膨胀土地基的处理.docx

1、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。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

2、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（ %）（ %）（ %）（% ）10025强膨胀土40 607 14弱膨胀土60 10014 25中膨胀土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 Fs40%，液限Wl 40

3、%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)NH 4 。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。精品文库表 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 0.002mm 自由膨胀率 膨胀总量矿物成分 黏粒含

4、量 （ %） （ %）（ %）灰白、灰绿色，黏土细腻，滑感特强，网状强膨胀土 裂隙极发育，有蜡面，易风华成细粒状、鳞片状蒙脱石50904伊利石以综、红、灰色为主，蒙脱石黏土中含少量粉砂，滑伊利石35 5065902 4中膨胀土感较强，裂隙较发育，易风化成碎粒状，含钙质结核黄褐色为主，黏土中蒙脱石含较多粉砂，有滑感，伊利石3540650.7 2.0弱膨胀土裂隙发育，易风华成碎高岭石粒状，含较多钙质结核或铁锰质结核注 :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

5、。 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 252，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

6、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。标欢迎下载 2精品文库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Ws2.52.5ws4.84.8ws6.86.8wsws（% ）塑性指标 Ip（ %）Ip1515Ip3030Ip4545Ip自由膨胀率 Fs（ %）Fs4040Fs60

7、60Fs9090Fs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

8、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

9、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。欢迎下载 3精品文库采用隔水封闭措施，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

10、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

11、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

12、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 CBR8。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欢迎下载 4精品文库基的承载力；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

13、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 (cementationor pozzolanic reaction)。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

14、 )，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 0.050.005mm 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：CaO + H 2O = Ca(OH )2Ca(O

15、H )2 +CO2 = CaCO 3 + H 2OCaCO3：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

16、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 :大于等于 lm 高度路堤的基底换填与掺灰改性设计；欢迎下载 5精品文库挖方路段，包括小于 lm 高度填方、零填方路段的换填与掺灰改性设计；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 。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

17、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、方便，对初步确定填筑路堤基底的强度与变形具有非常重要的意义。 一般来讲，将建筑部门的地基允许承载力用于公路路堤基底偏于保守或不经济。膨胀土软基承载力确定与使用膨胀土软基承载力可通过荷载试验法、 计算法、经验法确定。 荷载试验宜采用浸水荷载试验。 计算法采用三轴不排水快剪试验确定土的抗剪强度， 再根据国家现行的岩土工程勘察规范或建筑地基基础设计规范计

18、算地基的承载力。 经验法可参考规范 10对于一般工程经验确定值。承载力确定后，可根据式 (3 1)初步判断膨胀土软基的强度与变形是否满足路堤的要求：fk p p h em（3 1）式中： h 路堤高度， m；3em 路堤填土平均重度， kN/m ；Pp 路面压强， kPa；fk 膨胀土软基承载力， kPa。若根据上式初步判断膨胀土软基不满足要求，则需按规范 10 中要求，进行稳定验算与沉降计算，来进一步确定其强度与变形是否满足要求。换填材料选择或改性膨胀土掺灰率设计换填材料可选用强度较大、水稳性及透水性好的圆砾、角砾、碎石、砂土、砂性土，也可选用无侵害性、无环境污染，且工程性质符合要求的矿渣、

19、煤渣等材料。受取土条件限制时，也可使用无病害黏性土。但使用黏性土时，应作好地下排水设计，如路基渗沟设计等。膨胀上改性掺灰量通过 CBR 击实试验确定。采用重型标准击实试验时，要求 85%压实度时， CBR 值大于 8。一般 3%的掺灰率，各种膨胀土均可达到上述欢迎下载 6精品文库要求。与采用勃性土换填类似， 采用膨胀土掺灰改性措施时， 应作好地下排水设计，如路基渗沟的设计等。换填或掺灰改性厚度确定采用换填浅层掺灰改性措施时， 宜将浅层的膨胀土软基全部挖出， 直至承载力满足要求的下卧层。 从施工角度考虑， 一般要求换填或膨胀土掺灰改性深度不超过 3.0m。换填宽度与路堤基底宽度一致。挖方路段及小

20、于 lm 高度填方路段的换填与掺灰改性设计换填材料选择或改性膨胀土掺灰率设计换填材料一般选用压实度、强度 (CBR 值 )、最大粒径可达到规范 10要求且稳定性能好的无病害土，包括碎石、砂土、砂性土、豁性土等，也可选用无侵害性、无环境污染，且工程性质附和要求的矿渣、煤渣等材料。膨胀土掺灰量通过灰土的膨胀性试验与 CBR 击实试验确定，以完全消除膨胀性，且 CBR 值达到规范要求时的掺灰量为设计标准掺灰量。国内外已有的研究成果表明， 虽然膨胀土的种类存在差异， 但改性膨胀土的最优掺灰率变化不大， 一般介于 3% 8%之间。掺灰膨胀土的强度提高先于膨胀性改善。当掺灰率达到 3%时，改性土的强度发生

21、显著提高；当掺灰率为 5%时，膨胀性才会有显著消弱。此外，由于掺灰改性土的工程性质的特殊性，本设计建议：掺灰膨胀土混合料应在样品养护 13d 后进行击实试验，来确定最大干容重与最佳含水量。由于石灰土的强度和变形模量均比一般天然土高很多， 在满足强度与变形要求的前提下，掺灰改性土的压实可以低于上路床填土的压实度，即低于 95% 的压实度。一般而言，采用重型击实标准时， 灰土的 85%压实度即可满足路床的强度与变形要求。换填或掺灰改性厚度确定规范 11中规定：高速公路及一、 二级公路路基填土高度小于路面与路床的总厚度，基底为膨胀土时，宜挖除地表 0.30.6m 的膨胀土，并将路床换填非膨胀土或掺灰

22、处理。换填或掺灰改性厚度可以通过非扰动土有荷载膨胀量试验确定。 试验取地表下 80cm 深处天然含水量非扰动土进行。通过系列有荷载膨胀量试验，可以求得试样在 1%膨胀量变形时的膨胀力，该膨胀力称作膨胀力标准值。可换填或掺灰改性厚度以式 (3-2)计算确定。若计算值小于 30cm，则取 30cm。h pe pp h（3 2）欢迎下载 7精品文库式中： h 设计换填土或掺灰改性土的厚度， m；pe 换填土层或掺灰改性土层底面下膨胀土的膨胀力标准值 (试样在1%膨胀量变形时的膨胀力 )，kPa；p p 路面结构层压强， kPa；h压实后换填土层或掺灰改性土层容重， kN/m3。3.4 石灰桩或灰土桩

23、法石灰桩是房屋建筑部门常用的地基处理方法。 它采用机械或人工方法在地基或堑坡中成孔， 然后灌人生石灰或生石灰与粉煤灰、 火山灰、水泥等的掺和料及少量外加剂，并振密或夯实而形成桩体。 石灰桩与经改良的桩周土组成石灰桩复合地基，以支撑上部建筑物。石灰桩的加固深度可以从几米到十几米。本章的石灰桩法主要用于公路路堤的膨胀土基底加固或膨胀土堑坡的稳定性加固。用于公路膨胀土地基处理的石灰桩与房屋建筑使用的石灰桩， 在工作机理与设计计算上略有差异。 用于公路膨胀堑坡稳定的石灰桩更偏重于石灰对膨胀土的改性作用。 因而，稳定膨胀土堑坡的石灰桩较建筑地基处理的石灰桩孔径更小，桩体更密。3.4.1 原理与适用范围石

24、灰桩既适用于厚度超过 2.0m 的膨胀土软基，也适用于弱与中等膨胀土开挖堑坡。但两者的加固原理与设计原则存在一定差异。 用于处理膨胀土软基的石灰桩一般为 210m。1.石灰桩加固膨胀土软基原理石灰桩对膨胀土软基的加固原理可归纳为： 桩周土的改性与胶结作用、 置换作用、排水固结作用、桩与桩间土的高温效应、膨胀挤密作用。桩周土的改性与胶结加固作用桩孔中的生石灰与桩周接触的膨胀土会发生离子交换、化学与凝胶反应等，从而对桩周膨胀土起到改性与胶结加固作用。 石灰对膨胀土的改性机理具体参看上节的“石灰改性膨胀土的机理” 。在天津清代道台衙门旧址建筑物下曾发现石灰桩对土的胶结作用证据。 该桩长 3050cm

25、 不等，性状上大下小，如钟形。发现时，桩中心仍然呈软膏状，但桩周约 2cm 的土却形成了一层坚硬的外壳，近于陶土的色调。生石灰对膨胀土的改性作用范围更宽。置换作用石灰桩较桩间土具有更大的强度 (抗压强度约 500kPa)，其作为竖向增强体与欢迎下载 8精品文库桩间土形成复合地基。 石灰桩在复合地基中发挥着桩体作用。 当承受荷载时， 刚度较大的桩承担较大的应力，约分担了 30%的荷载 (在正常置换比下 )。根据国内实测数据，石灰桩复合地基的桩土应力比一般为 2.55.0。石灰桩这种置换作用在膨胀土地基具有独特功用。 当桩间浅层膨胀土吸水膨胀时，桩分担的荷载将部分退还转移给周围的膨胀土， 从而抑制

26、浅层膨胀土的胀缩变形。排水固结作用试验表明，石灰桩体的渗透系数一般为 10-510-3cm/s，相当于细砂的渗透系数。由于石灰桩间距较小 (一般为 23 倍桩体直径 )，水平路径很短，具有很好的排水固结作用。 从建筑物沉降观测记录表明， 建筑竣工使用时， 其沉降已基本稳定，沉降速率在 0.04mm/d 左右。当桩体掺和料采用煤渣、 矿渣、钢渣等粗颗粒料时， 排水固结作用更加明显。桩与桩间土的高温效应软基膨胀土含水量较高。 1kg 生石灰的消解反应要吸收 0.32kg 的水，同时放出 1164kJ 的热量。加掺和料的石灰桩，桩内温度可高达 200300，桩间土的温度最高可达到 40 50，从而使

27、膨胀土产生一定的汽化脱水，膨胀土中含水量下降，土粒靠拢挤密，强度提高。膨胀挤密作用石灰桩的生石灰吸水膨胀， 使桩间膨胀软土受到强大的挤压力， 这对地下水位以下软土的挤密起主导作用。 测试结果表明， 自然状态下， 生石灰熟化后的体积可增加到原来的 1.53.5 倍，质量好的一等钙石灰的体胀约为 33.5 倍。2.石灰桩稳定膨胀土堑坡原理石灰桩对膨胀土堑坡的稳定原理可归纳为： 桩周膨胀土的改性作用， 边坡的分隔加固作用、排水作用。桩周膨胀土的改性作用石灰对膨胀土的改性机理具体参看上节的“石灰改性膨胀土的机理” ，用于稳定膨胀土石灰桩具有桩径小、 桩体密的特点。 这样，生石灰对桩周的膨胀土改性作用面

28、积大大增加。以生石灰离子在膨胀土中渗透与影响距离 15cm 计算，则桩径 15cm、桩距 60cm、正三角形排列的石灰桩，其换土与膨胀土改性总面积可达 51%。桩周膨胀土的改性作用与桩本身的换土作用， 较好地增强了膨胀土堑坡浅层土体的整体强度，改善了整体的胀缩性。边坡表层的分隔加固作用由于膨胀土中大量地、不均匀地分布着各种尺寸的结构面 (如裂隙、构造软欢迎下载 9精品文库弱面、断裂滑面 )，使其路堑边坡破坏并表现出某些随机性质，既可以发生在坡脚、玻腰或坡顶，也可以发生在任何局部地段。针对这种局部破坏， 有效的防护措施就是分隔支护。 堑坡上的石灰桩以自身为结点，组成一个类似于三角形网格状结构，

29、将堑坡的浅层膨胀土分隔加固， 可以有效地阻止膨胀土的随机局部破坏和边坡的分级逐次破坏。 分隔加固的优点在于，即使某一个网内的膨胀土发生变形与破坏， 也不会将这种变形与破坏扩散到其他部位，极大地减少了膨胀土浅层病害的发生规模与次数。排水作用石灰桩体的渗透系数一般为 10-510-3cm/s，相当于细砂的渗透系数。这样，堑坡某一部位土体中的渗水很快可以通过其下游的石灰桩顺利排出， 从而减少了土中积水引发的膨胀土变形与破坏。3.4.2 设计计算用于公路膨胀土地基处理的石灰桩设计分为 3 种类型：挖方路段膨胀土堑坡加固的石灰桩设计；填方路段膨胀土软基的石灰桩加固设计；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10 。膨胀土堑坡加固的石灰桩设计计算石灰桩设计材料选用新鲜的生石灰， 并需过筛，一般要求石灰粒径 20mm 左右，含粉量不得超过总重量的 20%，Ca0 含量不得低于 70%，夹石含量不大于 5%。桩径的设计根据施工工艺确定，一般为 10 30cm。为了防止桩中心的软化现象，本设计建议取 15cm。灰土桩可取较大直径，建议取 30cm。桩距一般取 3.55 倍的桩径。具体设计时可根据膨胀土的膨胀性强弱及气候变化剧烈程度， 在此区间选择桩距。 弱膨胀土可选择桩径 5 倍的桩距，