高速公路膨胀土路基施工探索.docx

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高速公路膨胀土路基施工探索

高速公路膨胀土路基施工探索

摘要]：

膨胀土分布在我国江苏、安徽、湖北、广西、四川、河南等许多省份。

随着我国高速公路建设的高速发展，由膨胀土修筑的路基在交工运营之后，不同程度发生路基下沉、沥青混凝土路面开裂、翻浆、边坡沉塌、滑坡等病害。

本文通过蚌明高速公路五合同段的施工，提出了对膨胀土路基病害成因浅析、治理措施及施工控制要点。

[关键词]：

高速公路路基膨胀土治理施工控制

一、工程沿线土情况

蚌明高速公路五合同段桩号K110+400—K117+640，主线全长7.24公里，路线位于滁州地区凤阳县大溪河镇，路线属平原微丘地区，沿线土质为高液限粘土，由于沿线取土坑没有可直接用于路堤的土源，为了不增加成本，不得不用沿线取土坑的膨胀土来填筑路堤。

沿线所征用的取土场的各项指标见表-1

蚌明高速公路五合同段取土场情况汇总表-1

土场编号土场位置取土深度m试验单位液限%塑性指数IP备注

1号K110+4901.4—1.8承包人52.326.3WlIp超限

监理51.826.8WlIp超限

3.4—3.8承包人44.719.7

监理4517.9

2号K111+7001.1—1.5承包人61.732.9WlIp超限

监理57.628.3WlIp超限

1.5—2.5承包人49.623.6

监理48.922.0

3号K113+8001.4—1.8承包人51.525.2Wl超限

监理52.326.5WlIp超限

2.6—3.0承包人59.128WlIp超限

监理58.128.1WlIp超限

4号K117+0001.4—1.9承包人54.326.9WlIp超限

监理53.627.6WlIp超限

2.2—3.2承包人51.620.3Wl超限

监理51.221.0Wl超限

从表-1可以看出五合同段沿线土场都不符合《公路路基施工技术规范》JTJ033-95要求，不能直接用于高速公路路基填筑施工中，必需进行改性处理。

根据蚌明高速公路五合同土场情况，蚌明高速公路开发有限公司又委托河海大学土木工程学院和东南大学交通学院对几个标段的土质情况进行了试验研究，成果见表-2、表-3、表-4。

河海大学土木工程学院结论：

根据《公路路基施工技术规范》JTJ033-95规定，Wl＞45%；自由膨胀率FS＞90%属于强膨胀土；65%＜FS＜90%属于中等膨胀土；45%＜FS＜65%属于弱膨胀土。

初步判断五标土为中等膨胀土，六、九标土为弱膨胀土。

东南大学交通学院结论：

根据要求，蚌明五标、九标先后分三次送五标3号取土场、九标2号和5号取土场土样。

从试验结果来看，除了第一次九标5号取土场的土不属于膨胀土外，其它土样试验结果与原来试验数据基本吻合。

本文只列出第二次试验结果的汇总见表-4。

五标3号取土场的膨胀土的性质最差，即土的液限含水量、塑性指数和自由膨胀率相对最高，变异性相对较低，土样相对均匀。

结论：

二所大学对蚌明高速公路五合同段土场情况试验结论是吻合的。

河海大学土样物理性能试验成果表-2

物理性质取土场标段界限含水量比重GS颗粒分析

100g锥76g锥塑限Wp%

25～0.075（mm）%075～0.005（mm）%＜5（um）%

液限Wl%塑性指数IP液限Wl%塑性指数IP

5标（膨胀土）70.24653.92924.52.731.550.9947.51

6标（膨胀土）41.61855.12223.62.71063.836.2

9标（4#0～2m）53.53141.21822.82.735.6353.2541.2

9标（4#2m以下）57.23744.72321.52.732.3652.7844.86

9标（3#0～2m）48.93039.22118.72.73067.132.9

河海大学土样物理性能试验成果表-3

编号取土场位置自由膨胀率（%）编号取土场位置自由膨胀率（%）

15标2#土场1#点0～1.2m7070135标3#土场3#点0～1.2m5558

25标2#土场1#点1.2m以下4540145标3#土场3#点1.2m以下3841

35标2#土场2#点0～1.2m4842155标4#土场1#点0～1.2m2932

45标2#土场2#点1.2m以下3638165标4#土场1#点1.2m以下4551

55标2#土场3#点0～1.2m4442175标4#土场2#点0～1.2m2932

65标2#土场3#点1.2m以下4242186标K121+645段1.5～3.0m4545

75标2#土场4#点0～1.2m4858199标4#土场

（1）4545

85标2#土场4#点1.2m以下4343209标4#土场

（2）3532

95标3#土场1#点0～1.2m5454219标3#土场1.0～2.0m3535

105标3#土场1#点1.2m以下3943229标3#土场2.0～3.0m3028

115标3#土场2#点0～1.2m4541239标3#土场3.0m以下1013

125标3#土场2#点1.2m以下403924

二、膨胀土的基本特点

膨胀土主要是由亲水性较强的粘土矿物成份（蒙脱石、伊利石和高岭石）组成，是具有较大胀缩性能和相对较高的液限、塑限和塑性指数的粘性土。

膨胀土在《公路土工试验规程》JTJ051-93中土类代号为CH或CHO，这种土在半固态时的干强度很高，土块表面干硬，但土块内含水量较大，很难破碎压实。

受生成地质条件、水文及气候环境等因素的影响，膨胀土具有显著的胀缩性、崩解性、多裂隙性、风化特性和强度衰减性等一系列的特殊、复杂的物理力学性质。

●胀缩性：

膨胀土吸水体积膨胀，如果膨胀受阻，就会产生膨胀力。

失水体积收缩，土体收缩开裂。

●崩解性：

膨胀土浸水后体积膨胀，发生崩解。

强膨胀土浸水后数分钟即可完全崩解，弱膨胀土崩解缓慢且不完全。

东南大学土样物理性能试验成果表-4

物理性质取土场标段界限含水量自由膨胀率（%）

100g锥/200mm76g锥/17mm

液限Wl%塑限Wp%塑性指数IP液限Wl%塑限Wp%塑性指数IP编号编号备注

5标3#/2-176.123.452.776.022.953.1155.0761.0

5标3#/2-273.024.548.570.623.746.8260.0859.0

5标3#/2-373.024.748.371.524.746.8349.0954.0

5标3#/2-477.124.752.475.524.051.5450.01050.0

5标3#/2-579.830.039.870.228.142.1565.01151.0

5标3#/2-665.624.341.363.424.738.7660.01249.0

变异系数6.69.511.76.57.311.810.1

平均74.125.347.271.224.746.555.3

9标2#/2-170.823.647.267.524.842.7140.0750.0

9标2#/2-261.729.132.659.928.031.9245.0849.0

9标2#/2-364.325.139.262.825.337.5349.0947.0

9标2#/2-457.825.632.355.531.324.2450.01047.0

9标2#/2-563.725.837.961.024.836.2551.01150.0

9标2#/2-661.225.136.159.921.838.1656.01249.0

变异系数7.07.014.66.512.718.27.8

平均63.325.737.661.126.035.148.6

9标5#/2-155.421.833.654.221.033.2139.0750.0

9标5#/2-264.822.642.263.920.643.0240.0858.0

9标5#/2-374.122.152.070.323.347.0342.0940.0

9标5#/2-463.522.940.660.523.936.6440.01040.0

9标5#/2-558.223.135.156.723.533.2556.01152.0

9标5#/2-652.527.425.250.727.223.5654.01259.0

变异系数12.79.023.912.010.323.016.8

平均61.423.338.159.423.336.147.5

●多裂隙性：

膨胀土中裂隙发育，使土层分割成具有一定几何形状的块体，破坏了土体的完整性。

●风化特性：

膨胀土对气候因素的影响很敏感，极易产生风化破坏作用。

●强度衰减性：

膨胀土的抗剪强度为典型的变动强度，半固体时具有极高的峰值，而一旦浸水强度又极低。

从表-2颗粒分析中知膨胀土中的蒙脱石和伊利石粘粒都是细粒土，经专家的多年研究发现，渗透压力确实存在于土—水体系中，而且是膨胀机理的根据。

蒙脱石和伊利石粘土的膨胀是由于粘土粒中的亲水吸附离子对水有很强的渗透压力，土体的密度越高，粘土粒中的亲水吸附离子密度越高，渗透压力就越大，膨胀土的渗透压力可高达2Mpa～4Mpa。

利用膨胀土直接作为路堤填料时，其压实后的膨胀土与天然原状结构膨胀土的工程特性有很大不同，主要是压实土的膨胀潜势较原状土要大5～8倍，甚至达二、三十倍之多，填土的密度愈大，含水量愈低，则膨胀土浸水后，其膨胀量和膨胀力愈大，浸水时间越长影响深度越深，最深能达到60cm以上。

在多雨潮湿地区，膨胀土即使在旱季施工,晾晒到重型击实时的最佳含水量压实后，本身也极不稳定，经过雨季时，湿气侵入和路基毛细水作用下，土体中的亲水吸附离子吸收水分，含水量很快增加，强度和密度亦随之而降低，这种现象在《公路沥青路面设计规范》JTJ014-97第6.1.4条和《公路路基施工技术规范》JTJ033-95第9.7.4.条中都有明确的说明。

膨胀土如果处理不当，对公路工程建设具有潜在的破坏性，主要病害有：

1、对公路建筑物结构基础造成的病害：

由于气候季节变化因素的影响，膨胀土会发生多次干-湿循环变化，一方面，胀缩导致地基的隆起或下沉；另一方面，干-湿循环变化会使抗剪强度急剧衰减而造成地基失稳破坏。

2、对公路路基造成破坏：

路基含水量的不均匀性，将引起不均匀胀缩，导致地基路基变形或开裂。

膨胀土路基长期环境稳定含水量与施工控制含水量的不一致性，宜导致路基变形或裂缝等病害。

3、对路基边坡稳定的破坏：

膨胀土坡面最易受大气风化营力的作用，干旱时蒸发开裂，破碎剥落；降雨时坡面冲蚀。

膨胀土易吸水饱和，在重力和渗透压力作用下，发生流塑状溜塌，甚至会产生破坏性极大的滑坡。

因此《公路路基施工技术规范》JTJ033-95条文说明9.13条明确规定：

强性膨胀土难于捣碎压实，故条文规定不应作为路堤填料。

对于中、弱膨胀土，经处理后（一般掺石灰）可作为路床填料。

三、膨胀土石灰改良的工作机理

目前，膨胀土改良的方法主要是化学改性，如掺石灰、水泥、粉煤灰、氯化钠等外掺稳定剂。

其中，石灰改良膨胀土是最普遍、最有效的方法之一。

石灰与膨胀土之间的化学作用非常复杂，石灰改良膨胀土的工作机理一般认为有：

1、化学与物理化学作用

一是离子交换作用，即石灰中钙、镁离子置换土中钠、钾离子，或吸收作用，导致离子单位重量增加。

石灰与膨胀土接触后，这一离子交换作用立即发生，使得胶体吸附层减薄，从而使粘土胶状颗粒发生凝聚，粘胶粒的亲水性减弱，细颗粒产生絮凝和凝沉，形成较大的集力或积聚体。

二是碳酸化作用，即石灰中Ca（OH）2吸收CO2形成质地坚固、水稳性好的CaCO3晶体。

这一结晶作用使得土的胶结得到加强，从而提高了石灰土的后期强度。

试验表明，碳酸化学反应只能在有水的条件下才能进行，在干燥的碳酸气作用于完全干燥的石灰粉末时，碳酸反应几乎停止，说明这种作用需用水。

三是结晶作用，在石灰土中除了一部分Ca（OH）2发生碳酸化反应外，另一部分则在石灰土中自行结晶。

Ca（OH）2+nH2O→Ca（OH）2·nＨ２O

由于结晶作用，Ca（OH）2胶状体逐渐变成晶体，这种晶体能互相作用与土结合成晶体，从而把土粒胶结成整体，提高了石灰土的水稳定性。

四是灰结作用，即膨胀土加灰后，使土呈碱性，在碱性环境中石灰与土中的氧化铝逐渐硬结，即：

火山灰作用——活性硅产品矿物在石灰的碱性激发作用下离解，并在水的参与下与Ca（OH）2反应生成含水的碳酸钙和铝酸钙，即：

Ca（OH）2+SiO2+（n一1）H2O→XcaSiO2·nH2O

Xca（OH）2+Al2O3+（n一1）H2O→XcaAl2O3·nH2O

火山灰反应是在不断吸收水分的情况下逐渐形成的，因而其具有水硬性质。

另外，石灰本身会产生化学反应。

CaO生成Ca（OH）2后体积增大近一倍，使土固结。

2、土的组织结构变化的增强机理

化学和物理——化学作用是粘胶粒絮凝、胶结，并使聚粒体表面形成水硬性包膜，水化能力的降低，导致土结构的疏松，胀缩作用也因土的结构疏松而在结构内部消化。

当化学和物理——化学作用充分，土的结构基本稳定，其胀缩性随之消失，同时也增强了土的强度。

石灰改良膨胀土主要体现在膨胀土塑性指标下降，以及粘粒含量降低。

但是，在一定石灰掺入量条件下，改良膨胀土的性质随着石灰计量而变化。

而当石灰计量超过某一值后，石灰稳定土的力学指标和水稳定性反而有所下降。

正是这一稳定机制的复杂性，石灰稳定膨胀土的石灰掺入计量，宜通过试验对比后确定。

四、膨胀土石灰改良试验研究

由于五标、六标、九标的土质基本一样，河海大学土木工程学院只以九标的膨胀土作为试验研究土样，现将河海大学土木工程学院石灰改良膨胀土的成果叙述如下：

1、击实试验

击实试验采用干土法，分别按2%、4%的水泥和石灰四种情况进行重型击实试验，击实试验结果见表-5。

蚌明高速公路9标膨胀土重型击实试验成果表-5

取土场掺灰方式掺灰率（%）最优含水量（%）最大干密度（g/cm3）

9标膨胀土掺水泥0161.83

215.81.83

415.21.83

掺石灰0161.83

214.81.83

414.81.81

2、压缩模量试验

压缩试样均分非饱和试样与饱和试样两种，按干土法重型击实试验测得的最佳含水量和90%、93%的最大干密度制备试样，饱和试样是制备后抽气饱和的。

为了比较不同的掺合剂（石灰、水泥）对九标膨胀土的改良效果及改良后压缩性质随龄期的变化，每种掺灰率的试样分别做了龄期为1天、7天、14天28天的试验，其中掺灰率为2%、4%两种。

结论：

不掺灰的情况下素土的压缩性较高，压缩模量ES约为10Mpa。

掺石灰后压缩模量增加比较明显，可提高到3～5倍达到30Mpa～50Mpa；掺水泥后压缩模量的增加相对缓慢，可达到20Mpa～40Mpa。

因此，对压缩模量来说，只要2%的掺灰率就能满足工程要求，并且在同等配比的情况下，石灰的改良效果明显优于水泥。

3、无侧限抗压强度试验

与压缩试样相同，无侧限抗压强度试验试样分非饱和试样与饱和试样两种，按干土法重型击实试验测得的最佳含水量和90%、93%的最大干密度分四种情况制备试样，为了比较不同的掺合剂（石灰、水泥）对九标膨胀土的改良效果及改良后强度随龄期的变化，每种掺灰率的试样分别做了龄期为1天、7天、14天28天的试验，其中掺灰率为2%、4%两种。

结论：

未掺灰的情况下90区、93区非饱和试样的无侧限抗压强度分别为230Kpa、280Kpa，试样抽气饱和后饱和土样的无侧限抗压强度降低，90区、93区土样的无侧限抗压强度降为30Kpa、90Kpa。

掺用不同的掺合剂后，以7天龄期的饱和强度为参考，在掺2%石灰的情况下，90区、93区的强度增长到220Kpa、280Kpa；在掺2%水泥的情况下，90区、93区的强度增长到89Kpa、116Kpa。

对于非饱和强度而言，2%石灰配合比90区、93区试样强度提高到500Kpa～600Kpa；2%水泥配合比90区、93区试样强度提高到1500Kpa～1600Kpa。

增加石灰及水泥的掺量，强度增加明显。

4、膨胀力

试样按干土法重型击实试验测得的最佳含水量和90%、93%的最大干密度分四种情况制备试样，膨胀力试验结果见表-6。

蚌明高速公路9标膨胀土膨胀力试验成果表-6

掺合剂掺灰率%含水量%压实度%试样干密度g/cm3膨胀力

1天（kpa）7天（kpa）14（kpa）28（kpa）

素土16901.64740.35

931.70254.48

石灰214.8901.6479.444.721.090.00

931.70223.5720.0917.610.30

414.8901.6294.621.320.330.00

931.6835.594.972.480.00

水泥215.8901.64739.4724.698.385.59

931.70243.9036.1415.189.11

415.2901.64719.829.916.860.82

931.70228.1317.418.741.47

结论：

9标素土90区、93区试样的膨胀力分别为40.35kpa、54.48kpa。

掺水泥、石灰以后膨胀力随龄期逐渐降低，掺2%水泥试样28天龄期的膨胀力降低到5.59kpa～9.11kpa，而掺2%石灰试样28天龄期的膨胀力降低到0kpa～0.3kpa，膨胀性已基本消除。

掺入相同剂量的水泥、石灰时，石灰的效果优于水泥。

5、膨胀率

试样按干土法重型击实试验测得的最佳含水量和90%、93%的最大干密度分四种情况制备试样，膨胀率试验结果见表-7。

蚌明高速公路9标膨胀土膨胀率试验成果表-7

掺合剂掺灰率%压实度%试样干密度g/cm3膨胀率试验%

1天期7天期14天期28天期

无压膨胀有压膨胀无压膨胀有压膨胀无压膨胀有压膨胀无压膨胀有压膨胀

素土901.6474.751.104.751.104.751.104.751.10

931.7024.051.604.051.604.051.604.051.60

石灰2901.6472.75-2.650.05-4.450.35-3.751.001.90

931.7021.15-1.000.40-4.350.05-4.400.15-1.50

4901.6291.30-5.460.35-7.900.65-3.050.00-5.15

931.6831.05-3.200.65-3.050.40-4.400.15-6.00

水泥2901.6473.701.652.30-2.902.75-5.101.55-5.60

931.7024.801.401.60-4.300.40-2.651.55-6.65

4901.6474.00-2.350.30-4.651.50-3.951.2-7.40

931.7022.65-4.550.45-4.151.90-2.200.65-5.95

结论：

由9标膨•胀土的膨胀率试验成果可知，90区、93区素土在50kpa压力作用下膨胀率分别为1.1%和1.6%，根据《公路路基设计规范》JTJ013-95第6.7.1.1条进行计算，则两者的膨胀总率都超过0.7%的规定，需要处理。

以7天龄期的膨胀率为参考，从表-7可知掺灰后膨胀性得到改良，在掺2%石灰的情况下无压膨胀率降到零，有压膨胀率则为负值；掺入2%水泥后，有压膨胀率也都为负值，满足规范的规定要求，但同比效果不如石灰明显，建议掺用2%石灰进行改良。

通过以上的试验研究得出：

⑴5标、6标9标均为膨胀土。

其中5标接近中等膨胀土，6标9标为弱膨胀土。

⑵膨胀土改良掺石灰比掺水泥的效果好，掺2%的石灰即能达到规范要求，建议掺2%的石灰处理。

根据规范要求，现场施工掺灰率要比室内试验的掺灰率增加1%，所以建议路基填料的现场掺灰率不少于3%。

根据河海大学土木工程学院膨胀土石灰改良试验研究成果，蚌明高速公路开发有限公司拟定90区、93区采用3%石灰进行改良，95区第一层第二层采用5%进行改良，第三层第四层采用8%进行改良。

五、膨胀土石灰改良施工中存在的主要问题

石灰改良膨胀土的工作机理相对简单、明确，然而在高速公路建设中，在石灰改良膨胀土的实际应用中却存在大量的问题有待进一步研究和完善。

1、膨胀土石灰改良工地施工方案的研究。

2、石灰改良膨胀土压实度标准的研究。

3、石灰改良膨胀土石灰剂量检测标准。

4、石灰改良膨胀土施工工艺与质量控制的研究。

（一）、膨胀土石灰改良工地施工方案的研究

蚌明高速公路五合同段桩号K116+837～K117+042段第一层5%石灰改良土于2004年7月30日拌合碾压成型，该段落标准干密度（采用干土法）为1.73（g/cm3）,8月1日自检、监理复检压实度全部合格，蚌埠市交通建设工程检测中心代表业主于2004年8月20日进行压实度抽检，抽检结果全部合格，并上了第二层土准备施工第二层5%石灰改良土，8月21日、22日连续下了2天中雨。

2004年8月24～8月29日安徽省恒达交通建设质量检测有限公司受蚌明高速公路开发有限公司的委托，代表省交通厅质量检查站对已完工程进行交工验收，在检测该段压实度时发现其结果比自检、抽检时的压实度降低了10%左右，路基的含水量增大了10%左右（见表-8）。

恒达交通建设质量检测有限公司在检测其它几个标段时也同样存在以上问题，而且有的标段连续几层都存在压实度降低的问题。

经现场考查研究分析，主要有以下几方面原因造成了压实度降低。

⑴从膨胀土石灰改良试验研究中我们知道，试验所用的试样的成型方法都是采用干土法即在50oC温度下烘干的土样放在橡皮板上，用木锤或木碾捣碎到都能通过5mm的筛孔的土样作为试验的土样进行各项指标试验，这和实际施工是完全不相符的。

实际施工工艺是采用一次性掺灰，用进口宝马拌合机拌合三遍后，虽然土块都在5cm以下（满足规范要求），但是大于1.5cm以上的土块含量在30%左右，大于5mm以上的含量在60%以上，这说明一次性掺灰达不到石灰改良试验研究中的效果，这些没有充分改良的土块遇水后照样膨胀（见图1、图2）。

⑵施工单位、监理单位和检测中心的检测都是在每层石灰改良土成型后马上检测，而安徽省恒