CN114481737A - 基于毛细生态控水的弱膨胀土填筑路堤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于毛细生态控水的弱膨胀土填筑路堤，是以基底封层为底层，在基底封层的两侧设有排水沟；自基底封层向上依次为：弱膨胀土路堤填料层、粗粒调控层、细粒控水层、上路堤层、路床和路面；在粗粒调控层与细粒控水层的接触面上布设一层无纺土工布；在粗粒调控层中布设排水管；呈倾斜设置的排水管上端管口置入在粗粒调控层中为入水口，下端管口引向路堤两侧为排水口；路堤两侧边坡中的粗粒调控层、无纺土工布与细粒控水层将弱膨胀土路堤填料层一体化包裹，并采用土工格栅加固；本发明由细粒控水层发挥储水作用，由粗粒调控层起到调控阻水作用，实现路堤结构在雨季、旱季均能保持弱膨胀土填料含水率保持稳定，实现弱膨胀土填料直接填筑。

Description

基于毛细生态控水的弱膨胀土填筑路堤

技术领域

本发明涉及道路工程领域，更具体地是涉及一种基于毛细生态“储-阻”控水的弱膨胀土路堤填筑结构。

背景技术

膨胀土是一种富含膨胀性黏土矿物的高塑性黏土，具有显著遇水膨胀、失水收缩的特性，并且膨胀土容易受到环境影响，特别在雨季当膨胀土土体受降雨雨水入渗影响，土体含水率较高，膨胀土土体膨胀明显软化，抗剪强度降低，土体承载力锐减；在干旱季节，膨胀土表面受到大气蒸发作用，土体内水分减少，膨胀土呈现收缩特性表层产生大量裂缝，土体承载力上升。同时在降雨-蒸发-再降雨-再蒸发的循环过程中，膨胀土易出现反复胀缩变形，裂缝逐渐加深，雨水又通过这些加深的裂缝进入土体内部，膨胀土土体逐渐的破碎，最终崩解，即使是膨胀性不是特别明显的中弱膨胀土也常常会出现破坏，因此降雨循环入渗是导致膨胀土破坏的主要环境因素。

膨胀土失水迅速收缩开裂，吸水急剧膨胀变形，对公路、铁路、房屋建筑、水利设施等浅表层轻型结构造成极大危害，每年的经济损失达数百亿元。膨胀土地区的公路更是频繁发生破坏，而且破坏具有多次重复性，加之膨胀土不能直接用作路基填料，借、弃土大量占地，造成严重的水土流失和生态环境破坏，时刻威胁着道路交通安全与畅通，极大影响了人民群众的生产与生活。另一方面，传统道路填筑过程中存在占地多，取土方量大的问题，特别是耕地平原耕地区，近年来道路建设出现无土可取的局面。

根据节约资源和保护环境的可持续发展理念，现有技术中针对弱膨胀土填料利用所展开的相关技术研究和工程应用主要集中在掺灰改良和土工格栅加筋包边两种典型的弱膨胀土路堤处治技术。

掺灰改良即在弱膨胀土中掺石灰或水泥减小膨胀性并提高水稳性。掺灰改良在试验室很易实现，但工程实际中施工工艺相对复杂，通常土中掺灰需两次作业：第一次为分散成团膨胀土块，掺灰后需闷料一周；填料在路上摊铺时，进行二次掺灰、机械拌和碾压。由于机械设备和施工工艺要求高，工程造价高，每方土至少需增加30元，而且石灰或水泥的大量使用还对环境造成了较大的直接和间接污染。因此，从经济和环境效益而言，掺灰改良并不适合在膨胀土地区公路建设中大规模应用；相对而言，土工格栅加筋包边的技术受路堤填料的限制小，通过改良土土体力学特性，使得膨胀土的直接利用率更高，但是土工格栅加筋包边并没有真正实现阻止降雨入渗，当雨水穿过土工格栅包边土层，膨胀土仍会发生破坏。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的技术问题，提供一种基于毛细生态控水的弱膨胀土填筑路堤，从降雨循环入渗导致膨胀土的破坏机理出发，设置路堤生态控水结构对入渗的降雨进行防控。在降雨时，雨水首先被路面、路床及绿化护坡非膨胀土材料吸收一部分，当入渗雨水进入细粒控水层，基于毛细阻滞机理，雨水被细粒控水层吸收锁住，发挥“储水”作用；在旱季，弱膨胀土路堤内的水分受到蒸发作用，水分有由内至外向外界散失的趋势，粗粒调控层中土体颗粒粒径较大，毛细作用较弱，水分在粗粒调控层被阻隔而无法散失，起到阻水作用，保证弱膨胀土路堤填料含水率不发生变化，实现弱膨胀土填料直接填筑。

本发明为实现发明目的采用如下技术方案：

本发明基于毛细生态控水的弱膨胀土填筑路堤的特点是：

所述路堤是以基底封层为底层，在所述基底封层的两侧设有排水沟；

自所述基底封层向上依次为：弱膨胀土路堤填料层、粗粒调控层、细粒控水层、上路堤层、路床和路面；

在所述路堤的两侧构造绿化护坡，所述绿化护坡的坡脚与排水沟相承接；

在所述粗粒调控层与细粒控水层的接触面上布设一层无纺土工布；

在所述粗粒调控层中布设排水管；呈倾斜设置的排水管上端管口置入在粗粒调控层中为入水口，下端管口引向路堤两侧为排水口；

由细粒控水层发挥储水作用，由粗粒调控层起到阻水作用，使弱膨胀土路堤填料层的含水率保持稳定，实现弱膨胀土填料直接填筑。

本发明基于毛细生态控水的弱膨胀土填筑路堤的特点也在于：所述路堤包括路侧边坡，所述路侧边坡是由所述粗粒调控层、无纺土工布和细粒控水层在路侧边坡上对所述弱膨胀土路堤填料层形成一体化包裹，所述绿化护坡构造在所述路侧边坡上。

本发明基于毛细生态控水的弱膨胀土填筑路堤的特点也在于：在所述路侧边坡中，采用单向土工格栅进行固定，是将所述单向土工格栅分层铺设在弱膨胀土路堤填料层中，并向路侧边坡延伸，贯穿路侧边坡上的粗粒调控层，埋入在路侧边坡上的细粒控水层中；各层所述单向土工格栅采用U形钉分别与弱膨胀土填料层以及路侧边坡上的粗粒调控层和细粒控水层进行固定；在所述路堤边坡中，处在细粒控水层中的下一层单向土工格栅向上反包，在上下相邻的两层单向土工格栅之间采用连接棒进行固定连接。

本发明基于毛细生态控水的弱膨胀土填筑路堤的特点也在于：所述粗粒调控层选用天然岩石或岩石经机械破碎、筛分制成的粒径为10-50mm的砾石或碎石材料；所述细粒控水层选用粒径不大于2mm的粘土或粉质粘土，细粒控水层的渗透系数不低于1×10^-7m/s；所述排水管是直径为25mm-40mm的PVC管。

本发明基于毛细生态控水的弱膨胀土填筑路堤的特点也在于：

根据雨量与细粒控水层的空隙平衡关系，由式计算获得细粒控水层的厚度hcr，由式计算获得粗粒调控层的厚度hd：

hcr＝V/(α×2L×n) (1)

hd＝(0.2-0.25)hcr (2)

其中：

V为雨水穿过路面(8)后渗入细粒控水层的雨量；

2L为路堤中细粒控水层(5)的平均宽度；

n为细粒控水层(5)的孔隙率；α为雨水充填空隙系数，α取为0.7-0.9。

本发明基于毛细生态控水的弱膨胀土填筑路堤的特点也在于：针对高速公路按如下性能参数进行设置：

所述基底封层的厚度为0.5m，由4％石灰土配合土工格室形成，压实度不低于93％；

所述弱膨胀土路堤填料层中弱膨胀土土块的直径不大于0.1m，压实度不低于93％；

所述上路堤层是厚度为0.7m的4％石灰土层，压实度不低于94％；

所述路床是厚度为0.8-1.2m的6％石灰土层，压实度不低于96％；

所述4％石灰土是指素土填料中拌合4％的石灰；

所述6％石灰土是指素土填料中拌合6％的石灰。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明在路堤结构中设计细粒控水层与粗粒调控层，利用细粒控水层与下卧粗粒调控层所产生的“储水-阻水”的自有属性，结合路床及绿化坡面的结构，实现路堤结构在雨季、旱季均能保持弱膨胀土填料湿度均衡，从而保障弱膨胀土路堤填料含水率不变，实现弱膨胀土路堤直接填筑，进而解决江淮地区弱膨胀土偏多、无法直接使用的难题。

2、本发明将细粒控水层与粗粒调控层从路堤到坡面一体化铺设，将弱膨胀土路堤包含其中，最大限度保障弱膨胀土路堤稳定性，该填筑方案不仅可用于高速公路，同样可用于其他等级道路，也可适用于拼宽改扩建道路。

3、本发明系统中路堤填筑生态环保，节约土地资源，路堤无需全断面掺加石灰。

附图说明

图1为本发明基于毛细生态“储-阻”控水的弱膨胀土路堤填筑系统剖面图；

图2为本发明系统中单向土工格栅连接示意图；

图3为本发明系统中细粒控水层在雨季时的储水示意图；

图4为本发明系统中粗粒调控层在干旱时的阻水示意图；

图中标号：1基底封层，2弱膨胀土路堤填料，3粗粒调控层，3a水分蒸发区，4排水管， 5细粒控水层，5a雨水入渗区，6上路堤层，7路床，8路面，9绿化护坡，10单向土工格栅，11排水沟，12为U形钉，13连接棒，14无纺土工布。

具体实施方式

参见图1，本实施例中基于毛细生态“储-阻”控水的弱膨胀土填筑路堤是以基底封层1 为底层，在基底封层1的两侧设有排水沟11；自基底封层1向上依次为：弱膨胀土路堤填料层2、粗粒调控层3、细粒控水层5、上路堤层6、路床7和路面8，在填筑过程中分层压实并整平；在路堤的两侧构造绿化护坡9，绿化护坡9的坡脚与排水沟11相承接；在粗粒调控层3与细粒控水层5的接触面上布设一层无纺土工布14；在粗粒调控层3中布设排水管4，呈倾斜设置的排水管4上端管口置入在粗粒调控层3中为入水口，下端管口引向路堤两侧为排水口。

具体实施中，基底封层1由4％石灰土配合土工格室形成，用于阻止地下水以及地面的雨水从底部渗透进入弱膨胀土路堤填料；弱膨胀土路堤填料层2是用弱膨胀土直接填筑，无需掺加石灰等特殊处置；铺设无纺土工布以防止细粒控水层中的细土粒进入粗粒调控层中，无纺土工布由人工或机械滚铺，布面铺设平整，并适当留有变形余量，无纺土工布的搭接处使用U形钉进行固定。

如图1和图2所示，具体实施中，相应的技术措施也包括：

路堤包括路侧边坡，路侧边坡是由粗粒调控层3、无纺土工布14和细粒控水层5在路侧边坡上对弱膨胀土路堤填料层2形成一体化包裹，绿化护坡9构造在所述路侧边坡上。

在路侧边坡中，采用单向土工格栅10进行固定，是将单向土工格栅10分层铺设在弱膨胀土路堤填料层2中，并向路侧边坡延伸，贯穿路侧边坡上的粗粒调控层3，埋入在路侧边坡上的细粒控水层5中，设置单向土工格栅10以防止粗粒土及细粒土下滑，单向土工格栅的极限抗拉强度应不小于50kN/m，单向土工格栅加筋间距不得大于0.75m。

各层单向土工格栅10采用U形钉12分别与弱膨胀土填料层2以及路侧边坡上的粗粒调控层3和细粒控水层5进行固定；在路堤边坡中，处在细粒控水层5中的下一层单向土工格栅10向上反包并拉紧，在上下相邻的两层单向土工格栅10之间采用连接棒13进行固定连接。

排水管4是直径为25mm-40mm的PVC管，布设排水管4使雨水可向外排出，以防雨水在粗粒调控层汇集。

粗粒调控层3选用天然岩石或岩石经机械破碎、筛分制成的粒径为10-50mm的砾石或碎石材料。

细粒控水层5选用粒径不大于2mm的粘土或粉质粘土，细粒控水层5的渗透系数不低于 1×10^-7m/s；细粒控水层是储水-阻水的关键层，其中不得含有草皮、生活垃圾、树根、腐殖质等，沙土、泥炭土、淤泥、冻土、强膨胀土等灾害土体也不得作为细粒控水层材料。

根据雨量与细粒控水层5的空隙平衡关系，由式(1)计算获得细粒控水层的厚度hcr,由式(2)计算获得粗粒调控层3的厚度hd：

hcr＝V/(α×2L×n) (1)

hd＝(0.2-0.25)hcr (2)

其中：

V为雨水穿过路面8后渗入细粒控水层的雨量；2L为路堤中细粒控水层5的平均宽度；

n为细粒控水层5的孔隙率；α为雨水充填空隙系数，α取为0.7-0.9。

针对高速公路按如下性能参数进行设置：

基底封层1的厚度为0.5m，由4％石灰土配合土工格室形成，压实度不低于93％；

弱膨胀土路堤填料层2中膨胀土土块的直径不大于0.1m，压实度不低于93％，是以弱膨胀土直接填筑。

上路堤层6是厚度为0.7m的4％石灰土层，压实度不低于94％，上路堤层6尤其针对降雨频繁或暴雨集中地区而设置，在降雨量适中或偶有暴雨地区可以取消上路堤层。

路床7是厚度为0.8-1.2m的6％石灰土层，压实度不低于96％。

4％石灰土是指素土填料中拌合4％的石灰；6％石灰土是指素土填料中拌合6％的石灰。

本发明基于毛细生态“储-阻”控水原理,从降雨循环入渗导致膨胀土破坏机理出发，通过设置“生态绿植坡面、石灰土-细粒控水层-粗粒调控层”形成基于毛细生态“储-阻”控水的弱膨胀土下路堤填筑结构。

细粒控水层和粗粒调控层之间的“储-阻”控水作用基于两种不同粒径水力传导性的差异。降雨入渗时，水分向深部运移达到细粒控水层和粗粒调控层，渗透系数随含水率的变化而变化，开始时粗粒调控层的渗透系数远远低于细粒控水层，从而保证水分渗透到两层交界面时被“吸住”，水分被阻滞在这个界面，随着降雨入渗，细粒控水层和粗粒调控层的含水率增加，基质吸力逐渐减小，当水分进入粗粒调控层，粗粒调控层中基质吸力进一步减小，其渗透系数进一步增大直至超过细粒土层的渗透系数，细粒控水层和粗粒调控层之间的“储- 阻”控水作用失效，所以为实现细粒控水层和粗粒调控层之间的“储-阻”控水作用，细粒控水层与粗粒调控层需设置一定厚度，图3示出，降雨产生的雨水降落在路面及坡面，水分由外至内进入路堤结构中，由于细粒控水层与粗粒调控层水力传导性质差异作用，细粒控水层 5将入渗的雨水控制在本层中，形成如图3所示的雨水入渗区5a，防止水分进入粗粒调控层3，产生“储水”作用，从而保障弱膨胀土路堤含水率不增加，确保弱膨胀土填料在雨季湿度平衡。

为保证粗粒调控层与细粒控水层之间基质吸力，在降雨频繁或暴雨集中地区，将α取值为0.7，并保留上路堤；而在降雨量适中或偶有暴雨地区，α可以取值为0.9，上路堤可取消，雨量与细粒控水层空隙平衡关系为：V＝α×2L×hcr×n，由此获得细粒控水层厚度hcr如式(1)。

粗粒调控层作为细粒控水层的下卧层，与细粒控水层组成毛细生态控水屏障，即使有少量降雨进入粗粒调控层，在粗粒调控层布设的排水管将雨水排出，保证降雨无法进入下路堤。图4示出，在干旱时，由于温度升高，弱膨胀土路堤内的水分受到蒸发作用，水分有由内至外向外界散失的趋势，粗粒调控层3中土体颗粒粒径较大，毛细作用较弱，水分蒸发区3a被阻隔在粗粒调控层3的下部区域，利用粗粒调控层3起到阻水作用，从而保障弱膨胀土路堤含水率不减少，确保弱膨胀土填料在旱季湿度平衡，最终形成弱膨胀土路堤一体化生态填筑系统。

弱膨胀土填方路基施工前应清除路基地基表层松土，清理后进行碾压处理，压实度应不小于90％，保证地基承载力。

路堤边坡填筑时，弱膨胀土路堤填料及土工格栅施工应满足以下要求：

1、如图2所示，土工格栅从基底顶面开始铺设，格栅受力方向应沿路堤横向布设，采用 U形钉将其固定于弱膨胀土路堤填料之上。同一层面相邻土工格栅搭接宽度不应小于0.1m，搭接处应用连接棒固定；张拉铺设的土工格栅应表面平整、无松软隆起；铺设位置正确；连接可靠、锚固牢固；坡面应平整、无局部松散。

2、土工格栅铺设后应及时摊铺和碾压填料，避免土工格栅暴晒，两个工序间隔时间不应超过2小时，施工机械设备不得直接在土工格栅上碾压。

3、填筑弱膨胀土路堤填料时，装载车应采用倒车方式将填料卸在土工格栅上，推平铺满后，方可碾压；弱膨胀土松铺厚度不得大于0.3m，膨胀土土块直径不得大于0.1m，确保压实度满足要求。

4、弱膨胀土路堤填筑遇雨时，若无积水，适当晾晒后可进行下一层填筑施工；若发现积水，应将积水区域的膨胀土层铲除，换新料重新进行摊铺和碾压。

5、填料填筑压实后，应按设计坡率修坡，将前一层预留在弱膨胀土路堤填料中的土工格栅沿粗粒调控层和细粒控水层向上反包并初次张拉，防止土工格栅松动，同时将下层土工格栅的端部与上层土工格栅的适当位置用连接棒连接，采用人工或张拉装置拉紧后用U形钉固定。

6、土工格栅应从基底逐层反包至粗粒调控层底面，每层反包厚度不大于0.75m。

实施本发明能够带来如下社会和经济效益，以高速公路修建为例：采用弱膨胀土进行路堤填筑，与传统掺石灰改良的方式相比，每方可以节省30元。对于1km长、下路堤5m高的高速公路路堤，18万方直接节省投资540万元，经济效益显著；路堤边坡采用土工格栅加筋反包并覆土植草绿化，而不用挡土墙或拱形骨架常规圬工支护结构，实现路堤边坡100％绿化率。

本发明综合解决了高速公路修建过程中取土难的问题，以及膨胀土路堤灾害防控问题，可推广至富含弱膨胀土及耕地资源稀缺的地区进行公路建设工程实践，达到节省建设投资与占用土地，改善环境，以利可持续发展的目的，社会效益显著。

Claims (6)

1.一种基于毛细生态控水的弱膨胀土填筑路堤，其特征是：

所述路堤是以基底封层(1)为底层，在所述基底封层(1)的两侧设有排水沟(11)；

自所述基底封层(1)向上依次为：弱膨胀土路堤填料层(2)、粗粒调控层(3)、细粒控水层(5)、上路堤层(6)、路床(7)和路面(8)；

在所述路堤的两侧构造绿化护坡(9)，所述绿化护坡(9)的坡脚与排水沟(11)相承接；

在所述粗粒调控层(3)与细粒控水层(5)的接触面上布设一层无纺土工布(14)；

在所述粗粒调控层(3)中布设排水管(4)；呈倾斜设置的排水管(4)上端管口置入在粗粒调控层(3)中为入水口，下端管口引向路堤两侧为排水口；

由细粒控水层(5)发挥储水作用，由粗粒调控层(3)起到阻水作用，使弱膨胀土路堤填料层(2)的含水率保持稳定，实现弱膨胀土填料直接填筑。

2.根据权利要求1所述的基于毛细生态控水的弱膨胀土填筑路堤，其特征是：所述路堤包括路侧边坡，所述路侧边坡是由所述粗粒调控层(3)、无纺土工布(14)和细粒控水层(5)在路侧边坡上对所述弱膨胀土路堤填料层(2)形成一体化包裹，所述绿化护坡(9)构造在所述路侧边坡上。

3.根据权利要求2所述的基于毛细生态控水的弱膨胀土填筑路堤，其特征是：在所述路侧边坡中，采用单向土工格栅(10)进行固定，是将所述单向土工格栅(10)分层铺设在弱膨胀土路堤填料层(2)中，并向路侧边坡延伸，贯穿路侧边坡上的粗粒调控层(3)，埋入在路侧边坡上的细粒控水层(5)中；各层所述单向土工格栅(10)采用U形钉(12)分别与弱膨胀土填料层(2)以及路侧边坡上的粗粒调控层(3)和细粒控水层(5)进行固定；在所述路堤边坡中，处在细粒控水层(5)中的下一层单向土工格栅(10)向上反包，在上下相邻的两层单向土工格栅(10)之间采用连接棒(13)进行固定连接。

4.根据权利要求1或2所述的基于毛细生态控水的弱膨胀土填筑路堤，其特征是：所述粗粒调控层(3)选用天然岩石或岩石经机械破碎、筛分制成的粒径为10-50mm的砾石或碎石材料；所述细粒控水层(5)选用粒径不大于2mm的粘土或粉质粘土，细粒控水层(5)的渗透系数不低于1×10^-7m/s；所述排水管(4)是直径为25mm-40mm的PVC管。

5.根据权利要求1或2所述的基于毛细生态控水的弱膨胀土填筑路堤，其特征是：

根据雨量与细粒控水层(5)的空隙平衡关系，由式(1)计算获得细粒控水层(5)的厚度hcr，由式(2)计算获得粗粒调控层(3)的厚度hd：

hcr＝V/(α×2L×n) (1)

hd＝(0.2-0.25)hcr (2)

其中：

V为雨水穿过路面(8)后渗入细粒控水层的雨量；

2L为路堤中细粒控水层(5)的平均宽度；

n为细粒控水层(5)的孔隙率；α为雨水充填空隙系数，α取为0.7-0.9。

6.根据权利要求1或2所述的基于毛细生态控水的弱膨胀土填筑路堤，其特征是：针对高速公路按如下性能参数进行设置：

所述基底封层(1)的厚度为0.5m，由4％石灰土配合土工格室形成，压实度不低于93％；

所述弱膨胀土路堤填料层(2)中弱膨胀土土块的直径不大于0.1m，压实度不低于93％；

所述上路堤层(6)是厚度为0.7m的4％石灰土层，压实度不低于94％；

所述路床(7)是厚度为0.8-1.2m的6％石灰土层，压实度不低于96％；

所述4％石灰土是指素土填料中拌合4％的石灰；

所述6％石灰土是指素土填料中拌合6％的石灰。

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