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膨胀土地基的处理

第3章　膨胀土地基的处理

3.1　膨胀土的判别方法与标准

准确判别膨胀土及评价膨胀势大小是膨胀土地基处理首要解决的问题。

若将膨胀土漏判或将强膨胀土判为弱膨胀土，会给工程埋下隐患;若将普通土误判为膨胀土或将弱膨胀土为强膨胀土，会造成经济的巨大浪费。

已有的工程教训证明，许多膨胀土的工程危害是由工程人员对膨胀土误判造成。

目前，国内外关于膨胀土判别分级的指标有几十种之多，我国不同行业之间的判定方法与标准亦不相同。

国内工程设计常用的判别标准主要有以下３类。

第4类为本设计建议使用的判别标准。

⒈原国家建委标准[3］

该规范以自由膨胀率为判据，特殊情况下可以根据蒙脱石含量来确定自由膨胀率大于40%,或蒙脱石含量大于７%时，可判定为膨胀土。

其后的《建筑地基基础设计规范》也有相近内容的规定。

膨胀上的分级标准见表3－1

表3-1膨胀土级别标准（原国家建委）　　　　　　　

自由膨胀率（%）

蒙脱石含量（%）

膨胀土级别

自由膨胀率（%）

蒙脱石含量（%）

膨胀土级别

>100

60—１0０

>2５

1４—25

强膨胀土

中膨胀土

40—６0

７—1４

弱膨胀土

2.铁道部行业标准[4]

规则中,膨胀土的判别分为初判和详判。

初判适用于踏勘与初测阶段,详判适用于定测与施工图设计阶段。

初判依据为土的现场宏观地质特征、自由膨胀率、液限。

土的现场宏观地质特征符合膨胀土特征,且自由膨胀率Ｆs≥4０%,液限Wl≥40%时，判定为膨胀土。

膨胀土的现场宏观地质特征详见《规则》。

详判时,使用自由膨胀率、蒙脱石含量与阳离子交换量3项指标。

当符合其中2项指标时，判别为膨胀土。

注:

ＣＥC100表示100g干土的阳离子交换量，单位为（mmol）ＮＨ４+。

3.交通部标准[5]

规范中,要求自由膨胀率大于4０%和液限大于40%的黏土质,可初判为膨胀土,但这并不是惟一的,最终决定因素是“胀缩总率及膨胀的循环变形特征，以及与其他指标相结合的综合判别方法”。

其膨胀土工程地质分类见表３-3。

表３－3膨胀土工程地质分类（交通部）　　　　

分类

野外地质特征

主要黏土矿物成分

＞0．０02mm黏粒含量（％）

自由膨胀率（%）

膨胀总量（%）

强膨胀土

中膨胀土

弱膨胀土

　灰白、灰绿色,黏土细腻,滑感特强，网状裂隙极发育，有蜡面，易风华成细粒状、鳞片状

　以综、红、灰色为主,黏土中含少量粉砂,滑感较强，裂隙较发育，易风化成碎粒状，含钙质结核

黄褐色为主,黏土中含较多粉砂，有滑感，裂隙发育,易风华成碎粒状,含较多钙质结核或铁锰质结核

蒙脱石

伊利石

蒙脱石

伊利石

蒙脱石

伊利石

高岭石

>5０

３5—５０

<３５

>90

65—９0

40—６5

>4

2—4

0.７—2.０

注:

胀缩总率为土在50ｋＰa压力下的膨胀率与收缩率之和。

4.建议使用的公路膨胀土判别与分级标准

上述原国家建委、铁道部膨胀土判别与分级标准均要求定量测定膨胀性黏土矿物，如蒙脱石的含量。

这种微观矿物含量的测定一般只有研究单位的专门试验室才能完成，且花费时间较长,给工程设计与施工带来很多困难。

事实上,设计与施工单位很少采用。

交通部《规范》膨胀土评价标准中的胀缩总率指标来自考虑地基承载力的房屋建筑部门。

它完全不符合公路工程低荷载或零荷载的工程状况，且确定该指标所需要的一些参数又很难获取。

我国交通部第二公路勘察设计研究院（以下简称“中交二院”）通过大量研究工作，提出以标准吸湿含水率与塑性指数2个分类指标作为膨胀土的判别与分级标准。

所谓标准吸湿含水率指，在标准条件下（温度25℃±２℃,相对湿度6０%±３%）,膨胀土试样从天然含水量脱湿至平衡后的含水量。

标准吸湿含水量与蒙脱石含量、阳离子交换量及比表面积之间具有良好的线性相关性,反应了膨胀土的本质特性。

塑性指数很好地反映了粒度组成、分散特性及阳离子与黏土矿物之间的相互作用。

采用标准吸湿含水率与塑性指数对土的膨胀势分级的指标见表３-4。

标准吸湿含水率测定的具体方法见参考文献[7]或文献[15］中《膨胀土的判别与分类新方法》一文。

　表3－４　土的膨胀势分级指标（中交二院）

膨胀势分级

非膨胀土

弱膨胀土

中等膨胀土

强膨胀土

标准吸湿含水率ｗｓ（%）

塑性指标Ｉｐ（%）

自由膨胀率Fｓ（％）

Ｗs<2.5

Ip<1５

Ｆs<４0

2.5≤ｗｓ<４．8

15≤Iｐ<30

40≤Ｆs≤60

4.8≤ws＜６．8

30≤Ip<45

60≤Fs≤90

6．８≤ws

45≤Ｉp

9０≤Fs

注:

自由膨胀率仅为参考指标，不作为控制指标。

中交二院研究提出的膨胀势分级判别指标反应了膨胀上的本质，并具有测定简单、便捷，所获数据可靠、重现性好的优点,便于设计与施工单位广泛应用。

3．２　处理方法

针对膨胀土的工程特性与膨胀土地基的病害特点，并考虑工程的经济性,可以从换填、改性、隔水封闭、渗沟排水4个角度，归纳总结膨胀土地基处理措施与技术方法[６]。

1.换填与膨胀土掺灰改性法

换填与浅层膨胀土掺灰改性法适用于浅层平面地基（路基基底）条件,一般处理深度不大于3.0m。

与其他方法相比,一般换填法的造价最低。

但换填方量过大时，废土可能占用大量土地,并引发生态环境问题；某些地区可能还存在借土困难或借土成本过大的问题。

这时,可考虑膨胀土改性法或石灰桩加固法。

２．有机大分子溶液改良法

改良技术既适用于斜面地基（堑坡）,又适用于平面地基（路基基底）,一般多用于膨胀土堑坡的浅层稳定性处理。

目前，国内比较成熟的有机大分子溶液改良技术有UAＨ改良液等。

3.石灰桩或灰土桩加固法

石灰桩或灰土桩加固法对于斜面地基（堑坡）和平面地基（路基基底）均适用。

对于厚度较大的膨胀土软基处理时,石灰桩或灰土桩加固法具有独特的优势,一般用于厚度大于2．0m的膨胀土软基。

4．隔水封闭与渗沟排水法

隔水封闭是采用土工防水布、石灰与猫土混合料等材料对地基或坡面进行隔水封闭，阻止气候干湿循环对膨胀土含水量的影响,达到稳定路基或边坡的目的。

由于隔水封闭法的施工质量控制标准要求较高,建议设计时慎用。

采用隔水封闭措施,必须同时使用排水渗沟或其他排水措施,两者缺一不可。

排水渗沟也可作为换填与掺灰改性、有机大分子溶液改良、石灰桩加固措施的辅助手段使用。

该方法包括常用的路基基底使用的平面状渗沟与堑坡防护使用的支撑渗沟两种类型。

平面渗沟作用在于排掉汇流到路基的地下水；而支撑渗沟不仅可以排水,并且具有阻止膨胀土边坡变形破坏的功能。

３．3　　浅层换填与掺灰改性法

当公路路基的基底为劣质土（或者说土的变形或承载力不符合要求），且劣质土层的厚度又不很大时,将原地表以下处理范围的劣质土部分或全部挖去，换填为性能稳定或强度较大、无侵蚀性的其他材料，并分层压实至要求的密实度，这种地基处理方法称为换填法。

膨胀土掺灰改性是将原地膨胀土翻松,掺加一定比例的石灰后，分层压实的方法。

该方法经过一段时间的养护,可以很好地消除或减小膨胀性,提高土体强度,降低土中的含水量［7]。

3.3.１原理和适用范围

1．浅层换填法与掺灰改性法的原理及适用范围

换填掺灰改性法适用于公路的所有平面地基，既适用于填方路堤基底的处理,也适于挖方路面下的地基处理。

具体换填设计时,若换填方量过大,应考虑借土与废方对生态环境的不良影响。

填方与挖方路段两者的换填与掺灰改性原理也有所不同。

填方路堤，特别是高路堤的基底承受路堤及路面重力的压力较大，基底换填是以强度较高的材料代替膨胀土地基，掺灰改性是将低强度的膨胀土地基改性为高强度的灰土，两者以提高地基的承载力,避免地基破坏为目的。

小于1m填方路堤基底的换填或掺灰改性目的主要是为了消除膨胀土基底的胀缩变形。

从施工角度考虑，一般要求换填或掺灰改性的膨胀土地基深度不超过3.0m。

当膨胀土地基厚度超过3.０m,应考虑其他措施,如石灰桩等。

当膨胀土地基的地下水位较高,或所处地理位置为汇水的低洼地带时，应认真作好排水设一计,包括地面排水与地下排水。

地下排水的渗沟设计见后文。

挖方及零填方路段的地基同时担任路床的角色。

通过地基膨胀土换填或掺灰改性,一方面可以消除路面以下膨胀土胀缩变形对路面的破坏作用，另一方面可以提高处理深度范围内土的强度与变形模量，使CBR值（加州承载比,是一种衡量道路弯沉量的试验值）达到高等级公路上路床的标准要求，即CBＲ≥8。

大于1m填方路堤的基底换填或掺灰改性设计时,主要考虑因素是膨胀土地基的承载力;小于lｍ填方路堤的基地换填或掺灰改性设计时,主要考虑因素是基底的膨胀变形量或膨胀力；挖方与零填方路段地基换填或掺灰改性设计时，考虑的主要因素是路床的变形与强度要求标准,及换填深度对下伏膨胀上膨胀性的抑制作用。

2.石灰改性膨胀土的机理

石灰对膨胀土的改性机理表现为５种作用:

阳离子交换（ｃａtiｏnｉc　ｅxchange）；凝聚（ag-gｌomeratｉon）；细凝反映（flｏcｃｕlatｉoｎ）;碳酸岩化（caｒbｏnatｉon）；胶结或凝硬作用（ｃeｍenｔaｔionｏrpｏzzｏｌａｎicreactioｎ）。

膨胀土组成以蒙脱石、伊利石、高岭石等勃土矿物为主。

黏粒表面吸附有大量的金属阳离子，当掺人石灰后,由于土中产生过量的Ｃa2＋离子，同时Ca（OH）2分子电离的OH-离子形成强碱环境,使得Cａ2＋置换了膨胀土黏粒表面的某些阳离子，如K＋，Na+,Fe2+等（Mg2+除外），由此改变了黏粒表面的带电状态，结果使膨胀土颗粒很快地凝聚起来而提高了土的初期强度。

细凝过程与阳离子交换过程同时发生。

由于孔隙中电解质浓度的增加,Ca2+离子被吸附在豁土的表面，蒙脱石晶层间的水向外溢出,土体体积减少。

掺灰改性土的石灰碳酸岩化反应生成的CａCO３在掺灰土中多形成长短不等的棒状物、针状物及网状物，它们将豁土颗粒联结或包裹起来,集聚成粉粒或更大的团粒。

这些大颗粒的粒径多集中于0.０5—0．０05mm之间。

石灰的碳酸岩化是促使赫粒集聚、消除胀缩性、提高强度，并保持长久稳定的根本原因。

掺灰改性土的典型化学式方程表达如下：

CaCO３:

除了本身具有较高强度外,它与铝酸钙作用也可起到加固土的作用。

由于这个反应过程缓慢，对于改善土的工程性质初期作用不大,但随时间的延长改善作用会越来越明显。

胶结或凝硬反映相当复杂，也需要很长时间。

胶结或凝硬反映使土中相当一部分SiO2形成SiO2水溶性胶体粒子，氧化铝也可形成一些胶体粒子。

这些生成物聚凝后也会改善膨胀土的工程性质，主要作用是提高石灰土的后期强度及耐久性。

该过程类似于水泥的水化反应过程，ＣaO与水发生反映放出的热，在初期加快了凝硬反映。

同时，实验表明，石灰土浸水后强度还会提高，某种意义上可将其视为水硬性材料。

３.3.2设计计算

公路膨胀上地基浅层换填与掺灰改性设计分为3类:

①大于等于ｌm高度路堤的基底换填与掺灰改性设计;

②挖方路段,包括小于ｌm高度填方、零填方路段的换填与掺灰改性设计；

③公路桥涵地基与基础设计。

公路桥涵地基与基础设计参考《规范》[８］。

⒈路堤基底换填与掺灰改性设计

浸水后膨胀土的强度与变形指标急剧降低,承载力一般在８0—１５０kPa范围内。

因此,对于填方路堤高度大于3.0ｍ的膨胀土软基应进行工程处理。

目前,公路行业标准在《规范》［９]中对桥涵地基的设计给出了使用地基允许承载力的具体方法与标准。

但对路堤设计的基底承载力或基底允许承载力没有明确规定。

在《规范》[10］中,要求“在软土地基上修筑路堤,应进行稳定验算与沉降计算”，来检验软土地基的强度与变形是否满足要求。

建筑部门通过多年的工作经验,已经积累了大量有关地基承载力或地基允许承载力的资料或经验确定值，借鉴使用这些资料或经验确定值非常简单