膨胀土的特性研究及工程治理探讨

摘要：本文作者阐述了膨胀土概念及其特性，提出了膨胀土的治理建议，供大家参考借鉴。

关键词：膨胀土；特性；研究；工程治理；探讨

中图分类号：TU984 文献标识码：A

1 膨胀土概念及其特性

膨胀土是在自然地质过程中形成的一种多裂隙并具有显著胀缩性的地质体，是一种吸水膨胀软化、失水收缩开裂的特种粘性土，并能反复胀缩变形的高塑性粘土；同时具有超固结性和多裂隙性，其矿物成分以强亲水的蒙脱石和伊利石为主。膨胀土是颗粒高分散、成分以粘土矿物为主、对环境的湿热变化敏感的高塑性粘土。其主要特征是：①粒度组成中粘粒(

膨胀土存在着胀缩性、崩解性、多裂隙性、易风化性等特征，按现行公路工程的技术规范，膨胀土不能直接用于路基填筑，若废弃必将导致大量借土及弃土用地的大幅增加，带来工程造价增加及环保方面的许多问题。为了确保高速公路的修筑质量，解决膨胀土地带路基及边坡的常见病害，必须寻找有效的办法对膨胀土进行处治利用，并建立起有关设计及施工技术的标准和规范。

膨胀土的胀缩特性和自身的粘土矿物成分、离子交换吸附化学作用及含水量等因素息息相关。其次，强膨胀性土含有较多的粘粒及亲水性较强的蒙脱石或伊利石等粘土矿物成分，在物理化学活性方面表现为具有较强的离子交换吸附作用，其交换阳离子成分主要以Na+，此水化能力较强，具有亲水性和膨胀性。当阳离子交换量与盐基总量较高时，其亲水性和膨胀性愈强，塑性愈高而强度愈低。再次，随着含水量的增加，土体体积显著增大，表现出较强的膨胀性。反之，如果土中含水量减少，土体积也必然随之缩小，即出现收缩现象并产生收缩应力。另外，当膨胀土处于干燥状态下，具有高的膨胀潜势，反之则低。

膨胀土变形原因与机理主要取决于组成膨胀土的物质成分及其在土中的空间结构特征。物质成分和微结构特征两者同是膨胀土产生胀缩现象的基础(内因)。外因则取决于膨胀土所处的环境和击实条件，如含水量和干密度以及所受附加荷载等。膨胀土与水相互作用发生体积膨胀现象，实际上是在组成膨胀土的粘土矿物颗粒与水的接触面上，由于复杂的物理化学作用转变为力学作用的结果，最后由于水膜的楔入作用将颗粒推开，增大粒间距离使土的体积膨胀。即膨胀土之所以吸水膨胀，是由于膨胀粘土与水相互作用产生的物化力学效应的结果。

2 膨胀土的治理建议

目前处理膨胀土的方法主要是化学改性，掺石灰是稳定膨胀土最有效的方法。土中含水量变化是导致膨胀土性质变化的主要原因，因此，进行膨胀土性质改良的同时需对路堤全断面采取封闭、完善的防水保湿措施。

具体施工中我们建议采用以下处治方案:

2.1 在施工前加强工程路段膨胀土的测试与试验

为给高速公路合理利用中膨胀土提供科学合理的方法，保证工程质量和降低成本，对所选料场中的膨胀土及其石灰改性中膨胀土按有关规程进行一系列试验。膨胀土试验一般包括以下项目：

2.1.1 CBR 试验。国内现行柔性和水泥混凝土路面设计规范对路面、路基的设计参数是采用回弹模量指标，国外则多采用 CBR 指标。为便于国际学术交流和积累资料，《公路路基设计规范》（JTJ013-95）及《公路路基施工技术规范》（JTJ033-95）将 CBR 指标作为路基填料选择的依据。主要包括室内CBR试验和现场CBR试验。其中：

室内 CBR 试验备样按干土法进行，石灰改性中膨胀土的石灰剂量为6%，采用重型击实标准击实成型，击实功为2677.2kJ/m3；根据已有的试验成果，试样含水量控制3种，即取最佳含水量、高于及低于最佳含水量各一个点。中膨胀土分别进行了浸水和不浸水CBR试验，石灰改性中膨胀土只进行了浸水CBR试验。中膨胀土在最佳含水量±3%范围内制备的试样，干密度较大，压实度都在95%以上。不浸水条件下的CBR值较高，且其值随含水量的减小而增大，在含水量为24.1%时，不浸水CBR值为31.0%；而含水量为18.4%时，其值达到了69.3%，含水量相差5.7%，不浸水CBR值相差一倍以上。但含水量小的试样浸水后膨胀量较大，CBR值降低的幅度也较大；含水量为18.4%的试样浸水后的CBR值仅为浸水前的1.4%；含水量大的试样浸水后CBR值降低的幅度相对小一些，但也不到浸水前的6 %；在最佳含水量±3%范围内的击实的试样浸水后的CBR值都小于2.0%，说明中膨胀土的水稳定性很差。

现场CBR试验。为将室内试验的结果和现场试用进行对比，在试验路段施工过程中对中膨胀土和石灰改性中膨胀土进行了现场CBR值的测定。在施工过程中，由于土场及天气等原因，使中膨胀土的含水量控制到最佳含水量有困难，施工中实际控制的碾压含水量普遍较最佳含水量大2.4%～4.2%。现场测定的中膨胀不浸水CBR值在10.6%～20.9%之间变化，CBR值与现场所测含水量、干密度的关系不明显，分析原因应是土场土质不均匀及现场拌和均匀性差所致。石灰改性中膨胀土的含水量大部分接近其最佳含水量，但其CBR 值变化范围较大，但CBR值整体较中膨胀土高。由于石灰改性中膨胀土拌和只采用了路拌法，拌和均匀性不很理想，从检测结果可以发现，石灰改性中膨胀土的 CBR 值有随着压实度的增大反而减小的“反常”现象出现，这正好从另一方面反映了灰土拌和中存在的问题。这表明：石灰改性中膨胀土拌和均匀性对其CBR值的影响十分显著，大面积施工时应采取有效的拌和工艺和方法来保证石灰改性中膨胀土的拌和均匀性。

2.1.2 剪切试验。

路基填料除满足CBR指标外，考虑路基的稳定性时还要了解填料的抗剪强度指标 c，φ值能否满足要求。为此，对中膨胀土及石灰改性中膨胀土分别进行了室内及现场直接剪切试验。

2.1.3 现场载荷试验。

在试验的膨胀土上施加一定量的载荷，测试膨胀土的承受能力和承受载荷的程度。

2.2 对膨胀土的治理：①强性膨胀土不用作路基和基层填料；②路床底1.5ｍ以下采用中弱性膨胀土作为路基填料，并采用掺和剂量不小于8%的石灰处理，进行多次拌合和充分碾压，改变其矿物成分的性质，从而增强其抗剪强度和水稳性；③为了保护膨胀土路基不受雨水侵害，也可在底基层顶面喷洒沥青膜封层；④在路基底部设置0.5～1.0ｍ厚的砂砾垫层，并用土工网包裹，有效地克服地基表层膨胀土的胀缩作用，提高路基的承载力。水是影响膨胀土力学性质的主要因素，因此膨胀土路堤除了改善压实土性、掺石灰进行改良外，还需采用封闭、完善排水系统等综合措施进行处理，例如全断面封闭路基顶层及边坡表层，边坡、边沟均用浆砌块石护坡处理等均能较好地保证膨胀土路堤的整体稳定性。

2.3 填石料的选择：①大粒径填料应尽量采用大型试验设备进行土性试验，在大粒径填料试验中，应采用合适的方法对大粒径填料进行替代或缩小。②填石料的变形特性主要与填石料的密实程度以及填石料的抗压强度有关，强度高、密实程度良好的填石料变形小、固结速度快，是一种优良的填料。③填石料的力学特性主要与填石料的密实程度以及填石料的抗压强度有关，密实程度良好的填石料强度高，路堤自身稳定性好，完全可以满足公路路基要求。④在大粒径填料中，含泥量会显著降低其剪切强度，对于含泥量超过10%的大粒径填料，在设计施工中应降低强度或按土石混合填料考虑。⑤填石料Ｃ值是大粒径填料间咬合力的体现，对于高密度的碾压填石，其数值是不容忽视的。

2.4 对中膨胀土采用包边法填筑路堤时，包边部分除要严格控制混合料的含水量及压实度外，还要严格控制膨胀土的土团最大直径，保证最大土团直径小于一定的水平（通常是5 cm），同时为使石灰与膨胀土充分拌和均匀，除进行场拌外，必须用路拌机进行路拌，即采用场拌结合路拌的方法，达到均匀拌和、对中膨胀土有效改性的目的，使其水稳定性和强度提高，这样才能有效防止和减小外界湿变化对堤心部分膨胀土的影响，使其含水量不发生大的变化，避免堤心部分的中膨胀土的强度发生衰减，确保工程的安全。

参考文献：

[1] 李生林，中国膨胀土工程地质研究[M]，南京:江苏科学技术出版社，2006.

[2] 郭爱国等，高速公路建设中中膨胀土特性的试验研究[J]，岩土力学，2009，（03）.