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【摘 要】 通过对信阳至南阳高速公路项目南阳境典型膨胀土路堑边坡生态改性试验研究及工程应用效果检测评价，探索了中弱等膨胀土边坡防护新技术，经济可行，对类似工程具有一定参考价值。
【关键词】 高速公路；膨胀土；生态改性；边坡防护
概述：
河南省信阳至南阳高速公路项目是国家规划的西部开发大通道上海至陕西（沪陕）高速公路重要组成部分，自东向西依次穿越信阳市、驻马店市、南阳市，全长182.904公里，其中南陽市境110公里，分信阳至泌阳段、泌阳至南阳段两个项目进行建设。公路沿线地质、地形复杂，泌阳至南阳段全线分布中弱膨胀土。为了探索膨胀土路堑边坡防护新技术，建设生态环保高速公路，选择K177+170～K177+800两侧膨胀土路堑边坡进行生态改性试验研究。试验段全长630m，位于南阳市卧龙区潦河镇李庄村境内，属典型南阳膨胀土。该段边坡设计坡率为1：2，改性施工面积为43142.2㎡。
1.南阳膨胀土成因及工程特性
1.1南阳地理气候
南阳北靠伏牛山、东扶桐柏山、西依秦岭、南临汉江、三面环山，海拔高度在72.2米至2212.5米之间，地势呈阶梯状，大部分为高阶地，其地形为平坦开阔的岗地与宽缓谷地，以河流为骨架，构成向南开口与江汉平原相连接的马蹄形盆地，素称南阳盆地。南阳处于亚热带向暖温带的过渡地带，属典型的季风大陆半湿润气候，年平均气温14.4℃–15.7℃，年降雨量在300–1100毫米之间，每年的雨季为七月、八月、九月三个月。
1.2南阳膨胀土的形成环境和成因类型
南阳盆地的膨胀性粘土是从新第三纪到早全新世多个地质时期形成的。地质历史时期气候、古地貌和沉积环境的变化造成膨胀土的产状、物质成分、结构特征和工程性质差异很大，是影响膨胀土成因类型的主要因素。
晚第三纪中新世时期，南阳盆地气候湿润多雨，处于湖相沉积环境。盆地中部处深水还原环境，形成灰绿色和灰白色弱成岩的泥灰岩和硬粘土，盆地西部边缘处于浅水沉积环境则形成棕红色夹灰绿色条带的硬粘土。在第四纪初期，喜马拉雅运动造成水平向挤压作用，盆地周围山地普遍上升，在地表水侵蚀作用下，形成了自北、东、西三面向盆地中部和南部逐渐倾斜并略有起伏的地貌景观，南阳盆地结束了大面积湖相环境，形成了NW-SE向排列的波浪状垄岗，第三系湖相沉积地层发生大范围变形，并发育大量构造裂隙、节理。早更新世中晚期和中更新世早期，盆地处于缓慢的下沉和相对稳定阶段，周围山地继续遭受风化剥蚀，在盆地中形成了大量冲洪积粘土地层，上第三系地层基本上被掩盖起来。在盆地中部硬粘土埋深可能达到600～800以上，而盆地边缘和垄状岗地部位埋深较浅，因此上第三系泥岩的成岩程度差别很大，在盆地中心有的已经形成泥灰岩或泥岩，而垄岗地带仅形成了超固结的硬粘土。
南阳盆地早更新世气候总体上比较寒冷，化学风化微弱，因此地层物质来源与母岩成分极为相似，下更新统地层基本上不发育膨胀土。
南阳盆地棕黄色膨胀土形成于中更新世。中更新世早期气候温暖，基本上是季节性中等降雨的暖湿气候地区，岗坡地形上棕黄、棕红色粘土中形成了大量锰质结核即是这种气候的反映。地下水位处于周期性的变化过程中，因此形成的棕黄色粘土中普遍发育标志氧化环境的锰质结核和标志动荡地下水位的钙质结核层。中更新世冲洪积地层是南阳盆地广阔平原区上部的主要地层。
晚更新世至全新世初时期，地壳振荡性抬升，河流侵蚀，中更新统地层成了垄状岗地的主体地层，被切割抬升形成岗地和二级阶地，在地势开阔的低平地区则形成了厚度不一的河湖相褐色粘土，称为黑垆土。全新世时期，盆地相对稳定，岗间洼地中河流两侧形成带状冲积平原。
从沉积环境分析，南阳膨胀土主要成因类型可以划分为3种，见表1
1.3、南阳膨胀土的工程特性
膨胀土其矿物组成多以伊利石、蒙脱石为主，夹少量的高岭石。这些亲水性的粘土矿物遇水膨胀，失水收缩，具有明显的胀缩性、多裂隙性、超固结性，以及强度减弱性，容易造成沉陷、溜塌、纵裂、坍塌等自然灾害，仅我国每年因膨胀土造成的经济损失就达150亿美元。修筑在典型膨胀土分布区的公路、铁路常常是“逢堑必滑、有堤必坍”，而且这种破坏作用具有多次反复性和长期潜在危害性。南阳地区的膨胀土具有膨胀土的一般特性，同时土体裂隙发育，局部膨胀土中夹有砂礓石或灰白、灰绿色粘土夹层或薄膜，具有中强膨胀势能、较高的液限和含水量。根据地质勘察试验资料，按现行规范判定，南阳地区的膨胀土为膨胀潜势中等膨胀土。
2.膨胀土危害和路堑边坡防护方案
2.1膨胀土危害
膨胀土的矿物成分及结构形式，使它具有胀缩特性，含水量的变化使其这一特性显示出来。新开挖的膨胀土地基与边坡，受雨水、大气、地下水、土压力等因素的影响，使膨胀土含水量发生变化。反复胀缩导致了膨胀土土体的松散，并在其中形成许多不规则的裂隙，裂隙破坏了土体的整体性，使水的侵入和土中水分的蒸发更为容易。土体含水量的波动引起胀缩变形的反复发生，又进一步导致了裂隙的扩展和向土层深部发展，使土体强度大为降低，形成风化层。风化层深度一般在1～1.2m。风化层深度范围内，土体湿胀干缩效应明显，土体的粘聚力和抗剪强度急剧下降，所以大气风化作用层是产生各种地基，及边坡病害的直接引导层。对地基及边坡稳定性危害极大。因此膨胀土大气风化作用层是危害工程的主要原因。是工程防护和治理的重点对象。
膨胀土含水量的变化是受多种因素的影响，雨水渗入只是其中的一个比较重要的因素。因此治理膨胀土地基及边坡，仅仅依靠防止雨水渗入土体是远远不够的。它应该是对大气风化作用层影响深度范围内土体的彻底治理。
2.2膨胀土路堑边坡防护方案
对于膨胀土挖方路堑边坡防护，一般采用全封闭形式的刚性防护。其主要观点认为：膨胀土边坡失稳的主要原因是受降水影响，当土体吸水由非饱和态进入饱和态这一过程中，土体的抗剪强度则由强逐渐变弱，当土体的剪切指标值随含水量增加而衰减时，其边坡稳定性随之递减直至产生变形破坏。因此采用边坡封闭防护以阻止降水被非饱和土吸收，其主要方式如浆砌片石满铺防护、浆砌片石挡土墙、浆砌片石拱型骨架植草、混凝土六角块满铺防护、土钉墙加固边坡等。实践证明这些刚性防护方案治理膨胀土效果较差。不能从根本上解决在大气风化作用层影响深度范围内膨胀土体的胀缩问题。因为膨胀土新开挖的坡面受大气、地下水、土压力变化等多种因素影响，既使没有降水的浸入，也会发生膨胀与收缩，必然产生一定的变形，以求达到新的平衡。即使这种变形不大，也会对刚性防护结构起破坏作用。慢慢形成裂缝，雨水就会从裂缝中渗入，加剧膨胀土的胀缩变形，恶性循环，直至引发连锁破坏。刚性防护结构还有产生眩光、燥声，不能还原生态环境等缺陷。 3.膨胀土生态改性机理及作用
3.1改性机理
膨胀土生态改性剂是由一种复合化学配方+水+活性石灰充分搅拌组成。具有电解和离子交换的作用，有较强的渗透性，能溶于水，在水中离解出带正电荷的阳离子[X]n+和带负电荷的阴离子[Y]n-，阳离子与膨胀土胶体表面的阳离子[M]n+产生交换作用，将这些原本吸附在膨胀土颗粒表面、亲水性极高的阳离子赶走，代之以亲水性较低、粘结力较强的铝离子及其水合物。使膨胀土颗粒上的吸附水的化学键破坏形成自由水，改性后土颗粒形成键状和网状结构加快反应和离子交换，自由水通过重力、蒸发、压实作用排除，改变了膨胀土颗粒的结构特征，从而提高膨胀土的抗剪强度，增强膨胀土的水稳性，永久的改变膨胀土的属性，将膨胀土改性为非膨胀土。且具有比石灰土更稳固更持久的效果。即：
[土壤胶体]n-[M]n++[X]n+-->[土壤胶体]n-[X]n++[M]n+
而离解出来的阴离子则与土壤中铝产生络合作用：
[土壤颗粒]+[Y]n--->[侵蚀的土壤颗粒]3-+[AIY]3-n
铝离子的树脂络合物[AIY]3-n再与[土壤胶体]n-[X]n+作用，使树脂得以再生：
[AIY]3-n+[土壤胶体]n-[X]n+-->Yn-Xn+[Al（土壤胶体）]
总反应式是：
[土壤膠体]n-[M]n++[X]n+-->Al[脱铝的土壤胶体]+[M]n+
膨胀土生态改性剂是在水中电解出离子与膨胀土颗粒离子进行交换作用，从而达到将膨胀土改性的目的，它与其它的胶合材料不同，自身与土粒并不结合，而且具有再生功能，它与膨胀土作用时其总量并没有减少。其功效并不会随着时间的推移而逐渐减弱，相反，只要膨胀土中有水分，它的功效就会延续下去，这种作用是永久的不可逆的。作用过程大致是：当膨胀土生态改性剂喷洒在土体上通过渗透达到一定深度将其改性，还可以通过土体本身含水量经土体毛细孔隙到达一定深度。更重要的是膨胀土生态改性剂具有较强的渗透性，能溶于水，它可以随雨水渗透，到达雨水能到达的深度，这样就从根本上解决了雨水渗入对膨胀土的影响，做到对大气风化作用层影响深度范围内膨胀土体的彻底治理。
3.2改性作用与特性
3.2.1改善膨胀土湿胀干缩的特性
膨胀土湿胀干缩特性是其所含的矿物与水作用的结果，在膨胀土矿物颗粒表面吸附着一层水，这层吸附水是以静电引力的形式被吸附在膨胀土矿物颗粒的表面上，由于静电引力的作用，这层吸附水与膨胀土矿物颗粒结合得非常牢固，重力、较小机械力不能将其排出。土壤通过风干可以除去大部分的吸附水，但环境湿度增加会导致其重新吸收水分，由于膨胀土矿物颗粒很小，其表面积非常巨大，吸附水的吸收或排出，势必引起土体强烈的湿胀干缩，从而导致岩土工程的破坏。离子交换作用结果，是使原来作用于土壤颗粒表面的吸附水静电引力被打破，吸附水变成自由水。经离子交换作用膨胀土颗粒不再容易与水分子结合，从而容易被排出，这样就从根本上改善了膨胀土湿胀干缩的特性，将膨胀土改性为非膨胀土，优于正常土。
3.2.2改性后的土体具有人造沉积岩倾向
由于改性后的土体水分在膨胀土生态改性剂的作用下被排除，改性土在重力的作用下被压实，在石灰和离子反应中形成胶状晶体的粘合作用下被固化。固结形成密实的板状结构，而且具有良好的弹性，不会发生裂隙，具有人造沉积岩的倾向。
3.2.3水的渗透不会引起岩土工程的破坏
水的渗透需要有气孔。未经处理过的土壤其中的气孔及虚空空间很多，水很容易渗透进去，渗透进去的水还会被膨胀土颗粒吸附而使土壤膨胀，导致岩土工程破坏。经过膨胀土生态改性剂处理的土体，由于其排水作用而使大部分的气孔也被压缩，且气孔里大部分空间会被再结晶物质所充填，虽然改性后的土体水还是能渗透进去，但由于这些水不会再被吸附而很快被排出。所以，这些渗透水并不会引起岩土工程的破坏。
4.膨胀土生态改性试验研究与工程应用
4.1室内改性试验的方法与步骤
膨胀土生态改性剂是一种新型产品，开发的时间不长，通过试验使人们可以清楚的认识到该产品对膨胀土的改性效果，增强对该产品的认识，同时对后期大面积施工起到重要的指导作用。（1）改性试验首先认真进行现场调查，了解现场膨胀土变化规律，观察地形地貌，收集当地气候条件的相关资料，以此为依据确定雨水的渗透深度以及大气风化作用层的影响深度。
（2）在膨胀土路段上分点采取原状土的土样。通过室内试验获得原状土的各项指标，按相关调查资料与室内试验的结果，配置若干不同的膨胀土生态改性剂，分别按实体改性施工方法进行室内模拟试验，经检测选择合适的土体最优配方，根据试验结果设计单位面积的喷洒量和喷洒次数。改性后的土样达到非膨胀土优于正常土的标准。
（3）室内试验采取原状土土样布点与采样方法，原状土与改性土检测技术方法均按GB/T50123–1999《土工试验方法标准》和DT–82《土工试验规程》执行。室内试验检测内容包括液限、塑限、湿化、自由膨胀率、颗粒分析、最大干密度、最佳含水量、击实、承载比、无侧抗压强度、直剪、膨胀率，膨胀力、收缩（线缩、体缩、缩限）。
（4）根据试验报告确定最优配方，生产膨胀土生态改性剂。
4.2试验段膨胀土改性室内试验研究
试验段膨胀土改性室内试验由中冶集团武汉勘查研究院有限公司检测中心承担。室内检测2005年11月26日开始至2005年12月20日结束。试验时将原土样风干后分成四份，其中一份用于原状土试验，其余三份按照三个改性配方完成原状土的改性工作。通过测定原状土和改性土的自由膨胀率、颗粒级配、最大干密度与最优含水率，制备试样测定相关的膨胀性及水稳定性指标。最后通过对改性前后各指标对比，评价改性效果与最优配方。试验成果分析如下： （1）改性土的可塑性发生了明显的变化，其液限减小，塑限增大；塑性指数减小了40%左右。这表明经改性作用，土体的亲水性明显减弱。
（2）从颗粒分析上的结果上可以看出改性土中砂粒组、粉粒组含明显比原土增大，而粘粒组及胶粒组显著减小，表明土的比表面积减小了，土粒的分散程度降低，土颗粒之间因离子交换作用形成了比原土颗粒之间更为紧密的结构，土颗粒与水的接触面积减少。
（3）原土的自由膨胀率为62%，属膨胀潜势中弱的膨胀土，但其膨胀力达200kpa以上。对于无上部荷载作用的边坡，在水的作用下必然产生破坏。经改性作用后，自由膨胀率均降到了20%左右，属非膨胀土。按最大干密度及最佳含水量制备的试样测定的相关膨胀收缩指标显示，经改性剂改性后土体已消去了膨胀性。
（4）95%压实度的承载比是原土的10～25倍，吸水量仅为原土的62%，膨胀率仅为原土的32%，这表明经改性作用，土的吸水性及膨胀性减弱，承载能力大幅提高，水稳定性大大增强。
（5）在非饱和状态下，改性土的无侧限抗压强度及直剪强度均稍大于原土的相应指标。但在饱和状态下情况发生了显著的改变。在饱水状态下，改性土的无侧限抗压强度约是原土的2倍以上，饱和直剪快剪抗剪强度C值约是原土的2倍，Φ值约为7倍，这不仅说明了改性土的饱水强度优于原土，而且说明了改性土的水稳性大大优于原土。
（6）湿化试验成果表中可知，改性土水稳定性良好。改性作用能消除膨胀土的崩解特性。
4.3试验段膨胀土邊坡改性施工
先导试验段于2006年3月19日开始至2006年3月25日结束，时间为6天。改性施工于2006年4月28日至2006年6月26日结束，施工期为58天。
4.3.1相关设计要求
（1）改性边坡可按一般性粘土坡比进行设计边坡率一般控制在1：1.75～1：2之间。
（2）边坡坡顶应设有导流明沟，截流和排出雨水，坡底应满足一般性粘土边坡防护设计要求，设有相应的护底、护脚等防护措施。当施工时上述措施达不到要求时，也应该采取临时排水措施。
（3）在进行膨胀土防护设计时，应充分调查地下水源发育情况，如有地下水流入土体应采取相应加固措施。
（4）需要改性的路基、边坡土体应保持原状土，不得超挖扰动，如出现超挖扰动情况，应将超挖部分按6%石灰土回填夯实。
4.3.2改性施工工艺及质量控制标准
（1）根据室内试验结果生产适合该土体的膨胀土生态改性剂。
（2）改性施工前认真检查土体的干湿程度，要求土体干燥，以土体表面出现裂纹为宜，选择在晴天施工。
（3）改性施工前清除坡体表面的松土，当边坡有坑凹时应嵌补填平，使坡面平顺整齐。
（4）在坡体上由上至下用铁钎打出Φ25mm，深1m，间距1m呈梅花状分布的眼孔。
（5）采用人工向眼孔内灌入膨胀土生态改性剂水溶液，分两次灌入，第一次灌满后观察其渗透情况，待4～5h后进行补灌。
（6）将膨胀土生态改性剂按1：100：5（改性剂：水：石灰）的比例掺配成改性剂水溶液，充分搅拌均匀，用喷洒机械沿坡体自上而下均衡喷洒，直至坡体不能吸收为止。坡顶以上6m范围内也应喷洒。2～3d后待土壤干燥后采用同样的方法喷洒第二次，喷洒次数一般为三次，当三次的喷洒总量不能满足要求时（喷洒总量≥20kg/m2）还要进行补喷。
5.试验段膨胀土生态改性效果检测与评价
5.1表观效果对比
根据现场目测，改性施工前边坡上出现了很多不规则的裂隙，边坡土体松散，存在着严重诱发边坡滑坡和塌滑的倾向，验证了膨胀土的基本特性，经改性后的土体柔和，具有砂性土的特性没有产生裂痕的现象，改性后的边坡稳定。
5.2现场试验检测
现场试验检测由河南省交通规划设计院地质试验中心分两次进行，分别为2006年5月24日和2006年7月20日。检测取样按200米两侧各采取一组土样，采样采用垂直下挖的方式进行，为了反映不同深度的改性效果，每组采样的深度为0cm～30cm、30cm～60cm、60cm～100cm三个土样。检测结果表明：
（1）在改性后的边坡土体上，现场采样的6组18个土样经检测自由膨胀率最小值为7%，最大值为29%，均由膨胀土改性为非膨胀土，检测单位将改性土按土质分类定性为亚砂土、亚粘土。改性后土体的工程特性发生了根本的变化。
（2）现场检测的结果表明边坡土体的改性深度大于1米，影响深度在1.5米至2米之间。大气风化作用层影响深度范围内膨胀土土体均为非膨胀土，而且具有良好的水稳性和不透水性，从而形成较厚的保护层，确保了边坡的稳定。
5.3改性后土质分析
为了达到较好的边坡绿化效果，现场采集三个土样，委托华中农业大学园艺林学学院人居生态试验室对改性后边坡土质进行分析，分析结果分别为土壤全氮含量0.06-0.08g/Kg，土壤有效磷含量6.5-10.04mg/Kg，土壤速效钾含量131.56-172.59mg/Kg，土壤有机质含量5.31-8.03g/Kg，酸碱度（Ph）为7.91-8.09。分析结果表明：土壤为微碱性，土壤中的可用营养元素含量低，有机质含量也呈现低值，土质营养结构很差，土壤肥力低下。
5.4绿化方案和经济效益评价
根据土质分析结果，在制定边坡绿化方案时，一方面选择抗盐碱、耐贫瘠、适应性强的植物如黑麦草、野菊花、荆条或胡枝子等，构成草、灌木、花结合的绿化组合，形成景观效果；另一方面针对土壤肥力低的情况，通过在边坡上施加鸡粪等农家肥改善土壤肥力，促进植物生长。
采用生态改性方案和原设计拱形骨架内砌混凝土六棱块植草防护方案相比，费用相当，均为每平方米65元左右，但景观效果和耐久性均比刚性防护好。
采用锚杆挂铁丝网客土喷播方案每平方米85元左右，经济性较差。
6.结论及建议
通过信南高速公路南阳膨胀土生态改性试验研究和工程应用，深度1米范围内的边坡土体，经生态改性已达到将膨胀土改性为非膨胀土的目的，改性后的土体基本上消除了膨胀土的胀缩特性，土体的强度大幅度提高，水稳性好，改性后的边坡稳定，且施工方法简单，工程造价较低，改性后的土体能种植花草灌木还原于生态，可在类似工程中推广应用。
【关键词】 高速公路；膨胀土；生态改性；边坡防护
概述：
河南省信阳至南阳高速公路项目是国家规划的西部开发大通道上海至陕西（沪陕）高速公路重要组成部分，自东向西依次穿越信阳市、驻马店市、南阳市，全长182.904公里，其中南陽市境110公里，分信阳至泌阳段、泌阳至南阳段两个项目进行建设。公路沿线地质、地形复杂，泌阳至南阳段全线分布中弱膨胀土。为了探索膨胀土路堑边坡防护新技术，建设生态环保高速公路，选择K177+170～K177+800两侧膨胀土路堑边坡进行生态改性试验研究。试验段全长630m，位于南阳市卧龙区潦河镇李庄村境内，属典型南阳膨胀土。该段边坡设计坡率为1：2，改性施工面积为43142.2㎡。
1.南阳膨胀土成因及工程特性
1.1南阳地理气候
南阳北靠伏牛山、东扶桐柏山、西依秦岭、南临汉江、三面环山，海拔高度在72.2米至2212.5米之间，地势呈阶梯状，大部分为高阶地，其地形为平坦开阔的岗地与宽缓谷地，以河流为骨架，构成向南开口与江汉平原相连接的马蹄形盆地，素称南阳盆地。南阳处于亚热带向暖温带的过渡地带，属典型的季风大陆半湿润气候，年平均气温14.4℃–15.7℃，年降雨量在300–1100毫米之间，每年的雨季为七月、八月、九月三个月。
1.2南阳膨胀土的形成环境和成因类型
南阳盆地的膨胀性粘土是从新第三纪到早全新世多个地质时期形成的。地质历史时期气候、古地貌和沉积环境的变化造成膨胀土的产状、物质成分、结构特征和工程性质差异很大，是影响膨胀土成因类型的主要因素。
晚第三纪中新世时期，南阳盆地气候湿润多雨，处于湖相沉积环境。盆地中部处深水还原环境，形成灰绿色和灰白色弱成岩的泥灰岩和硬粘土，盆地西部边缘处于浅水沉积环境则形成棕红色夹灰绿色条带的硬粘土。在第四纪初期，喜马拉雅运动造成水平向挤压作用，盆地周围山地普遍上升，在地表水侵蚀作用下，形成了自北、东、西三面向盆地中部和南部逐渐倾斜并略有起伏的地貌景观，南阳盆地结束了大面积湖相环境，形成了NW-SE向排列的波浪状垄岗，第三系湖相沉积地层发生大范围变形，并发育大量构造裂隙、节理。早更新世中晚期和中更新世早期，盆地处于缓慢的下沉和相对稳定阶段，周围山地继续遭受风化剥蚀，在盆地中形成了大量冲洪积粘土地层，上第三系地层基本上被掩盖起来。在盆地中部硬粘土埋深可能达到600～800以上，而盆地边缘和垄状岗地部位埋深较浅，因此上第三系泥岩的成岩程度差别很大，在盆地中心有的已经形成泥灰岩或泥岩，而垄岗地带仅形成了超固结的硬粘土。
南阳盆地早更新世气候总体上比较寒冷，化学风化微弱，因此地层物质来源与母岩成分极为相似，下更新统地层基本上不发育膨胀土。
南阳盆地棕黄色膨胀土形成于中更新世。中更新世早期气候温暖，基本上是季节性中等降雨的暖湿气候地区，岗坡地形上棕黄、棕红色粘土中形成了大量锰质结核即是这种气候的反映。地下水位处于周期性的变化过程中，因此形成的棕黄色粘土中普遍发育标志氧化环境的锰质结核和标志动荡地下水位的钙质结核层。中更新世冲洪积地层是南阳盆地广阔平原区上部的主要地层。
晚更新世至全新世初时期，地壳振荡性抬升，河流侵蚀，中更新统地层成了垄状岗地的主体地层，被切割抬升形成岗地和二级阶地，在地势开阔的低平地区则形成了厚度不一的河湖相褐色粘土，称为黑垆土。全新世时期，盆地相对稳定，岗间洼地中河流两侧形成带状冲积平原。
从沉积环境分析，南阳膨胀土主要成因类型可以划分为3种，见表1
1.3、南阳膨胀土的工程特性
膨胀土其矿物组成多以伊利石、蒙脱石为主，夹少量的高岭石。这些亲水性的粘土矿物遇水膨胀，失水收缩，具有明显的胀缩性、多裂隙性、超固结性，以及强度减弱性，容易造成沉陷、溜塌、纵裂、坍塌等自然灾害，仅我国每年因膨胀土造成的经济损失就达150亿美元。修筑在典型膨胀土分布区的公路、铁路常常是“逢堑必滑、有堤必坍”，而且这种破坏作用具有多次反复性和长期潜在危害性。南阳地区的膨胀土具有膨胀土的一般特性，同时土体裂隙发育，局部膨胀土中夹有砂礓石或灰白、灰绿色粘土夹层或薄膜，具有中强膨胀势能、较高的液限和含水量。根据地质勘察试验资料，按现行规范判定，南阳地区的膨胀土为膨胀潜势中等膨胀土。
2.膨胀土危害和路堑边坡防护方案
2.1膨胀土危害
膨胀土的矿物成分及结构形式，使它具有胀缩特性，含水量的变化使其这一特性显示出来。新开挖的膨胀土地基与边坡，受雨水、大气、地下水、土压力等因素的影响，使膨胀土含水量发生变化。反复胀缩导致了膨胀土土体的松散，并在其中形成许多不规则的裂隙，裂隙破坏了土体的整体性，使水的侵入和土中水分的蒸发更为容易。土体含水量的波动引起胀缩变形的反复发生，又进一步导致了裂隙的扩展和向土层深部发展，使土体强度大为降低，形成风化层。风化层深度一般在1～1.2m。风化层深度范围内，土体湿胀干缩效应明显，土体的粘聚力和抗剪强度急剧下降，所以大气风化作用层是产生各种地基，及边坡病害的直接引导层。对地基及边坡稳定性危害极大。因此膨胀土大气风化作用层是危害工程的主要原因。是工程防护和治理的重点对象。
膨胀土含水量的变化是受多种因素的影响，雨水渗入只是其中的一个比较重要的因素。因此治理膨胀土地基及边坡，仅仅依靠防止雨水渗入土体是远远不够的。它应该是对大气风化作用层影响深度范围内土体的彻底治理。
2.2膨胀土路堑边坡防护方案
对于膨胀土挖方路堑边坡防护，一般采用全封闭形式的刚性防护。其主要观点认为：膨胀土边坡失稳的主要原因是受降水影响，当土体吸水由非饱和态进入饱和态这一过程中，土体的抗剪强度则由强逐渐变弱，当土体的剪切指标值随含水量增加而衰减时，其边坡稳定性随之递减直至产生变形破坏。因此采用边坡封闭防护以阻止降水被非饱和土吸收，其主要方式如浆砌片石满铺防护、浆砌片石挡土墙、浆砌片石拱型骨架植草、混凝土六角块满铺防护、土钉墙加固边坡等。实践证明这些刚性防护方案治理膨胀土效果较差。不能从根本上解决在大气风化作用层影响深度范围内膨胀土体的胀缩问题。因为膨胀土新开挖的坡面受大气、地下水、土压力变化等多种因素影响，既使没有降水的浸入，也会发生膨胀与收缩，必然产生一定的变形，以求达到新的平衡。即使这种变形不大，也会对刚性防护结构起破坏作用。慢慢形成裂缝，雨水就会从裂缝中渗入，加剧膨胀土的胀缩变形，恶性循环，直至引发连锁破坏。刚性防护结构还有产生眩光、燥声，不能还原生态环境等缺陷。 3.膨胀土生态改性机理及作用
3.1改性机理
膨胀土生态改性剂是由一种复合化学配方+水+活性石灰充分搅拌组成。具有电解和离子交换的作用，有较强的渗透性，能溶于水，在水中离解出带正电荷的阳离子[X]n+和带负电荷的阴离子[Y]n-，阳离子与膨胀土胶体表面的阳离子[M]n+产生交换作用，将这些原本吸附在膨胀土颗粒表面、亲水性极高的阳离子赶走，代之以亲水性较低、粘结力较强的铝离子及其水合物。使膨胀土颗粒上的吸附水的化学键破坏形成自由水，改性后土颗粒形成键状和网状结构加快反应和离子交换，自由水通过重力、蒸发、压实作用排除，改变了膨胀土颗粒的结构特征，从而提高膨胀土的抗剪强度，增强膨胀土的水稳性，永久的改变膨胀土的属性，将膨胀土改性为非膨胀土。且具有比石灰土更稳固更持久的效果。即：
[土壤胶体]n-[M]n++[X]n+-->[土壤胶体]n-[X]n++[M]n+
而离解出来的阴离子则与土壤中铝产生络合作用：
[土壤颗粒]+[Y]n--->[侵蚀的土壤颗粒]3-+[AIY]3-n
铝离子的树脂络合物[AIY]3-n再与[土壤胶体]n-[X]n+作用，使树脂得以再生：
[AIY]3-n+[土壤胶体]n-[X]n+-->Yn-Xn+[Al（土壤胶体）]
总反应式是：
[土壤膠体]n-[M]n++[X]n+-->Al[脱铝的土壤胶体]+[M]n+
膨胀土生态改性剂是在水中电解出离子与膨胀土颗粒离子进行交换作用，从而达到将膨胀土改性的目的，它与其它的胶合材料不同，自身与土粒并不结合，而且具有再生功能，它与膨胀土作用时其总量并没有减少。其功效并不会随着时间的推移而逐渐减弱，相反，只要膨胀土中有水分，它的功效就会延续下去，这种作用是永久的不可逆的。作用过程大致是：当膨胀土生态改性剂喷洒在土体上通过渗透达到一定深度将其改性，还可以通过土体本身含水量经土体毛细孔隙到达一定深度。更重要的是膨胀土生态改性剂具有较强的渗透性，能溶于水，它可以随雨水渗透，到达雨水能到达的深度，这样就从根本上解决了雨水渗入对膨胀土的影响，做到对大气风化作用层影响深度范围内膨胀土体的彻底治理。
3.2改性作用与特性
3.2.1改善膨胀土湿胀干缩的特性
膨胀土湿胀干缩特性是其所含的矿物与水作用的结果，在膨胀土矿物颗粒表面吸附着一层水，这层吸附水是以静电引力的形式被吸附在膨胀土矿物颗粒的表面上，由于静电引力的作用，这层吸附水与膨胀土矿物颗粒结合得非常牢固，重力、较小机械力不能将其排出。土壤通过风干可以除去大部分的吸附水，但环境湿度增加会导致其重新吸收水分，由于膨胀土矿物颗粒很小，其表面积非常巨大，吸附水的吸收或排出，势必引起土体强烈的湿胀干缩，从而导致岩土工程的破坏。离子交换作用结果，是使原来作用于土壤颗粒表面的吸附水静电引力被打破，吸附水变成自由水。经离子交换作用膨胀土颗粒不再容易与水分子结合，从而容易被排出，这样就从根本上改善了膨胀土湿胀干缩的特性，将膨胀土改性为非膨胀土，优于正常土。
3.2.2改性后的土体具有人造沉积岩倾向
由于改性后的土体水分在膨胀土生态改性剂的作用下被排除，改性土在重力的作用下被压实，在石灰和离子反应中形成胶状晶体的粘合作用下被固化。固结形成密实的板状结构，而且具有良好的弹性，不会发生裂隙，具有人造沉积岩的倾向。
3.2.3水的渗透不会引起岩土工程的破坏
水的渗透需要有气孔。未经处理过的土壤其中的气孔及虚空空间很多，水很容易渗透进去，渗透进去的水还会被膨胀土颗粒吸附而使土壤膨胀，导致岩土工程破坏。经过膨胀土生态改性剂处理的土体，由于其排水作用而使大部分的气孔也被压缩，且气孔里大部分空间会被再结晶物质所充填，虽然改性后的土体水还是能渗透进去，但由于这些水不会再被吸附而很快被排出。所以，这些渗透水并不会引起岩土工程的破坏。
4.膨胀土生态改性试验研究与工程应用
4.1室内改性试验的方法与步骤
膨胀土生态改性剂是一种新型产品，开发的时间不长，通过试验使人们可以清楚的认识到该产品对膨胀土的改性效果，增强对该产品的认识，同时对后期大面积施工起到重要的指导作用。（1）改性试验首先认真进行现场调查，了解现场膨胀土变化规律，观察地形地貌，收集当地气候条件的相关资料，以此为依据确定雨水的渗透深度以及大气风化作用层的影响深度。
（2）在膨胀土路段上分点采取原状土的土样。通过室内试验获得原状土的各项指标，按相关调查资料与室内试验的结果，配置若干不同的膨胀土生态改性剂，分别按实体改性施工方法进行室内模拟试验，经检测选择合适的土体最优配方，根据试验结果设计单位面积的喷洒量和喷洒次数。改性后的土样达到非膨胀土优于正常土的标准。
（3）室内试验采取原状土土样布点与采样方法，原状土与改性土检测技术方法均按GB/T50123–1999《土工试验方法标准》和DT–82《土工试验规程》执行。室内试验检测内容包括液限、塑限、湿化、自由膨胀率、颗粒分析、最大干密度、最佳含水量、击实、承载比、无侧抗压强度、直剪、膨胀率，膨胀力、收缩（线缩、体缩、缩限）。
（4）根据试验报告确定最优配方，生产膨胀土生态改性剂。
4.2试验段膨胀土改性室内试验研究
试验段膨胀土改性室内试验由中冶集团武汉勘查研究院有限公司检测中心承担。室内检测2005年11月26日开始至2005年12月20日结束。试验时将原土样风干后分成四份，其中一份用于原状土试验，其余三份按照三个改性配方完成原状土的改性工作。通过测定原状土和改性土的自由膨胀率、颗粒级配、最大干密度与最优含水率，制备试样测定相关的膨胀性及水稳定性指标。最后通过对改性前后各指标对比，评价改性效果与最优配方。试验成果分析如下： （1）改性土的可塑性发生了明显的变化，其液限减小，塑限增大；塑性指数减小了40%左右。这表明经改性作用，土体的亲水性明显减弱。
（2）从颗粒分析上的结果上可以看出改性土中砂粒组、粉粒组含明显比原土增大，而粘粒组及胶粒组显著减小，表明土的比表面积减小了，土粒的分散程度降低，土颗粒之间因离子交换作用形成了比原土颗粒之间更为紧密的结构，土颗粒与水的接触面积减少。
（3）原土的自由膨胀率为62%，属膨胀潜势中弱的膨胀土，但其膨胀力达200kpa以上。对于无上部荷载作用的边坡，在水的作用下必然产生破坏。经改性作用后，自由膨胀率均降到了20%左右，属非膨胀土。按最大干密度及最佳含水量制备的试样测定的相关膨胀收缩指标显示，经改性剂改性后土体已消去了膨胀性。
（4）95%压实度的承载比是原土的10～25倍，吸水量仅为原土的62%，膨胀率仅为原土的32%，这表明经改性作用，土的吸水性及膨胀性减弱，承载能力大幅提高，水稳定性大大增强。
（5）在非饱和状态下，改性土的无侧限抗压强度及直剪强度均稍大于原土的相应指标。但在饱和状态下情况发生了显著的改变。在饱水状态下，改性土的无侧限抗压强度约是原土的2倍以上，饱和直剪快剪抗剪强度C值约是原土的2倍，Φ值约为7倍，这不仅说明了改性土的饱水强度优于原土，而且说明了改性土的水稳性大大优于原土。
（6）湿化试验成果表中可知，改性土水稳定性良好。改性作用能消除膨胀土的崩解特性。
4.3试验段膨胀土邊坡改性施工
先导试验段于2006年3月19日开始至2006年3月25日结束，时间为6天。改性施工于2006年4月28日至2006年6月26日结束，施工期为58天。
4.3.1相关设计要求
（1）改性边坡可按一般性粘土坡比进行设计边坡率一般控制在1：1.75～1：2之间。
（2）边坡坡顶应设有导流明沟，截流和排出雨水，坡底应满足一般性粘土边坡防护设计要求，设有相应的护底、护脚等防护措施。当施工时上述措施达不到要求时，也应该采取临时排水措施。
（3）在进行膨胀土防护设计时，应充分调查地下水源发育情况，如有地下水流入土体应采取相应加固措施。
（4）需要改性的路基、边坡土体应保持原状土，不得超挖扰动，如出现超挖扰动情况，应将超挖部分按6%石灰土回填夯实。
4.3.2改性施工工艺及质量控制标准
（1）根据室内试验结果生产适合该土体的膨胀土生态改性剂。
（2）改性施工前认真检查土体的干湿程度，要求土体干燥，以土体表面出现裂纹为宜，选择在晴天施工。
（3）改性施工前清除坡体表面的松土，当边坡有坑凹时应嵌补填平，使坡面平顺整齐。
（4）在坡体上由上至下用铁钎打出Φ25mm，深1m，间距1m呈梅花状分布的眼孔。
（5）采用人工向眼孔内灌入膨胀土生态改性剂水溶液，分两次灌入，第一次灌满后观察其渗透情况，待4～5h后进行补灌。
（6）将膨胀土生态改性剂按1：100：5（改性剂：水：石灰）的比例掺配成改性剂水溶液，充分搅拌均匀，用喷洒机械沿坡体自上而下均衡喷洒，直至坡体不能吸收为止。坡顶以上6m范围内也应喷洒。2～3d后待土壤干燥后采用同样的方法喷洒第二次，喷洒次数一般为三次，当三次的喷洒总量不能满足要求时（喷洒总量≥20kg/m2）还要进行补喷。
5.试验段膨胀土生态改性效果检测与评价
5.1表观效果对比
根据现场目测，改性施工前边坡上出现了很多不规则的裂隙，边坡土体松散，存在着严重诱发边坡滑坡和塌滑的倾向，验证了膨胀土的基本特性，经改性后的土体柔和，具有砂性土的特性没有产生裂痕的现象，改性后的边坡稳定。
5.2现场试验检测
现场试验检测由河南省交通规划设计院地质试验中心分两次进行，分别为2006年5月24日和2006年7月20日。检测取样按200米两侧各采取一组土样，采样采用垂直下挖的方式进行，为了反映不同深度的改性效果，每组采样的深度为0cm～30cm、30cm～60cm、60cm～100cm三个土样。检测结果表明：
（1）在改性后的边坡土体上，现场采样的6组18个土样经检测自由膨胀率最小值为7%，最大值为29%，均由膨胀土改性为非膨胀土，检测单位将改性土按土质分类定性为亚砂土、亚粘土。改性后土体的工程特性发生了根本的变化。
（2）现场检测的结果表明边坡土体的改性深度大于1米，影响深度在1.5米至2米之间。大气风化作用层影响深度范围内膨胀土土体均为非膨胀土，而且具有良好的水稳性和不透水性，从而形成较厚的保护层，确保了边坡的稳定。
5.3改性后土质分析
为了达到较好的边坡绿化效果，现场采集三个土样，委托华中农业大学园艺林学学院人居生态试验室对改性后边坡土质进行分析，分析结果分别为土壤全氮含量0.06-0.08g/Kg，土壤有效磷含量6.5-10.04mg/Kg，土壤速效钾含量131.56-172.59mg/Kg，土壤有机质含量5.31-8.03g/Kg，酸碱度（Ph）为7.91-8.09。分析结果表明：土壤为微碱性，土壤中的可用营养元素含量低，有机质含量也呈现低值，土质营养结构很差，土壤肥力低下。
5.4绿化方案和经济效益评价
根据土质分析结果，在制定边坡绿化方案时，一方面选择抗盐碱、耐贫瘠、适应性强的植物如黑麦草、野菊花、荆条或胡枝子等，构成草、灌木、花结合的绿化组合，形成景观效果；另一方面针对土壤肥力低的情况，通过在边坡上施加鸡粪等农家肥改善土壤肥力，促进植物生长。
采用生态改性方案和原设计拱形骨架内砌混凝土六棱块植草防护方案相比，费用相当，均为每平方米65元左右，但景观效果和耐久性均比刚性防护好。
采用锚杆挂铁丝网客土喷播方案每平方米85元左右，经济性较差。
6.结论及建议
通过信南高速公路南阳膨胀土生态改性试验研究和工程应用，深度1米范围内的边坡土体，经生态改性已达到将膨胀土改性为非膨胀土的目的，改性后的土体基本上消除了膨胀土的胀缩特性，土体的强度大幅度提高，水稳性好，改性后的边坡稳定，且施工方法简单，工程造价较低，改性后的土体能种植花草灌木还原于生态，可在类似工程中推广应用。