膨胀土生态改性剂及施工技术.docx
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膨胀土生态改性剂及施工技术
序言
膨胀土在我国分布广泛，其矿物成分多以伊利石为主，高岭石次之，夹少量的蒙脱石。
这些亲水性的粘土矿物成份遇水膨胀，失水收缩，具有明显的胀缩性、崩解性、多裂隙性、超固结性、风化特性，
以及强度减弱性。
容易导致沉陷、滑坡、溜塌、纵裂、坍滑等事故。
在铁路、公路、水利、工民建等工程建设中，不可避免地要经过膨胀
寸地区，治理膨胀土，确保工程质量一直是困扰工程界的重大技术难题，属国家重点科研攻关项目。
一、膨胀土危害工程的主要原因
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
胀缩导致了膨土土体的松散，并在其中形成许多不规则的裂隙，裂
隙性破破了土体的整体性。
使水的侵入和土中水分的蒸发更为容易。
土中含水量的波动和胀缩的反复发生，又进—步导致了裂隙的扩展和
向土层深部发展，使该土体强度大为降低，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变化极大，所以大气风化作用层是产生各类地基
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对象
治理膨胀土风化作用层是工程防护成败的关键。
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
一个主要原因。
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。
二、膨胀土传统处理方法
对于膨胀土挖方边坡传统的处置方案，一般采用全封闭形式的刚性防护。
其主要观点认为：
膨胀土失稳原因是受降水影响。
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治、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在治理膨胀土效果较差。
因为膨胀土新挖开的坡面受大气、地下水、土压力变化等多种因素影响，既使没有降水的侵入，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，恶性循环，直至引发连锁破坏。
刚性防护结构还有产生眩光、噪声、不能还原生态环境等缺陷。
对于膨胀土路基的处理方法通常采用换填土及在膨胀土路堤填料中掺石灰，水泥等方法处理，石灰固化机理是硅酸盐和铝的水化物与颗粒相互间的胶结作用，胶结物逐渐脱水和新生矿物的结晶作用，从而降低了液限，增大土的抗剪强度。
以上两种方法虽有一定效果，但我们通过多年报的施工过程和已通车的道路调查以及室内、室外试验，发现石灰和水泥与土反应速度较慢，所生成的水化物强度较低，耐久性较差，而且石灰掺量在8％以上，水泥渗量在6％以上，用量较大能达到一定的效果。
而在施工时需要反复拌和均匀，周期长，耗工时施工性不好，造价高。
三、膨胀土生态改性剂（CMA）工程应用
由于上述治理方案的种种不足，我公司在有关科研单位，大专院
校的帮助下，认真总结施工经验，经多次试验，开发研制出一种膨胀
土生态改性剂（CMA）和施工技术，应用膨胀土地基与边坡的治理能起到较好的效果，其原理是利用改性剂和少量石灰掺配成水溶液后，使水分子离解成H+、OH-，从而与膨胀土表面附带的大量活跃的金属阳
离子交换，使吸附在土粒上的水化学键破坏形成自由水，使石灰土形
成键状和网状结构加快反应和离子交换，水分通过重力、蒸发、压实
作用排出，减弱其膨胀势能，改变膨胀土颗粒结构特性，从而提高土
体的抗剪强度，永久地改变膨胀土属性。
能将膨胀土改性为非膨胀土。
且具有比石灰石更稳定，更持久的效果。
CMA生态改性剂为中性水溶液，其PH值界于6~7之间，且无毒，无腐蚀性，不可燃，无污染，能解决石灰土的水稳性问题。
增强了土强度，并大幅度降低工程造价，简化了施工工序，施工性好，工期短。
改性后土体能种值灌木和草皮，具有绿化与美化环境，还愿生态的功能。
四、膨胀土CMA生态改性剂结构特征
1、改性效果：
对膨胀土能起到较好的改性效果，能将膨胀土改性为非膨胀土，改性深度可达成1～1.2m，影响深度可达到1.5~2m，能使膨胀土土体永久改变属性。
增强土的强度，确保工程质量。
此技
术属国内首创。
2、环保产品：
CMA生态改性剂其PH值界于6～7之间，为中性水溶液，且无毒，无腐蚀性，不可燃，无污染，属生态环保产品。
3、生态环境保护：
改性后的膨胀土能种植灌木和草皮，具有绿化美化环境的功能，满足水土保持，消声敛光等特点。
4、经济适用：
能按不同的土体配制，改性效果好，质量安全可靠、
稳定，改性的边坡可按正常土质边坡率设计，节约用地，减少挖
方量。
工程造价低。
5、施工方便：
施工简单，施工性能好，工期短，同时施工快。
可多组同时施工，平行流水作业。
膨胀土传统防护方案优劣分析表
防护形式
优点
缺点
原因分析
浆砌片石
滿 铺
有效阻止降水下渗，延缓土体变形破坏时间，防止剥落、泥流、冲蚀的发生。
对空气温度不大的地区或地下水不发育地段具有比较好的防护效果。
1、无法防治膨胀的发生。
2、对空气温度大和地下水发育地区易产生溜塌、滑坡。
3、减少了绿化面积。
水分易在坡面防护体下聚集，土体吸水、含水量增加达到过饱和状态，导致土颗粒间粘聚力减弱在重力与渗透压力作用下易产生溜塌，滑坡。
土钉墙
1、通过面板、在土体中规则排列锚杆和土体相互作用，形成的复合挡墙提高了边坡土体整体稳定性，边开挖边施工可抑制膨胀的发生。
2、有效阻止降水下渗，延缓土体变形破坏时间，防止剥落、泥流、冲蚀的发生。
3、对空气温度不大的地区性或地下水不很发育
地段具有很好的防护效果。
1、坡顶面板部分与原地面间易产生渗水，在和地下水的共同作用下易引起牵引性滑坡
2、减少了绿化面积
土钉技术是以新奥隧道法理伦为基础即把潜在滑动面前的主动区的复合土体视为能够自撑的稳定体。
与膨胀土的浅层破坏型式不符，詃防护型式会面板后土钉间膨胀土土体强度随着含水量的增减而衰减，逐渐失自撑能力，起不起支撑面板的作用而发生。
锚杅框
架 梁
1、锚杆与框架结合可抑制因缷荷引起膨胀的发生
2、植被有效阻止降水下渗，延缓土体变形破坏时间，防止剥落、泥流、冲蚀光、溜塌的发生
4、避免引起牵引性滑坡
5、增加绿化面积，美化环境。
1、要求边坡达到基本稳定坡率，增加了土方数量和占用土地较多。
2、后期存在一定的整修工作量，即要不断清理框架间滑塌的土方和补栽灌木。
框架间土体在大气风化作用层内易发生膨胀。
五、CMA生态改性剂适用范围
1、适用于公路、铁路、水利、矿山、工业与建筑等工程，对地基边坡强、中、弱各种类型膨胀土的改性处理。
2、在公路路堑边坡防护中采用改性剂时可分两种情况：
一是当挖方地段处于坡顶且挖深一般不大于12m或边坡基本为均值土层时，仅施以注入改性剂即可，二是当挖方较深（一般大于12m）或位于山体坡脚步，——亡层后存在有结构和物造面产生滑动时应采用改性剂与《特金网生物护坡技术》相结合较为理想。
六、CMA生态改性剂改性实验成果
为了检验CMA生态改性剂的效果，我们做了大量的室内试验和室外工程实体试验，发现经过改性后的膨胀土，自由膨胀率、膨胀量、膨胀力、线缩率、收缩系数各有明显的下降，缩限呈明显上升趋势，CBR和无侧限抗压强度大幅度提高。
同时做了与石灰：
卜相比较的长期泡水试验，其各项指标明显比石灰土表现平稳。
在此基础上我们选取了不同性质和强度的膨月长性岩土路基和边坡进行了改性试验。
下面简要介绍其中的一部分：
1、膨胀土填方路堤的改性处理
K40+826：
5桥头上路床填筑，南台K40+?
30一K40十804：
5～K40十960＼由于未能及时刑K39+800右30m处取土样的变化进行准确的判断，上路床最后两层填土碾压完成后，出现网裂现象，裂纹深度最大部分达20cm，宽度最大达1cm，经发现后，要求对两桥头网裂范围填土路基进行改性处理。
所用土为K39+930取土场土。
该土样土工性质风下表：
K39+930土样性质
天然含水量
颗粒分析
〈2ｍｍ含量
WL（%）
WP（%）
IP
20.1
71.8
48.3
34.5
13.8
最大干密度
最佳含水量
CBR0.95（%）
膨胀量0.95（%）
吸水量0.95（g）
1.75
20.2
8.9
1.72
162
按模糊综合评判法，该土评判指数48.3，为弱膨胀土。
据地质勘察资料，该土为第四系残积粘土层（Q4e1），紫红色，以粘土为主，含少量铁锰质结核及砾石，C＝75kp，a＝23°，自由膨胀率为65，8％。
改性方案一：
向裂缝内浇灌CMA溶液，灌入剂量以灌至不能再灌入为止（水满
出不再渗入即可）：
12h后，用振动压路机碾压3~4遍，使填土密实，
裂缝闭合。
改性方案二：
将网裂范围内土层翻松至裂纹深度（翻挖的最小层厚不能小于]0
cm）；按土的1％的重量比掺加石灰并拌合均匀，喷洒CMA溶液，仗土达到最佳含水量+3％，拌匀后用平地机整平。
用40T以上振动压路机碾压，至压实度合格为止。
改性后土样的土工性质如表：
改良后土样的土工性质
颗粒分析
〈2ｍｍ含量
WL（%）
WP（%）
IP
最佳含水量（%）
71.5
43.0
32.3
10.7
17.3
最大干密度（g/cm3）
CBR0.95（%）
膨胀量0.95（%）
吸水量0.95（g）
1.80
90.2
0.26
95
可看出，改性后，土的最大干密度增大，CBR值增幅较高，而膨胀量降低，液限降低5，3％，IP降低3，1，用模糊综合评判法对其进行评判，评判指数为35，1，为非膨胀土。
改良后，没有出现开裂现象。
该路段经检验，回弹弯沉值为95（0，01mm），允许：
回弹弯沉值为304<0，01mm），压实度平均值为97．1％，符：
合检验标准的要求。
2、CMA生态改性剂对膨胀土挖方边坡的改性处理，
为了切实的显示CMA溶液的改性效果，消除人们的疑虑，我们将膨胀土质边坡率设计‘为1：
1，75，防护型式设计为砖砌人型骨架，将强风化膨胀岩质边坡防护型式设计为衬砌拱。
（实践证明改性后膨胀土为正常I：
，可以取消防护结构）。
对原土进行取样，做掺配实后，再进行实体改性处理。
（1）掺配实验
验试验土样的物理性质
取様桩号
颗粒分析
最大二干密度（g/cm3）
液 限WL（%）
液 限WP（%）
自由膨胀率（%）
剪切强度
〉2mm%
〈0.074m
C（kpa）Φ（°）
K20+800
6.2
85.7
1.75
46.0
25
72
94
17.9
K32+615
15.3
57.7
1.82
58.9
21.7
65
122.5
24.2
K32+615
8.5
79.5
1.94
32.5
16.0
78
64
19.0
液限、塑限土様的物理性质
取様桩号
扰动土
掺配一次
掺配二次
掺配三次
WL
WP
WL
WP
WL
WP
WL
WP
K20+800
46.0
25.0
42.5
28.3
41.35
29.0
39.0
29.6
K32+615
68.9
21.7
60.3
25.7
58.2
24.3
56.6
23.0
K49+910
32.5
16.0
30.6
19.0
30.4
21.0
25.5
21.3
掺配CMA溶液自由膨胀试验结果对比表
类 别
土 样
自由膨胀率（%）
扰动土
掺配一次
K20+800（夹黑色）
72
46
K32+615（棕红色）
65
34
K49+910（膨胀泥岩）
78
48
无侧限抗压强度试验：
土样按击实试验（T0131—93）方法制备，试模为7.1cmX6.9cm
的无侧限抗强度试模，按95％的密实度压模成型，放室内自然养护7天后抗压至破坏。
试验结果证明，掺配CMA混合溶液使膨胀土无侧限抗压强度大幅度提高，可为原状的2～3倍左右。
（2）边坡实体改性
以K32+620~十680左边坡防护实体工程。
CMA溶液对其改性，每
喷洒一次，用轻理触探仪对改性边坡进行动力触探捡验，得出承载力的变化。
对比试验结果见表：
K32+650对比试验结果
K32+630深50cm
天然含水量%
WL（%）
WP（%）
CBR0.95
（%）
膨胀量（%）
最大于密度
C（Kpa）
Φ（ °）
改良前
28.5
68.9
21.7
0.84
4.1
1.82
122.5
24.2
改良后
23.5
55.8
21.3
4.5
3.2
1.84
287
22.5
由上表可见，注入改性剂后边坡土体各项指标均有不同程度的改善，特别是C值提；葛的最为明显。
渗透影响浓度试验结果
取样深度
（%）
改良前
0
20
50
80
100
150
WL
68.9
55.8
65.5
58.5
60.5
62.1
68.2
WP
21.7
28.5
28.0
27.2
26.7
25.1
21.8
IP
47.2
27.3
28.5
21.3
33.8
37.0
46.4
通过以上试验，可以看出在大气急剧风化影响范围内改性后土的各项指标明显改善，从98年8月至今已有四年多，经历丁几个雨季和早季，边坡稳定，经测试各项指标保持稳定、液限呈平缓下降趋势。
承载力试验果
K32+615
改良前
掺配一次
掺配二次
掺配三次
掺配四次
锤击次数
18
42
52
60
62
承载力
（t/m2
12.4
34
44
52
54
从试验结果看出，随着喷洒次数的增加，天然承载力逐步增加较
大，但三次与四次的变化不大，说明最佳喷洒次数是3～4次。
该方法使用对于提高构造物天然地基基础的承载力有明显效果，经过——年多的观察、测试、地基承载力在短时间内达到一定值后趋于平稳，表明水稳性极好。
七、结论
CMA生态改性剂与施工技术，应用范围广，适用性强，又属环保产品。
它的研制成功，是工程界治理膨胀土技术上的重大突破，解决了工程建设中的一大技术难题。
推广该技术应用，对加快工程建设，
确保工程质量，具有深远的意义，有较好的经济效益和社会效益。
中财科贸公司秉承“科技创新，以人为本”的经营理念，不断开发新产品、新技术、新工艺，竭诚为广大客户服务，为我国新型材料科技开发与应用作贡献。
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