膨胀土边坡柔性支护综合处治技术在广西南宁至友谊关高速公路建设中得到应用
郑健龙(右二)等开展非饱和膨胀土试验研究
□长沙理工大学公路工程教育部重点实验室主任 郑健龙 教授
膨胀土遍布五大洲、46个国家。我国26个省区存在着这种特殊土，有3亿多人口生活在膨胀土地区。膨胀土的特点是：失水迅速收缩开裂，吸水急剧膨胀变形，对各类浅表层轻型结构造成极大危害，每年造成的经济损失达数百亿元。
膨胀土地区的公路频繁发生边坡滑坍、路基沉陷、道路损毁、构造物垮塌，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。虽然国际上关于膨胀土地质灾害防治的研究已有70年的历史，但问题一直未能得到根本解决，成为世界性技术难题，被称为工程中的“癌症”，以至于公路工程只能长期遵循绕避膨胀土的设计原则。随着我国交通事业迅猛发展、路网等级和密度不断提高，公路膨胀土问题已无法回避，为此原交通部将其列为重大科技项目组织联合攻关，以突破该领域的技术瓶颈。
项目自1992年开始，由长沙理工大学等25家单位采取产学研相结合的方式联合攻关，380多名科技人员共同参与，前后历时15年。项目在公路膨胀土边坡的滑坍治理、膨胀土弃方的合理利用、膨胀土的判别分类、构造物地基基础设计及环境保护等关键技术方面获得重大突破和实质性创新，取得了集理论、方法以及勘察、设计、施工技术于一体的公路膨胀土治理系列技术。
一、主要科技创新
1. 突破国内外边坡支护的传统技术，创造性地提出“以柔治胀”的新理念，自主研发了具有变形消能特性的膨胀土边坡柔性支护综合处治这一全新技术，确保了边坡全天候的稳定性，攻克了膨胀土边坡屡治屡滑的技术难题，获国家发明专利。
通过对全国10省区近百个滑坍边坡的系统调查、地质勘探、原位试验，科技人员深入研究了膨胀土路堑边坡滑坍破坏模式和灾变机理研究，揭示了水力耦合条件下，边坡干缩开裂性态、雨水入渗规律及变形的行为特征。
针对传统的重力式挡土墙等刚性支护“以刚止胀”，膨胀压力随含水率迅速增大，容易导致结构破坏的问题，提出了“以柔治胀”的柔性支护结构设计原理，发明了膨胀土边坡柔性支护综合处治新技术。柔性支护结构由四部分组成：膨胀土加筋体的自重产生支挡力，并通过变形吸收坡体的膨胀能；内部排水通道疏排坡体的裂隙水；防水土工膜阻止地表水下渗；阔叶植被稳定表土层，防止冲刷与水土流失，实现了“以膨胀土治理膨胀土”的环保新理念。通过筋土相互作用研究，建立了膨胀土加筋设计方法，研发了相关的试验仪器与技术，提出了柔性支护的施工工法，编制了相应的设计与施工技术指南。
2004年广西东盟博览会开幕在即，作为国际通道的南宁至友谊关高速公路却因数十个膨胀土边坡屡治屡滑使工程进度严重滞后，全线改用本技术进行治理后，至今无一坍塌，追回了延误的工期，确保了与会国家元首按预定路线入境，为西南边陲国门路的安全畅通作出了重大贡献，产生了良好的国际影响。
2. 突破未经改良的膨胀土不能直接用作路堤填料的禁区，提出了控制路堤湿度状态的稳定含水率理论，奠定了膨胀土直接填筑路堤的理论基础，开发了具有“保湿防渗”功能的路堤物理处治技术，攻克了膨胀土合理利用的技术难题，该研究获国家发明专利。
针对膨胀土用作路堤填料难以达到压实标准的问题，发明了改进的CBR试验仪器与方法。通过系统研究，发现膨胀土含水率与天然含水率接近时，路堤具有最佳的承载能力和水稳定性，证明了膨胀土可以直接用作路堤填料，提出了膨胀土路用性能评价的标准与方法，建立了膨胀土路堤物理处治的技术原理。
物理处治技术采用未经改良的膨胀土填芯，并通过适当的形式“封闭包盖”，以避免干湿循环的影响。为保证膨胀土湿度的稳定性，创立了以干湿循环显著影响区深度为依据的封闭包盖厚度设计方法。为提高承载能力的稳定性，建立了用湿法重型击实最佳含水率控制的路堤压实技术，编制了相应的设计施工技术指南。
3. 首次提出了膨胀土地区公路勘察设计系列技术，建立了以微观特性为基础、工程特性为指标的公路膨胀土判别分类标准、方法及工程分类体系，开发了我国第一个公路工程膨胀土分布地理信息系统，获国家发明专利和软件著作权。
揭示了标准吸湿含水率与微观胀缩特性之间的相关关系，据此提出了新的公路膨胀土判别标准与方法，并开发了相应的试验技术和仪器，获国家发明专利，攻克了膨胀土判别准确率不高的技术难题。
自主研发了以贯入阻力变异性为指标的膨胀土干湿循环显著影响区快速勘察方法，与传统技术比较，勘察时间缩短90%以上。
通过系统调研和现场勘察，开发了第一个中国膨胀土GIS信息系统，获软件著作权，构建了膨胀土地区公路勘察设计、资源利用与环境保护的技术平台。
4. 建立了基于非饱和土理论的膨胀土与构造物地基基础相互作用的分析理论、计算方法，开发了一种新的膨胀土地基处治技术，发展了公路膨胀土工程理论。
提出了一种以饱和度为主要特征变量的非饱和膨胀土本构模型，减少了模型参数，简化了试验条件与方法，测试时间缩短85%。
通过大型浸水模型试验，建立了膨胀土地基变形和承载力预测方法。通过离心模型试验，提出了膨胀土与构造物相互作用的土压力计算公式，有效地提高了设计计算精度。
研制了一种膨胀土地基液态改良剂，简化了施工工艺，缩短了施工周期，改善了地基的水稳性，使承载力提高了1.8至2.2倍。
二、国内外技术比较及知识产权
与美国、澳大利亚等国普遍采用的抗滑桩、重力式挡墙比较，柔性支护技术更为可靠，造价降低66%，工期缩短75%，植被覆盖率提高80%以上；与放缓边坡比较，该技术大量减少削坡与弃土占地；与美国普遍采用的化学改良技术比较，物理处治技术减少了环境污染，工期缩短60%，造价降低70%；与弃土换填比较，膨胀土的利用率提高了50%，减少了远距离运土的燃油消耗和废气排放。总之，本技术缩短了工期、降低了成本、节约了土地、保护了生态环境。其边坡稳定性、路堤强度和水稳性、膨胀土判别准确率、地基设计计算精度等技术经济指标先进性显著，总体达到国际领先水平。
该技术获发明专利4项，实用新型专利8项，软件著作权1项。获中国公路学会特等奖，专项技术分获省科技进步奖一等奖2项，二等奖2项。成果产生了广泛的国际影响，美国新技术导向性期刊Civil Engineering对此进行了重点推介，这是该期刊10年来首次刊登中国大陆的科技成果。主编在约稿来信中说：“该项目提供了一个全新的膨胀土工程处治范例……帮助美国土木工程师协会实现了倡导和传播新理念和新科技的目标，使全球工程师从中受益。”
三、推广应用及效益
该技术实用性强。1996年以来已先后在广西南宁至友谊关高速公路、北京第六快速环线等10省区、1000多公里高速公路和南水北调工程中得到广泛应用，有力地支撑了国家重大工程建设，产生直接经济效益11.75亿元，节约建设用地1.6万多亩，减少油耗3600多万升，降低废气排放1.66万吨，为加快膨胀土地区经济发展，改善民生，保护自然资源与生态环境作出了重大贡献，被交通运输部列为重点推广技术。2020年以前，国家将新增4万公里高速公路，百万公里普通公路，其应用前景广阔，潜在的社会、经济效益显著。
四、对科技进步的作用和意义
该技术被分别纳入4部行业规范，填补了相关技术标准的空白，出版专著3部，发表论文213篇，其中SCI和EI收录46篇，培养科技人才150余名，建设了“教育部道路灾变防治工程研究中心”。其理论、方法和技术，显著推进了我国公路行业科技进步和膨胀土工程领域的科技发展。
该技术使公路建设从惧怕膨胀土、绕避膨胀土，到充分掌握和利用膨胀土；从地质灾害频发、环境恶化到百姓安居乐业、节能环保，是我国膨胀土地区公路建设技术质的飞跃，对于保护我国有限的土地资源，促进公路交通事业与环境的协调可持续发展，加快社会经济建设意义重大并将产生深远的影响。
项目第一完成人 郑健龙教授
郑健龙（1954~），男，湖南邵阳人，汉族，中共党员，博士，长沙理工大学教授，博士生导师，道路与铁道工程交通部和湖南省重点学科带头人，公路工程教育部重点实验室主任，国家有突出贡献的中青年专家，中国土木工程专业教学指导委员会副主任委员。2009(第八届)科学中国人年度人物，交通部青年科技英才，交通部吴福——振华交通教育贡献奖获得者，享受国务院特殊津贴。中国公路学会理事，中国力学学会理事，湖南省力学学会副理事长，国际沥青路面专家协会高级会员，《中国公路学报》、International Journal of Pavement Research and Technology编委。
郑健龙教授长期从事特殊土路基稳定与加固、路面结构设计理论与方法、沥青混合料力学特性等方面的教学与科研工作。曾主持国家、省部级科研项目50余项，出版《公路膨胀土工程》等学术专著5部，发表学术论文140余篇，获国家专利8项，获国家科技进步奖一等奖1项、省部级科技进步奖特等奖1项、一等奖2项、二等奖12项、三等奖6项。郑健龙教授在以下几个方面具有突出贡献：
1. 主持完成国家西部交通建设科技计划重大项目“膨胀土地区公路修筑成套技术研究”，提出了膨胀土的平衡含水率理论、开发了膨胀土路堑边坡柔性支护综合处治技术和路堤物理处治技术，发展了公路膨胀土工程理论与技术。
2.首次提出了沥青路面路表弯沉衰变的演化模型和沥青路面结构极限状态设计法，提出了以设计弯沉为指标的沥青路面设计标准与方法以及沥青路面大中修补强设计新方法, 完善了我国沥青路面设计理论与方法，研究成果均被纳入行业规范。
3.在国内外率先开展沥青混合料的黏弹性损伤特性的研究,提出了以损伤力学中的真实应力确定疲劳试验中应力水平的新方法，建立了相应的疲劳方程，创建了沥青混合料非线性疲劳损伤理论与分析方法，为沥青路面设计规范的修订奠定了基础。
此外，郑健龙教授在路基变性控制技术、公路土工合成材料应用技术、沥青路面的抗裂设计、沥青混合料的改性技术、路面养护管理技术、复合材料板壳的非线性理论等研究方面均有所建树。
《科学时报》 (2010-6-7 B2 技术产业)
