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摘?要 本文探讨了膨胀土的特性和常规处理方法，并以某高速公路路基膨胀土为研究对象，分别以石灰、水泥等作为添加物进行膨胀土的改良试验，结果表明使用石灰作为改良添加物在经济上和效果上都最为理想。在选定了膨胀土改良添加物的基础上，依据路基的不同膨胀特性，按弱膨胀土和中等膨胀土分别设计了施工措施。
关键词 膨胀土；路基；改良；施工技术
中图分类号 U416 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)052-0102-02
1 膨胀土特性及其常规处理方法
我国是膨胀土分布最广的国家之一，大量的公路和铁路都建筑在膨胀土路基上。由于膨胀土路基容易发生沉降、滑坡等毁坏，每年在处理膨胀土路基上的投资都很大，由膨胀土所引起的问题已经成为路基处理中的重要问题之一。
从物理特性上看，膨胀土属于粘土的一种，所含的矿物成分对湿度的状态变化敏感，容易随着湿度的变化而发生形变，从而造成结构上的破坏。膨胀土在湿度增加时表现为膨胀，在干燥失水时主要表现为收缩裂缝。因此在进行膨胀土路基的处理主要针对这种湿度变化敏感的特性展开。为了减小膨胀土随湿度变化敏感的特性，早期的研究主要是通过在路基中添加如石灰等具有吸水特性的材料来进行改良，虽然这种改良方式可以取得较好的效果，但其中的机理并不十分明确。由于膨胀土是一类对湿度敏感的粘土的统称，不同地区和矿物组成的膨胀土物理特性差异较为明显，因此在进行膨胀土的处理时大多采用因地制宜的试验方法来进行研究和改良，但加入石灰的方式仍然是主流。从施工工艺的角度看，由于膨胀土属于高液限粘土，本身含水量较大，且不易散开，在添加石灰时混合的均匀性较难达到，因此对施工工艺和设备的要求较高。
综上所述，在进行膨胀土路基的处理时主要是要处理两个方面的问题：一是用石灰作为添加剂时与膨胀土的拌合问题；二是对拌合效果的质量控制问题。本文将就这两类问题展开研究。
2 膨胀土的改良试验研究
2.1 试验用膨胀土概况
为便于论述，以某地高速公路膨胀土路基为对象。该地区的膨胀土为复合型膨胀土，上层主要为第四纪上更新统粘土、中更新统粘土以及亚粘土，下层主要为下更新统粘土。上层粘土为高液限和低液限粘土的混合型，下层粘土为高液限粘土，总体而言该地膨胀土的膨胀特性弱膨胀性至中膨胀性。经过初步测算，该地膨胀土的自由膨胀率大致在40%~80%之间，属弱~中等膨胀土。在对膨胀土样本取样后用X-衍射法测定其矿物成分主要为石英，含量约为70%，其次为高岭土和蒙脱石的混合物，含量约为20%，其他矿物成分含量约为10%。
2.2 试验方法和取样
在以上膨胀土基本特性了解的前提下，按照我国《公路土工试验规程》的有关规定来进行相应的改良试验。在试验中选用了联合液塑限仪来测定该膨胀土的液限和塑限。在进行击实实验时选用的击实锤为重4.5 kg、落距40 cm和重2.5 kg、落距30 cm两种规格的击实锤和落距进行击实实验。在路基原址不同深度提取40个土样，在各深度的土样中再分别提取5个子土样。对以上共200个土样，分别检测土的容重、无荷载线膨胀率、线缩率、50 kPa有荷载膨胀率.、膨胀力等5个膨胀性指标，用余下的原状土样碾散后检测自由膨胀率、液限、塑限等物理指标。
2.3 试验方案
进行室内试验的目的在于配合室外的路基施工，因此在制定试验方案时就以尽可能接近实际施工作为试验方案的设计准则，即进行原土样分析、组合试验和改良试验三个阶段的试验，按实际需要，拟定了以下四组不同的添加方案：膨胀土添加石灰方案（石灰掺量3%~8%）、膨胀土添加水泥方案（水泥掺量2%~6%）、膨胀土添加粉煤灰方案（粉煤灰掺量10%~15%）和混合方案（为上述三类添加物的两两组合方案）。对以上类中参合方案均采用静压成型并养护7天后测定荷载膨胀率。
2.4 试验结果分析
2.4.1 膨胀土添加石灰方案
该方案中随着添加石灰量的增加，无荷载膨胀率降低较为明显，且相同掺灰量情况下，强膨胀土的膨胀率降低较中、弱膨胀土的膨胀率明显，掺加石灰量大于等于6%时，中膨胀土和强膨胀土的膨胀率趋近于一致。
2.4.2 膨胀土添加水泥方案
当水泥添加量小于4%时，无荷载膨胀率呈线性显著降低，达到4%后，增加水泥用量对无荷载膨胀率影响不明显，总体效果不如添加石灰方案显著。
2.4.3 膨胀土添加粉煤灰方案
试验结果表明，随着粉煤灰掺加量的增加，膨胀土的无荷载膨胀率近似线性减小，掺粉煤灰后膨胀土的膨胀性略有减小，但减小幅度不大，改善效果不理想。
2.4.4 混合方案
掺水泥量为3%、4%、5%，掺石灰量为4%、5%、6%，掺粉煤灰量为15%、19%，分别选用两组改性材料组合进行50kPa有荷膨胀率试验和收缩率试验，结果表明双组分改性与相应的单组分改性相比，改性效果不明显。
综上各类试验结果，可见采用石灰和水泥作为添加物的改善效果最明显，但出于经济性考虑，选择添加石灰的方案更为
可行。
3 施工设计
在进行膨胀土路段的施工设计时，从节约施工成本的角度出发，采用了三类主要的处理方式：换土回填、湿度控制和加入石灰改良。由于待处理的路段膨胀土属于弱~中等的膨胀土，因此在进行具体的施工处理时，按照不同的膨胀土特性采用相应的处理措施。三类处理方式的设计概况分别为：①换土回填方式：在膨胀土膨胀特性较强的路段，主要采用换土回填的方式，在原膨胀土路基基础上开挖0.5 m~1.5 m，具体的换土深度取决于土体含水量，再换填非膨胀土或砂砾土，必要时换填经过石灰改良后的膨胀土；②湿度控制方式：在具体工程中采用预湿法，即将开挖出的膨胀土经过晾晒等手段将湿度控制在一定的范围，再利用铺设土工布的方式来减小膨胀土路基含水量对外界的敏感程度；③改良处理：根据膨胀土的试验特性，添加一定比例的石灰进行改良后回填。这类处理方式主要用于中等膨胀土路段。由于路段的膨胀土特性存在差异，因此为了节约施工成本，按不同的膨胀土特性分别采用不同的处理方式，各处理方式简述如下。
3.1 弱膨胀土路段的填筑处理
在弱膨胀土路段，对路堤和路基采用不同的处理方式。具体措施分别为：路堤的处理以实际路堤边坡高度为参考，当路堤高度在6 m以下时，采用晾干48 h的弱膨胀土填筑，外加1 m~2 m厚的非膨胀土外包层，当路堤高度在1米以下时，全部采用非膨胀土回填处理并压实。当路堤边坡高度超过6 m时，在弱膨胀土中添加一定比例的石灰（添加比例在3%~5%，按改良试验结果进行添加）进行改良后填筑，外包1 m~1.5 m的非膨胀土外包层。在进行弱膨胀土路段的路基处理时，为节约成本，采用开挖50 cm并回填非膨胀土的方式进行处理。
3.2 中等膨胀土路段的填筑处理
对于中等膨胀土路段的处理要求更为严格，原则上应将经过改良后的土壤进行填筑，但从经济的角度考虑，尽量采用湿度控制的方式以节约施工成本。对于路床厚度超过1 m的路段采用经过改良后的土壤进行填筑，在就近可以获得非膨胀土的工地采用开挖换填非膨胀土的方式，对于厚度超过70 cm的路堤也采用类似的处理方式。在路堤施工完成后在表面辅以拱形骨架并在其空隙内种植植被，或采用浆砌石块的方式对边坡进行保护。对路堑也采用类似的处理方式。
4 结束语
膨胀土的改良是值得进一步研究的重要问题，其研究成果在膨胀土路段的路面施工中发挥重要作用。目前膨胀土主要的改良方式是采用加添石灰的方式，但仍需要进一步研究其他的改良方式对膨胀土膨胀特性的改良效果。膨胀土路段的施工技术仍然是需要进一步研究的问题，但应当考虑到施工技术的经济性和可操作性。
参考文献
[1]陶飞飞,申时庵.石灰改良膨胀土力学性能试验[J].广西大学学报,2004,4.
[2]和平,张锐.非饱和膨胀土总应力强度的确定方法[J].长沙理工大学学报,2004,9.
[3]Bearing Capaeity of Unsaturated ExPansive 5011 YongFuXu Sehool of Civil engineering Mechanics,Shanghai Jiaotong university,Shanghai.
关键词 膨胀土；路基；改良；施工技术
中图分类号 U416 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)052-0102-02
1 膨胀土特性及其常规处理方法
我国是膨胀土分布最广的国家之一，大量的公路和铁路都建筑在膨胀土路基上。由于膨胀土路基容易发生沉降、滑坡等毁坏，每年在处理膨胀土路基上的投资都很大，由膨胀土所引起的问题已经成为路基处理中的重要问题之一。
从物理特性上看，膨胀土属于粘土的一种，所含的矿物成分对湿度的状态变化敏感，容易随着湿度的变化而发生形变，从而造成结构上的破坏。膨胀土在湿度增加时表现为膨胀，在干燥失水时主要表现为收缩裂缝。因此在进行膨胀土路基的处理主要针对这种湿度变化敏感的特性展开。为了减小膨胀土随湿度变化敏感的特性，早期的研究主要是通过在路基中添加如石灰等具有吸水特性的材料来进行改良，虽然这种改良方式可以取得较好的效果，但其中的机理并不十分明确。由于膨胀土是一类对湿度敏感的粘土的统称，不同地区和矿物组成的膨胀土物理特性差异较为明显，因此在进行膨胀土的处理时大多采用因地制宜的试验方法来进行研究和改良，但加入石灰的方式仍然是主流。从施工工艺的角度看，由于膨胀土属于高液限粘土，本身含水量较大，且不易散开，在添加石灰时混合的均匀性较难达到，因此对施工工艺和设备的要求较高。
综上所述，在进行膨胀土路基的处理时主要是要处理两个方面的问题：一是用石灰作为添加剂时与膨胀土的拌合问题；二是对拌合效果的质量控制问题。本文将就这两类问题展开研究。
2 膨胀土的改良试验研究
2.1 试验用膨胀土概况
为便于论述，以某地高速公路膨胀土路基为对象。该地区的膨胀土为复合型膨胀土，上层主要为第四纪上更新统粘土、中更新统粘土以及亚粘土，下层主要为下更新统粘土。上层粘土为高液限和低液限粘土的混合型，下层粘土为高液限粘土，总体而言该地膨胀土的膨胀特性弱膨胀性至中膨胀性。经过初步测算，该地膨胀土的自由膨胀率大致在40%~80%之间，属弱~中等膨胀土。在对膨胀土样本取样后用X-衍射法测定其矿物成分主要为石英，含量约为70%，其次为高岭土和蒙脱石的混合物，含量约为20%，其他矿物成分含量约为10%。
2.2 试验方法和取样
在以上膨胀土基本特性了解的前提下，按照我国《公路土工试验规程》的有关规定来进行相应的改良试验。在试验中选用了联合液塑限仪来测定该膨胀土的液限和塑限。在进行击实实验时选用的击实锤为重4.5 kg、落距40 cm和重2.5 kg、落距30 cm两种规格的击实锤和落距进行击实实验。在路基原址不同深度提取40个土样，在各深度的土样中再分别提取5个子土样。对以上共200个土样，分别检测土的容重、无荷载线膨胀率、线缩率、50 kPa有荷载膨胀率.、膨胀力等5个膨胀性指标，用余下的原状土样碾散后检测自由膨胀率、液限、塑限等物理指标。
2.3 试验方案
进行室内试验的目的在于配合室外的路基施工，因此在制定试验方案时就以尽可能接近实际施工作为试验方案的设计准则，即进行原土样分析、组合试验和改良试验三个阶段的试验，按实际需要，拟定了以下四组不同的添加方案：膨胀土添加石灰方案（石灰掺量3%~8%）、膨胀土添加水泥方案（水泥掺量2%~6%）、膨胀土添加粉煤灰方案（粉煤灰掺量10%~15%）和混合方案（为上述三类添加物的两两组合方案）。对以上类中参合方案均采用静压成型并养护7天后测定荷载膨胀率。
2.4 试验结果分析
2.4.1 膨胀土添加石灰方案
该方案中随着添加石灰量的增加，无荷载膨胀率降低较为明显，且相同掺灰量情况下，强膨胀土的膨胀率降低较中、弱膨胀土的膨胀率明显，掺加石灰量大于等于6%时，中膨胀土和强膨胀土的膨胀率趋近于一致。
2.4.2 膨胀土添加水泥方案
当水泥添加量小于4%时，无荷载膨胀率呈线性显著降低，达到4%后，增加水泥用量对无荷载膨胀率影响不明显，总体效果不如添加石灰方案显著。
2.4.3 膨胀土添加粉煤灰方案
试验结果表明，随着粉煤灰掺加量的增加，膨胀土的无荷载膨胀率近似线性减小，掺粉煤灰后膨胀土的膨胀性略有减小，但减小幅度不大，改善效果不理想。
2.4.4 混合方案
掺水泥量为3%、4%、5%，掺石灰量为4%、5%、6%，掺粉煤灰量为15%、19%，分别选用两组改性材料组合进行50kPa有荷膨胀率试验和收缩率试验，结果表明双组分改性与相应的单组分改性相比，改性效果不明显。
综上各类试验结果，可见采用石灰和水泥作为添加物的改善效果最明显，但出于经济性考虑，选择添加石灰的方案更为
可行。
3 施工设计
在进行膨胀土路段的施工设计时，从节约施工成本的角度出发，采用了三类主要的处理方式：换土回填、湿度控制和加入石灰改良。由于待处理的路段膨胀土属于弱~中等的膨胀土，因此在进行具体的施工处理时，按照不同的膨胀土特性采用相应的处理措施。三类处理方式的设计概况分别为：①换土回填方式：在膨胀土膨胀特性较强的路段，主要采用换土回填的方式，在原膨胀土路基基础上开挖0.5 m~1.5 m，具体的换土深度取决于土体含水量，再换填非膨胀土或砂砾土，必要时换填经过石灰改良后的膨胀土；②湿度控制方式：在具体工程中采用预湿法，即将开挖出的膨胀土经过晾晒等手段将湿度控制在一定的范围，再利用铺设土工布的方式来减小膨胀土路基含水量对外界的敏感程度；③改良处理：根据膨胀土的试验特性，添加一定比例的石灰进行改良后回填。这类处理方式主要用于中等膨胀土路段。由于路段的膨胀土特性存在差异，因此为了节约施工成本，按不同的膨胀土特性分别采用不同的处理方式，各处理方式简述如下。
3.1 弱膨胀土路段的填筑处理
在弱膨胀土路段，对路堤和路基采用不同的处理方式。具体措施分别为：路堤的处理以实际路堤边坡高度为参考，当路堤高度在6 m以下时，采用晾干48 h的弱膨胀土填筑，外加1 m~2 m厚的非膨胀土外包层，当路堤高度在1米以下时，全部采用非膨胀土回填处理并压实。当路堤边坡高度超过6 m时，在弱膨胀土中添加一定比例的石灰（添加比例在3%~5%，按改良试验结果进行添加）进行改良后填筑，外包1 m~1.5 m的非膨胀土外包层。在进行弱膨胀土路段的路基处理时，为节约成本，采用开挖50 cm并回填非膨胀土的方式进行处理。
3.2 中等膨胀土路段的填筑处理
对于中等膨胀土路段的处理要求更为严格，原则上应将经过改良后的土壤进行填筑，但从经济的角度考虑，尽量采用湿度控制的方式以节约施工成本。对于路床厚度超过1 m的路段采用经过改良后的土壤进行填筑，在就近可以获得非膨胀土的工地采用开挖换填非膨胀土的方式，对于厚度超过70 cm的路堤也采用类似的处理方式。在路堤施工完成后在表面辅以拱形骨架并在其空隙内种植植被，或采用浆砌石块的方式对边坡进行保护。对路堑也采用类似的处理方式。
4 结束语
膨胀土的改良是值得进一步研究的重要问题，其研究成果在膨胀土路段的路面施工中发挥重要作用。目前膨胀土主要的改良方式是采用加添石灰的方式，但仍需要进一步研究其他的改良方式对膨胀土膨胀特性的改良效果。膨胀土路段的施工技术仍然是需要进一步研究的问题，但应当考虑到施工技术的经济性和可操作性。
参考文献
[1]陶飞飞,申时庵.石灰改良膨胀土力学性能试验[J].广西大学学报,2004,4.
[2]和平,张锐.非饱和膨胀土总应力强度的确定方法[J].长沙理工大学学报,2004,9.
[3]Bearing Capaeity of Unsaturated ExPansive 5011 YongFuXu Sehool of Civil engineering Mechanics,Shanghai Jiaotong university,Shanghai.