论文部分内容阅读
摘要：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。本文结合膨胀土的特性要求和适用范围，对其在实践工程中的处理措施进行了探讨。
关键词：公路路基；膨胀土；技术处理
中图分类号：U416.1 文献标识码：A 文章编号：
Abstract: the expansive soil is influence road and other installations construction of a kind of special soil, in the actual project, the damage is great. Based on the characteristics of expansive soil requirements and applicable range, in the practice of project of the processing measures are discussed.
Keywords: highway subgrade; Expansive soil; Technology processing
一、前言
近年来，随着我国公路桥梁建设不断发展，路基处理遇到的膨胀土问题日益增多，给工程建设造成了巨大损失。在工程地质勘察中，必须正确地识别膨胀土与非膨胀土，准确地判定膨胀土的胀缩性等级，这有助于合理进行路基的设计与地基处理，对保障公路路基安全具有非常重要的意义。
二、膨胀土的定义及特征
《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ112-87)给出的膨胀土的定义:“膨胀土的土中粘粒成分主要由亲水矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的粘性土”。在自然条件下，膨胀土多呈硬塑或坚硬状态，裂隙较发育，常见光滑面和擦痕，裂缝随气候变化张开和闭合，并具有反复胀缩的特性。膨胀土的胀缩特性有如下几点：①膨胀性：指土的体积因不断吸水而增大的过程，是粘土矿物与水相互作用的结果。反映土的膨胀性能指标有自由膨胀率和不同压力作用下的膨胀率。当膨胀率大于90%时为强膨胀土，小于40%的为非膨胀土，土的含水量越低，其膨胀率越高；②收缩性：由于水分减少而收缩变形是膨胀土的另一个重要特性，其变形大小以收缩系数表示。收缩系数的物理意义是指含水量减少1%时土样的竖向收缩变形，收缩系数大的土，其收缩变形量也大；③膨胀与收缩的可逆性，膨胀土具有吸水膨胀，失水收缩，再吸水再膨胀，再失水再收缩的变形特性，我们称之为土的膨胀收缩的可逆性，是膨胀土的重要特性，由于这样的特性而造成建筑物变形、开裂是建筑裂损的一个重要因素；④膨胀土的判别外观上，膨胀土可呈灰白色、灰绿色、灰黑色、棕褐色、黄褐色。天然状态下，膨胀土呈有棱角的块状或片状。规范要求，对膨胀土详判采用自由膨胀率、标准吸
水率、塑性指数三项指标来进行，见表1。
湿含分组指标级别 非膨胀土 弱膨胀土 中等膨胀土 强膨胀土
自由膨胀率（%） FS＜40 40≤FS＜60 60≤FS＜90 FS≥90
标准吸湿含水率（%） Wf＜2.5 2.5≤Wf＜4.8 4.8≤Wf＜6.8 Wf≥6.8
塑性指数 Ip＜15 15≤Ip＜28 28≤Ip＜40 Ip≥40
《公路路基施工技术规范》规定：强膨胀土一般不用做路基填料，对于中、弱性膨胀土，经处理后可作为路床填料，要求处治后的膨胀土其胀缩总率接近于零，土壤强度(承载比CBR)不低于规范中对各级公路的要求。
三、膨胀土适用范围及其使用要求
（1）弱膨胀土。弱膨胀土可直接用于填筑上、下路堤，但不宜用于路床。弱膨胀土用作路堤填料，压实含水量宜按最佳含水量+3%控制，弱膨胀土可直接用于填筑上、下路堤。弱膨胀土最优含水量为17.5%，但当含水量为14 .6%时，CBR值仅为2.2%；而含水量为20.8%时，CBR值为5.7%。根据《公路路基设计规范》，取土场的弱膨胀土可直接用于填筑上、下路堤，压实含水量宜按20.8%控制，但不宜用于路床。当缺乏优质回填土料时，可考虑用弱膨胀土填筑下路床，但要十分慎重。现场碾压是保证路基压实度和路基质量的关键环节，应予以充分重视。
（2）中膨胀土。中膨胀土在最优含水量附近，其膨胀量大且CBR值小于3.0%，未能达到规范要求，需要对中膨胀土处理，如采用改性膨胀土或包边处理。采用摻石灰改性时，石灰掺入量为4%~6%的石灰改性土CBR值均大于8%，膨胀量小于0.04%，胀缩总率小于0.7%，即可达到路用要求。取土场的中膨胀土在最优含水量附近，其膨胀量大且CBR值小于3.0%，未能达到规范要求，需要对中膨胀土进行改性处理，如直接用于填筑路堤，压实含水量应按18.0%控制，且应对堤身采取适当的防护措施，如采用改性膨胀土进行包边处理，以达到防水、防风化的目的。
（3）强膨胀土。强膨胀土一般不做路基填料。膨胀土路基基本的处理方法公路工程中膨胀土路基处理方法一般有如下三种：换土、湿度控制、改性处理。
①换土。换土是膨胀土路基处理方法中最简单而且有效的方法。顾名思义换土就是挖除膨胀土，换填非膨胀土或沙砾土，换土深度根据膨胀土的强弱和当地的气候特点确定。在一定深度以下的膨胀土含水量基本不受外界气候的影响，该深度称之为临界深度，该含水量称之为该膨胀土在该地区的临界含水量。由于各地的气候不同，各地膨胀土的临界深度和临界含水量也有所不同。换土深度要考虑受地面降水影响而使土体含水量急剧变化的深度，基本上在1～2m，即强膨胀土为2m，中、弱膨胀土为1～1.5m，具体换土深度要根据调查后的临界深度来确定。
②湿度控制。湿度控制法包括预湿和保持含水量稳定。为控制由于膨胀土含水量变化而引起的胀缩变形，尽量减少路基含水量受外界大气的影响，需在施工中采取一定的措施。如利用土工布或粘土将膨胀土路基进行包封，避免膨胀土与外界大气直接接触，尽量减少膨胀土内部的湿度迁移。水利工程建设中经常采用膨胀土预湿法，用水浸泡地基土或覆盖非膨胀土以达到膨胀土的湿度平衡。
③改性处理。化学固化就是利用石灰、水泥或其他固化材料通过与膨胀土的物理化学作用进行膨胀土的改性处理，以达到降低膨胀土膨胀潜势、增强强度和水稳性的目的。具体来说：石灰的固化作用是由于盐基交换、次生碳酸钙胶结性、粘土颗粒与石灰相互作用形成新的含水硅酸钙、铝酸钙等新矿物而显现出来；水泥的固化作用是由于钙酸盐与铝的水化物和颗粒间的胶结作用，胶结物逐渐脱水和新生矿物的结晶作用，从而降低膨胀土的液限，增大了膨胀土的塑限和抗剪强度；NCS固化材料除具有石灰、水泥的优点消除土的胀缩性外，还有吸水增强作用，改善土的压实性并生成微型加筋结构，提高土的强度。在以往的膨胀土地基处理中已有过许多成功的先例，利用这种处理方法的成败主要取决于固化材料的技术指标和施工工艺。施工中，各种方法应综合考虑，因地制宜，可多种方法综合运用。
四、工程实例分析
广西钦州至崇左高速公路其中一段特殊路基，该路基穿过膨胀土斜坡体的高填方路基，右幅最大填方9米，左幅最大填方3米，2011年8月初完成96区顶填筑，2011年10月2日发现K61+260～K61+340段中线偏左2米处路基产生裂缝并沿纵向发展，长度80m，缝宽最大70cm。经测量工程师多次观测，发现该段路基整体严重沉降最大值达30cm，右幅膨胀土基底向右侧基槽滑移1米多。经现场地理条件及地质状况分析，并邀请多位膨胀土专家现场讨论，达成如下处理方案。
处理措施:①将K61+260-K61+340段路基开裂及沉降松散填土进行卸载至原坡面膨胀土（原膨胀土地段仅作清表处理）以下2米，开挖后基坑利用水稳料(水泥掺量3.5%)30cm厚进行封底处理，同时在右侧基坑脚设置盲沟将路基基底积水引至附近金莲小桥处排出，防止基底积水、浸泡，软化地基，导致地基承载力降低；②封底的水稳料碾压检测合格后进行片石换填，深度控制在平均厚度1.5米，片石顶采用20cm厚碎石嵌缝找平，并在找平层上铺设防水土工布；③将试验检测合格的非膨胀土按规范要求分层碾压填筑，填至93区顶时按每30cm厚的填土设置双向土工格栅，在96区采用60cm厚小粒径风化石料作消力层，以消除路基差异沉降；④沿右幅路基中部位置设置长110米间距1米二排垂直坡面钢管注浆加固，钢管长12米，直径20cm，要求每延米注水泥浆量0.04立米，注浆压力1～2MPa；⑤将右侧两堆废土挖除，利用现有的土按既定方案设置反压护道分层压实，反压护道高度控制在路堤填土高度的1/3-1/2。
五、结束语
广西钦崇高速公路膨胀土路基因在未通车前及时发现，并付出了较大成本进行补救措施，经过近6个月观测，未发现沉降及位移，总体已基本稳定。膨胀土地段的道路或其他构造物应高度重视其土体成分研究分析，并列入为超常规的一种特殊土质，否则，在实际工程病害中，其破坏力是巨大的，其修复处理付出的代价是昂贵的，建议解决膨胀土的问题，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综合考虑，并有超越现行规范的眼光，在施工前制订出一套特殊的施工工艺处理方案，以提高和稳定工程质量。
参考文献：
[1]陈茂军，刘兴柱，赵霞.膨胀土路基处理的实践与探索.科技信息：科学教研，2007(29)．
[2]李在允，李振中.谈膨胀土路基处理技术.河南科技，2005(5)．
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：公路路基；膨胀土；技术处理
中图分类号：U416.1 文献标识码：A 文章编号：
Abstract: the expansive soil is influence road and other installations construction of a kind of special soil, in the actual project, the damage is great. Based on the characteristics of expansive soil requirements and applicable range, in the practice of project of the processing measures are discussed.
Keywords: highway subgrade; Expansive soil; Technology processing
一、前言
近年来，随着我国公路桥梁建设不断发展，路基处理遇到的膨胀土问题日益增多，给工程建设造成了巨大损失。在工程地质勘察中，必须正确地识别膨胀土与非膨胀土，准确地判定膨胀土的胀缩性等级，这有助于合理进行路基的设计与地基处理，对保障公路路基安全具有非常重要的意义。
二、膨胀土的定义及特征
《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ112-87)给出的膨胀土的定义:“膨胀土的土中粘粒成分主要由亲水矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的粘性土”。在自然条件下，膨胀土多呈硬塑或坚硬状态，裂隙较发育，常见光滑面和擦痕，裂缝随气候变化张开和闭合，并具有反复胀缩的特性。膨胀土的胀缩特性有如下几点：①膨胀性：指土的体积因不断吸水而增大的过程，是粘土矿物与水相互作用的结果。反映土的膨胀性能指标有自由膨胀率和不同压力作用下的膨胀率。当膨胀率大于90%时为强膨胀土，小于40%的为非膨胀土，土的含水量越低，其膨胀率越高；②收缩性：由于水分减少而收缩变形是膨胀土的另一个重要特性，其变形大小以收缩系数表示。收缩系数的物理意义是指含水量减少1%时土样的竖向收缩变形，收缩系数大的土，其收缩变形量也大；③膨胀与收缩的可逆性，膨胀土具有吸水膨胀，失水收缩，再吸水再膨胀，再失水再收缩的变形特性，我们称之为土的膨胀收缩的可逆性，是膨胀土的重要特性，由于这样的特性而造成建筑物变形、开裂是建筑裂损的一个重要因素；④膨胀土的判别外观上，膨胀土可呈灰白色、灰绿色、灰黑色、棕褐色、黄褐色。天然状态下，膨胀土呈有棱角的块状或片状。规范要求，对膨胀土详判采用自由膨胀率、标准吸
水率、塑性指数三项指标来进行，见表1。
湿含分组指标级别 非膨胀土 弱膨胀土 中等膨胀土 强膨胀土
自由膨胀率（%） FS＜40 40≤FS＜60 60≤FS＜90 FS≥90
标准吸湿含水率（%） Wf＜2.5 2.5≤Wf＜4.8 4.8≤Wf＜6.8 Wf≥6.8
塑性指数 Ip＜15 15≤Ip＜28 28≤Ip＜40 Ip≥40
《公路路基施工技术规范》规定：强膨胀土一般不用做路基填料，对于中、弱性膨胀土，经处理后可作为路床填料，要求处治后的膨胀土其胀缩总率接近于零，土壤强度(承载比CBR)不低于规范中对各级公路的要求。
三、膨胀土适用范围及其使用要求
（1）弱膨胀土。弱膨胀土可直接用于填筑上、下路堤，但不宜用于路床。弱膨胀土用作路堤填料，压实含水量宜按最佳含水量+3%控制，弱膨胀土可直接用于填筑上、下路堤。弱膨胀土最优含水量为17.5%，但当含水量为14 .6%时，CBR值仅为2.2%；而含水量为20.8%时，CBR值为5.7%。根据《公路路基设计规范》，取土场的弱膨胀土可直接用于填筑上、下路堤，压实含水量宜按20.8%控制，但不宜用于路床。当缺乏优质回填土料时，可考虑用弱膨胀土填筑下路床，但要十分慎重。现场碾压是保证路基压实度和路基质量的关键环节，应予以充分重视。
（2）中膨胀土。中膨胀土在最优含水量附近，其膨胀量大且CBR值小于3.0%，未能达到规范要求，需要对中膨胀土处理，如采用改性膨胀土或包边处理。采用摻石灰改性时，石灰掺入量为4%~6%的石灰改性土CBR值均大于8%，膨胀量小于0.04%，胀缩总率小于0.7%，即可达到路用要求。取土场的中膨胀土在最优含水量附近，其膨胀量大且CBR值小于3.0%，未能达到规范要求，需要对中膨胀土进行改性处理，如直接用于填筑路堤，压实含水量应按18.0%控制，且应对堤身采取适当的防护措施，如采用改性膨胀土进行包边处理，以达到防水、防风化的目的。
（3）强膨胀土。强膨胀土一般不做路基填料。膨胀土路基基本的处理方法公路工程中膨胀土路基处理方法一般有如下三种：换土、湿度控制、改性处理。
①换土。换土是膨胀土路基处理方法中最简单而且有效的方法。顾名思义换土就是挖除膨胀土，换填非膨胀土或沙砾土，换土深度根据膨胀土的强弱和当地的气候特点确定。在一定深度以下的膨胀土含水量基本不受外界气候的影响，该深度称之为临界深度，该含水量称之为该膨胀土在该地区的临界含水量。由于各地的气候不同，各地膨胀土的临界深度和临界含水量也有所不同。换土深度要考虑受地面降水影响而使土体含水量急剧变化的深度，基本上在1～2m，即强膨胀土为2m，中、弱膨胀土为1～1.5m，具体换土深度要根据调查后的临界深度来确定。
②湿度控制。湿度控制法包括预湿和保持含水量稳定。为控制由于膨胀土含水量变化而引起的胀缩变形，尽量减少路基含水量受外界大气的影响，需在施工中采取一定的措施。如利用土工布或粘土将膨胀土路基进行包封，避免膨胀土与外界大气直接接触，尽量减少膨胀土内部的湿度迁移。水利工程建设中经常采用膨胀土预湿法，用水浸泡地基土或覆盖非膨胀土以达到膨胀土的湿度平衡。
③改性处理。化学固化就是利用石灰、水泥或其他固化材料通过与膨胀土的物理化学作用进行膨胀土的改性处理，以达到降低膨胀土膨胀潜势、增强强度和水稳性的目的。具体来说：石灰的固化作用是由于盐基交换、次生碳酸钙胶结性、粘土颗粒与石灰相互作用形成新的含水硅酸钙、铝酸钙等新矿物而显现出来；水泥的固化作用是由于钙酸盐与铝的水化物和颗粒间的胶结作用，胶结物逐渐脱水和新生矿物的结晶作用，从而降低膨胀土的液限，增大了膨胀土的塑限和抗剪强度；NCS固化材料除具有石灰、水泥的优点消除土的胀缩性外，还有吸水增强作用，改善土的压实性并生成微型加筋结构，提高土的强度。在以往的膨胀土地基处理中已有过许多成功的先例，利用这种处理方法的成败主要取决于固化材料的技术指标和施工工艺。施工中，各种方法应综合考虑，因地制宜，可多种方法综合运用。
四、工程实例分析
广西钦州至崇左高速公路其中一段特殊路基，该路基穿过膨胀土斜坡体的高填方路基，右幅最大填方9米，左幅最大填方3米，2011年8月初完成96区顶填筑，2011年10月2日发现K61+260～K61+340段中线偏左2米处路基产生裂缝并沿纵向发展，长度80m，缝宽最大70cm。经测量工程师多次观测，发现该段路基整体严重沉降最大值达30cm，右幅膨胀土基底向右侧基槽滑移1米多。经现场地理条件及地质状况分析，并邀请多位膨胀土专家现场讨论，达成如下处理方案。
处理措施:①将K61+260-K61+340段路基开裂及沉降松散填土进行卸载至原坡面膨胀土（原膨胀土地段仅作清表处理）以下2米，开挖后基坑利用水稳料(水泥掺量3.5%)30cm厚进行封底处理，同时在右侧基坑脚设置盲沟将路基基底积水引至附近金莲小桥处排出，防止基底积水、浸泡，软化地基，导致地基承载力降低；②封底的水稳料碾压检测合格后进行片石换填，深度控制在平均厚度1.5米，片石顶采用20cm厚碎石嵌缝找平，并在找平层上铺设防水土工布；③将试验检测合格的非膨胀土按规范要求分层碾压填筑，填至93区顶时按每30cm厚的填土设置双向土工格栅，在96区采用60cm厚小粒径风化石料作消力层，以消除路基差异沉降；④沿右幅路基中部位置设置长110米间距1米二排垂直坡面钢管注浆加固，钢管长12米，直径20cm，要求每延米注水泥浆量0.04立米，注浆压力1～2MPa；⑤将右侧两堆废土挖除，利用现有的土按既定方案设置反压护道分层压实，反压护道高度控制在路堤填土高度的1/3-1/2。
五、结束语
广西钦崇高速公路膨胀土路基因在未通车前及时发现，并付出了较大成本进行补救措施，经过近6个月观测，未发现沉降及位移，总体已基本稳定。膨胀土地段的道路或其他构造物应高度重视其土体成分研究分析，并列入为超常规的一种特殊土质，否则，在实际工程病害中，其破坏力是巨大的，其修复处理付出的代价是昂贵的，建议解决膨胀土的问题，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综合考虑，并有超越现行规范的眼光，在施工前制订出一套特殊的施工工艺处理方案，以提高和稳定工程质量。
参考文献：
[1]陈茂军，刘兴柱，赵霞.膨胀土路基处理的实践与探索.科技信息：科学教研，2007(29)．
[2]李在允，李振中.谈膨胀土路基处理技术.河南科技，2005(5)．
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。