出版社

《铁路路基施工规范》 TBJ 202—96 中国铁道出版社

《铁路路基土工合成材料应用技术规范》 TB 10118--99中国铁道出版社