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【摘要】高膨胀土在我国各地区广泛分布，因其吸水膨胀，失水收缩的特性，非常容易引起公路的损坏，导致交通事故的发生。本文通过分析膨胀土的特性，选取合适的膨胀土改良方法，并分析了膨胀土填筑路基的施工技术。
【关键词】膨胀土；特性；施工技术
【中图分类号】u416 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2012）11-0171-02
所谓膨胀土指的是具有较大的吸水后显著膨胀、失水后显著收缩特性的高液限粘土。膨胀土的矿物成分主要是蒙脱石，为一种高塑性粘土，一般承载力较高，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，性质极不稳定。
1、膨胀土的特性
1.1 含水量
膨胀土具有很高的膨胀潜势，这与它含水量的大小及变化有关。如果其含水量保持不变，则不会有体积变化。在工程施工中，建造在含水量保持不变的粘土上的构造物不会遭受由膨胀而引起的破坏。当粘土的含水量发生变化，立即就会产生垂直和水平两个方向的体积膨胀。含水量的轻微变化，仅1%-2%的量值，就足以引起有害的膨胀。
1.2 干容重
粘土的干容重与其天然含水量是息息相关的，干容重是膨胀土的另一重要指标。y=18.0KN/m³的粘土，通常显示很高的膨胀潜势。人们对这种土的评语是“硬的象石头”。这表明着粘土将不可避免地出现膨胀问题。
1.3 裂隙发育
膨胀土中常见的裂隙主要有三种，分别是斜交裂隙、水平裂隙和竖向裂隙。膨胀土最初只具有原生显微裂隙，后随时间的推移，原生显微裂隙逐渐因雨水的循环渗入和蒸发为以上三种裂隙。经观察，该类土表面为具有镜面擦痕以及蜡状光泽的不规则光滑曲面。这是土体在不断循环的湿胀干缩作用下，土体中土粒相对位移的结果，这也就造成了土体结构性和整体强度的破坏。裂隙的产生和扩展所造成的膨胀土滑坡也经常发生，难以治理。
1.4 膨胀性和收缩性
膨胀土的膨胀性和收缩性都受土层含水量的影响，随着水分的增多和流失，膨胀土不断地吸水膨胀和失水收缩，在压力的影响下，极易导致路基的变形，而由该变形构成的破坏是不易修复的。由于土层含水量与该地区的气候条件、地貌地形关系密切，所以必须掌握施工地区一年中土层含水量的循环变化情况以及该地区膨胀土的涨缩规律。1.5超固结性
膨胀土的超固绪性是土体在地质过程中承受过比目前上覆压力更大的荷载作用，并已经达到完全固结的特性。由于土体先期固结时承受了较高的载荷而形成的部分结构强度，反过来阻止了卸载可能产生的膨胀而处于超固结状态。该状态下，极易因外界因素，如温度、湿度的变化，引起膨胀土的涨裂与崩塌。
膨胀土的以上几种特性，很容易引起公路路基的胀裂和收缩，破坏路基的稳定性，减弱路基强度，从而失去承载能力，造成路基局部隆起、坍塌和裂缝。对交通安全威胁极大，造成较大的经济损失和人员伤亡，因此，必须进行膨胀土填筑路基的改良和采用合理可靠的施工技术。
2、膨胀土填筑路基的改良
对于膨胀土路基的改良主要有物理改良法和化学改良法两种。物理改良法，是在膨胀土中按一定的比例掺人如风积土、粉煤灰、矿渣、砂砾石和水泥等无机料来改善膨胀土的胀缩特性。化学改良法则是利用改性剂来改善膨胀土的工程性质，抑制膨胀土的胀缩性。
综合比较两种改良方法，物理改良法可以在一定程度上改善膨胀土的涨缩特性，但无法从跟本上改变膨胀土的涨缩性，且化学改良法从理论上可以完全改变膨胀土的涨缩特性，较物理法更加明显，经济上差距及其有限，所以选择使用化学法来改良膨胀土路基。
其中，使用石灰因取材容易、造价低、施工简单等优点被广泛应用于膨胀土的改良过程中，其作用机理主要为：
（1）阳离子交换作用，石灰与土层中的水分消解产生大量的Ca2+离子，由电子守恒定律，二价的Ca2+可置换出土胶体颗粒表面的一价Na+、K+离子，这样，离子将土壤颗粒覆盖住，缩小了土壤颗粒间距，增强了土壤颗粒之间的粘合力，增加了土体的稳定性。同时，Ca2+离子与土粒之间的结合所形成的水膜厚度较薄，水稳定性更好，不易受水分含量的影响。
（2）凝聚与结块作用
膨胀土加入石灰后，经充分搅拌，土壤与石灰之间发生相互作用，开始出现土的结团，塑性减弱，最大含水量增大以及最大密实度降低，从而使膨胀土的可塑性增大。
（3）碳化与晶化作用
石灰经消解产生的Ca（OH）2和CO2反应生成碳酸钙（CaCO2），土壤表面直接吸收空气中的CO2，内部则通过空隙吸收空气中的CO2，从而使土层碳酸化；而Ca（OH）2自身还有一定的晶化作用，是石灰改善膨胀土在后期增其强度的主要因素，需要较长时间完成。表达式为：Ca（OH）2+nH2→Ca（OH）2·nH2O，这种晶体可与土粒结合生成共晶体，使土粒结合为一个整体。
（4）凝聚反应作用
膨胀土中含有的氧化铝和二氧化硅在水化作用下与Ca（OH）2反应，会逐渐硬化产生硅酸钙和铝酸钙等水化物，它们产生的水化膜具有很强的粘合力，提高了整个土层的稳定性。
阳离子交换作用与凝聚和结块作用可以增强土壤的可塑性，减少填筑难度；碳化与晶化作用和凝聚反应作用是粘结反应作用，可以提高土地的承载强度，使路基载荷更大。
3、膨胀土填筑路基的施工工艺 1.施工原则
在膨胀土地区进行填筑路基施工时，应避开雨季，选择旱季进行施工。施工时要快速开挖，遵循先排水后主体和及时支挡与封闭的原则。
2.施工准备
排出排净土表残存的积水，并确定取土场位置。在不同取土场选取素土测定，确定素土的最佳含水量和最大密实度，并进行分类汇总。根据整理出的素土数据和石灰参数确定改善土的各项参数，如最佳含水量、最大干密度等。选取一定长度（如200m）的路基进行各项试验，确定松铺厚度，碾压遍数，机具配置以及最经济合理的施工方案。
3.摊铺素土
根据所测数据选取科学的摊铺方法，将素土平摊于地基上，使用拌搅机搅拌碾碎压平。注意，强膨胀土稳定性差，不宜作为用料。在整个整平的地面上，用石灰划出2m×2m的网格。
4.撒布石灰
首先熟化生石灰，熟化完毕后，按前期试验计算所得的配合比在2m×2m的网格内撒布熟石灰，撒布时要严格控制用量，做到石灰均匀分布。人工撒布完毕后，用刮板均匀网格内的石灰层，以是厚度一致。
5.机械拌和
均匀撒布石灰后，立即进行搅拌。搅拌机的搅拌装置须渐渐深入混合料中，不超过25厘米，以达到上下层充分粘合的目的。在拌和期间，应多次检测拌和深度，以免发生下承层结构拌松以及发生悬拌现象而出现素土夹层。最后还应检测拌和好的改善土内石灰的剂量是否满足了设计的指标。
6.洒水焖料
拌和均匀后，检测改善土的含水量，根据检测数据，含水量较多处使其自然蒸发，较少处根据数据洒布适宜清水，直至所有土层均达到最佳含水量。洒水时使用喷管式洒水车，力度合适，水量均匀适度，避免重洒漏洒的现象发生。洒水完毕后，静置6～7小时，开始焖料。
7.检测整平
焖料完毕后，迅速组织机械整平。采用机主人辅的方法：测量人员要在现场跟踪测量，指挥司机在整平过程精确无误。整平期间，按照由两侧向中心线反复整平、宁刮勿补的原则进行。整形机械应在整个宽度上均匀行驶。
8.碾压
根据实验结果，选取合适的压路机进行压实。一般的，自由膨胀度越大，选用的压实机械越重。压实应在改善土的最佳压实含水量范围内进行，采取“直线段先两侧后中问，曲线段先两侧后外侧，先轻后重，先静压后振压，最后静压”的原则，确保压实各地点的压实度不低于95%。
9.养生
碾压完毕后的改善土层应进行不小于7天的养生，这一期间，土层要时刻保持潮湿状态，严禁车辆往来，发生破坏时及时修整。同时预防雨水侵蚀，做好路基防护。
4.结束语
作为具有胀缩性、裂隙性和超固结性三种性质的膨胀土，往往给填筑路基工程造成巨大的危害，在膨胀土分布较少的路段，条件适合下，可采取绕开该区域的方式施工。但在因各种原因而无法避开的情况下，可采用石灰进行膨胀土改良，且改良土符合施工规范要求。在这一过程中，要求工作人员耐心细心，确保铺设的公路安全平稳。
【关键词】膨胀土；特性；施工技术
【中图分类号】u416 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2012）11-0171-02
所谓膨胀土指的是具有较大的吸水后显著膨胀、失水后显著收缩特性的高液限粘土。膨胀土的矿物成分主要是蒙脱石，为一种高塑性粘土，一般承载力较高，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，性质极不稳定。
1、膨胀土的特性
1.1 含水量
膨胀土具有很高的膨胀潜势，这与它含水量的大小及变化有关。如果其含水量保持不变，则不会有体积变化。在工程施工中，建造在含水量保持不变的粘土上的构造物不会遭受由膨胀而引起的破坏。当粘土的含水量发生变化，立即就会产生垂直和水平两个方向的体积膨胀。含水量的轻微变化，仅1%-2%的量值，就足以引起有害的膨胀。
1.2 干容重
粘土的干容重与其天然含水量是息息相关的，干容重是膨胀土的另一重要指标。y=18.0KN/m³的粘土，通常显示很高的膨胀潜势。人们对这种土的评语是“硬的象石头”。这表明着粘土将不可避免地出现膨胀问题。
1.3 裂隙发育
膨胀土中常见的裂隙主要有三种，分别是斜交裂隙、水平裂隙和竖向裂隙。膨胀土最初只具有原生显微裂隙，后随时间的推移，原生显微裂隙逐渐因雨水的循环渗入和蒸发为以上三种裂隙。经观察，该类土表面为具有镜面擦痕以及蜡状光泽的不规则光滑曲面。这是土体在不断循环的湿胀干缩作用下，土体中土粒相对位移的结果，这也就造成了土体结构性和整体强度的破坏。裂隙的产生和扩展所造成的膨胀土滑坡也经常发生，难以治理。
1.4 膨胀性和收缩性
膨胀土的膨胀性和收缩性都受土层含水量的影响，随着水分的增多和流失，膨胀土不断地吸水膨胀和失水收缩，在压力的影响下，极易导致路基的变形，而由该变形构成的破坏是不易修复的。由于土层含水量与该地区的气候条件、地貌地形关系密切，所以必须掌握施工地区一年中土层含水量的循环变化情况以及该地区膨胀土的涨缩规律。1.5超固结性
膨胀土的超固绪性是土体在地质过程中承受过比目前上覆压力更大的荷载作用，并已经达到完全固结的特性。由于土体先期固结时承受了较高的载荷而形成的部分结构强度，反过来阻止了卸载可能产生的膨胀而处于超固结状态。该状态下，极易因外界因素，如温度、湿度的变化，引起膨胀土的涨裂与崩塌。
膨胀土的以上几种特性，很容易引起公路路基的胀裂和收缩，破坏路基的稳定性，减弱路基强度，从而失去承载能力，造成路基局部隆起、坍塌和裂缝。对交通安全威胁极大，造成较大的经济损失和人员伤亡，因此，必须进行膨胀土填筑路基的改良和采用合理可靠的施工技术。
2、膨胀土填筑路基的改良
对于膨胀土路基的改良主要有物理改良法和化学改良法两种。物理改良法，是在膨胀土中按一定的比例掺人如风积土、粉煤灰、矿渣、砂砾石和水泥等无机料来改善膨胀土的胀缩特性。化学改良法则是利用改性剂来改善膨胀土的工程性质，抑制膨胀土的胀缩性。
综合比较两种改良方法，物理改良法可以在一定程度上改善膨胀土的涨缩特性，但无法从跟本上改变膨胀土的涨缩性，且化学改良法从理论上可以完全改变膨胀土的涨缩特性，较物理法更加明显，经济上差距及其有限，所以选择使用化学法来改良膨胀土路基。
其中，使用石灰因取材容易、造价低、施工简单等优点被广泛应用于膨胀土的改良过程中，其作用机理主要为：
（1）阳离子交换作用，石灰与土层中的水分消解产生大量的Ca2+离子，由电子守恒定律，二价的Ca2+可置换出土胶体颗粒表面的一价Na+、K+离子，这样，离子将土壤颗粒覆盖住，缩小了土壤颗粒间距，增强了土壤颗粒之间的粘合力，增加了土体的稳定性。同时，Ca2+离子与土粒之间的结合所形成的水膜厚度较薄，水稳定性更好，不易受水分含量的影响。
（2）凝聚与结块作用
膨胀土加入石灰后，经充分搅拌，土壤与石灰之间发生相互作用，开始出现土的结团，塑性减弱，最大含水量增大以及最大密实度降低，从而使膨胀土的可塑性增大。
（3）碳化与晶化作用
石灰经消解产生的Ca（OH）2和CO2反应生成碳酸钙（CaCO2），土壤表面直接吸收空气中的CO2，内部则通过空隙吸收空气中的CO2，从而使土层碳酸化；而Ca（OH）2自身还有一定的晶化作用，是石灰改善膨胀土在后期增其强度的主要因素，需要较长时间完成。表达式为：Ca（OH）2+nH2→Ca（OH）2·nH2O，这种晶体可与土粒结合生成共晶体，使土粒结合为一个整体。
（4）凝聚反应作用
膨胀土中含有的氧化铝和二氧化硅在水化作用下与Ca（OH）2反应，会逐渐硬化产生硅酸钙和铝酸钙等水化物，它们产生的水化膜具有很强的粘合力，提高了整个土层的稳定性。
阳离子交换作用与凝聚和结块作用可以增强土壤的可塑性，减少填筑难度；碳化与晶化作用和凝聚反应作用是粘结反应作用，可以提高土地的承载强度，使路基载荷更大。
3、膨胀土填筑路基的施工工艺 1.施工原则
在膨胀土地区进行填筑路基施工时，应避开雨季，选择旱季进行施工。施工时要快速开挖，遵循先排水后主体和及时支挡与封闭的原则。
2.施工准备
排出排净土表残存的积水，并确定取土场位置。在不同取土场选取素土测定，确定素土的最佳含水量和最大密实度，并进行分类汇总。根据整理出的素土数据和石灰参数确定改善土的各项参数，如最佳含水量、最大干密度等。选取一定长度（如200m）的路基进行各项试验，确定松铺厚度，碾压遍数，机具配置以及最经济合理的施工方案。
3.摊铺素土
根据所测数据选取科学的摊铺方法，将素土平摊于地基上，使用拌搅机搅拌碾碎压平。注意，强膨胀土稳定性差，不宜作为用料。在整个整平的地面上，用石灰划出2m×2m的网格。
4.撒布石灰
首先熟化生石灰，熟化完毕后，按前期试验计算所得的配合比在2m×2m的网格内撒布熟石灰，撒布时要严格控制用量，做到石灰均匀分布。人工撒布完毕后，用刮板均匀网格内的石灰层，以是厚度一致。
5.机械拌和
均匀撒布石灰后，立即进行搅拌。搅拌机的搅拌装置须渐渐深入混合料中，不超过25厘米，以达到上下层充分粘合的目的。在拌和期间，应多次检测拌和深度，以免发生下承层结构拌松以及发生悬拌现象而出现素土夹层。最后还应检测拌和好的改善土内石灰的剂量是否满足了设计的指标。
6.洒水焖料
拌和均匀后，检测改善土的含水量，根据检测数据，含水量较多处使其自然蒸发，较少处根据数据洒布适宜清水，直至所有土层均达到最佳含水量。洒水时使用喷管式洒水车，力度合适，水量均匀适度，避免重洒漏洒的现象发生。洒水完毕后，静置6～7小时，开始焖料。
7.检测整平
焖料完毕后，迅速组织机械整平。采用机主人辅的方法：测量人员要在现场跟踪测量，指挥司机在整平过程精确无误。整平期间，按照由两侧向中心线反复整平、宁刮勿补的原则进行。整形机械应在整个宽度上均匀行驶。
8.碾压
根据实验结果，选取合适的压路机进行压实。一般的，自由膨胀度越大，选用的压实机械越重。压实应在改善土的最佳压实含水量范围内进行，采取“直线段先两侧后中问，曲线段先两侧后外侧，先轻后重，先静压后振压，最后静压”的原则，确保压实各地点的压实度不低于95%。
9.养生
碾压完毕后的改善土层应进行不小于7天的养生，这一期间，土层要时刻保持潮湿状态，严禁车辆往来，发生破坏时及时修整。同时预防雨水侵蚀，做好路基防护。
4.结束语
作为具有胀缩性、裂隙性和超固结性三种性质的膨胀土，往往给填筑路基工程造成巨大的危害，在膨胀土分布较少的路段，条件适合下，可采取绕开该区域的方式施工。但在因各种原因而无法避开的情况下，可采用石灰进行膨胀土改良，且改良土符合施工规范要求。在这一过程中，要求工作人员耐心细心，确保铺设的公路安全平稳。