膨脹土填筑路基的改良與施工技術(shù)探討

摘 要 本文探討了膨脹土的特性和常規(guī)處理方法，并以某高速公路路基膨脹土為研究對象，分別以石灰、水泥等作為添加物進(jìn)行膨脹土的改良試驗(yàn)，結(jié)果表明使用石灰作為改良添加物在經(jīng)濟(jì)上和效果上都最為理想。在選定了膨脹土改良添加物的基礎(chǔ)上，依據(jù)路基的不同膨脹特性，按弱膨脹土和中等膨脹土分別設(shè)計(jì)了施工措施。

關(guān)鍵詞 膨脹土；路基；改良；施工技術(shù)

中圖分類號(hào) U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-9671-(2012)052-0102-02

1 膨脹土特性及其常規(guī)處理方法

我國是膨脹土分布最廣的國家之一，大量的公路和鐵路都建筑在膨脹土路基上。由于膨脹土路基容易發(fā)生沉降、滑坡等毀壞，每年在處理膨脹土路基上的投資都很大，由膨脹土所引起的問題已經(jīng)成為路基處理中的重要問題之一。

從物理特性上看，膨脹土屬于粘土的一種，所含的礦物成分對濕度的狀態(tài)變化敏感，容易隨著濕度的變化而發(fā)生形變，從而造成結(jié)構(gòu)上的破壞。膨脹土在濕度增加時(shí)表現(xiàn)為膨脹，在干燥失水時(shí)主要表現(xiàn)為收縮裂縫。因此在進(jìn)行膨脹土路基的處理主要針對這種濕度變化敏感的特性展開。為了減小膨脹土隨濕度變化敏感的特性，早期的研究主要是通過在路基中添加如石灰等具有吸水特性的材料來進(jìn)行改良，雖然這種改良方式可以取得較好的效果，但其中的機(jī)理并不十分明確。由于膨脹土是一類對濕度敏感的粘土的統(tǒng)稱，不同地區(qū)和礦物組成的膨脹土物理特性差異較為明顯，因此在進(jìn)行膨脹土的處理時(shí)大多采用因地制宜的試驗(yàn)方法來進(jìn)行研究和改良，但加入石灰的方式仍然是主流。從施工工藝的角度看，由于膨脹土屬于高液限粘土，本身含水量較大，且不易散開，在添加石灰時(shí)混合的均勻性較難達(dá)到，因此對施工工藝和設(shè)備的要求較高。

綜上所述，在進(jìn)行膨脹土路基的處理時(shí)主要是要處理兩個(gè)方面的問題：一是用石灰作為添加劑時(shí)與膨脹土的拌合問題；二是對拌合效果的質(zhì)量控制問題。本文將就這兩類問題展開研究。

2 膨脹土的改良試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)用膨脹土概況

為便于論述，以某地高速公路膨脹土路基為對象。該地區(qū)的膨脹土為復(fù)合型膨脹土，上層主要為第四紀(jì)上更新統(tǒng)粘土、中更新統(tǒng)粘土以及亞粘土，下層主要為下更新統(tǒng)粘土。上層粘土為高液限和低液限粘土的混合型，下層粘土為高液限粘土，總體而言該地膨脹土的膨脹特性弱膨脹性至中膨脹性。經(jīng)過初步測算，該地膨脹土的自由膨脹率大致在40%~80%之間，屬弱~中等膨脹土。在對膨脹土樣本取樣后用X-衍射法測定其礦物成分主要為石英，含量約為70%，其次為高嶺土和蒙脫石的混合物，含量約為20%，其他礦物成分含量約為10%。

2.2 試驗(yàn)方法和取樣

在以上膨脹土基本特性了解的前提下，按照我國《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定來進(jìn)行相應(yīng)的改良試驗(yàn)。在試驗(yàn)中選用了聯(lián)合液塑限儀來測定該膨脹土的液限和塑限。在進(jìn)行擊實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)選用的擊實(shí)錘為重4.5 kg、落距40 cm和重2.5 kg、落距30 cm兩種規(guī)格的擊實(shí)錘和落距進(jìn)行擊實(shí)實(shí)驗(yàn)。在路基原址不同深度提取40個(gè)土樣，在各深度的土樣中再分別提取5個(gè)子土樣。對以上共200個(gè)土樣，分別檢測土的容重、無荷載線膨脹率、線縮率、50 kPa有荷載膨脹率.、膨脹力等5個(gè)膨脹性指標(biāo)，用余下的原狀土樣碾散后檢測自由膨脹率、液限、塑限等物理指標(biāo)。

2.3 試驗(yàn)方案

進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)的目的在于配合室外的路基施工，因此在制定試驗(yàn)方案時(shí)就以盡可能接近實(shí)際施工作為試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即進(jìn)行原土樣分析、組合試驗(yàn)和改良試驗(yàn)三個(gè)階段的試驗(yàn)，按實(shí)際需要，擬定了以下四組不同的添加方案：膨脹土添加石灰方案（石灰摻量3%~8%）、膨脹土添加水泥方案（水泥摻量2%~6%）、膨脹土添加粉煤灰方案（粉煤灰摻量10%~15%）和混合方案（為上述三類添加物的兩兩組合方案）。對以上類中參合方案均采用靜壓成型并養(yǎng)護(hù)7天后測定荷載膨脹率。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1 膨脹土添加石灰方案

該方案中隨著添加石灰量的增加，無荷載膨脹率降低較為明顯，且相同摻灰量情況下，強(qiáng)膨脹土的膨脹率降低較中、弱膨脹土的膨脹率明顯，摻加石灰量大于等于6%時(shí)，中膨脹土和強(qiáng)膨脹土的膨脹率趨近于一致。

2.4.2 膨脹土添加水泥方案

當(dāng)水泥添加量小于4%時(shí)，無荷載膨脹率呈線性顯著降低，達(dá)到4%后，增加水泥用量對無荷載膨脹率影響不明顯，總體效果不如添加石灰方案顯著。

2.4.3 膨脹土添加粉煤灰方案

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著粉煤灰摻加量的增加，膨脹土的無荷載膨脹率近似線性減小，摻粉煤灰后膨脹土的膨脹性略有減小，但減小幅度不大，改善效果不理想。

2.4.4 混合方案

摻水泥量為3%、4%、5%，摻石灰量為4%、5%、6%，摻粉煤灰量為15%、19%，分別選用兩組改性材料組合進(jìn)行50kPa有荷膨脹率試驗(yàn)和收縮率試驗(yàn)，結(jié)果表明雙組分改性與相應(yīng)的單組分改性相比，改性效果不明顯。

綜上各類試驗(yàn)結(jié)果，可見采用石灰和水泥作為添加物的改善效果最明顯，但出于經(jīng)濟(jì)性考慮，選擇添加石灰的方案更為

可行。

3 施工設(shè)計(jì)

在進(jìn)行膨脹土路段的施工設(shè)計(jì)時(shí)，從節(jié)約施工成本的角度出發(fā)，采用了三類主要的處理方式：換土回填、濕度控制和加入石灰改良。由于待處理的路段膨脹土屬于弱~中等的膨脹土，因此在進(jìn)行具體的施工處理時(shí)，按照不同的膨脹土特性采用相應(yīng)的處理措施。三類處理方式的設(shè)計(jì)概況分別為：①換土回填方式：在膨脹土膨脹特性較強(qiáng)的路段，主要采用換土回填的方式，在原膨脹土路基基礎(chǔ)上開挖0.5 m~1.5 m，具體的換土深度取決于土體含水量，再換填非膨脹土或砂礫土，必要時(shí)換填經(jīng)過石灰改良后的膨脹土；②濕度控制方式：在具體工程中采用預(yù)濕法，即將開挖出的膨脹土經(jīng)過晾曬等手段將濕度控制在一定的范圍，再利用鋪設(shè)土工布的方式來減小膨脹土路基含水量對外界的敏感程度；③改良處理：根據(jù)膨脹土的試驗(yàn)特性，添加一定比例的石灰進(jìn)行改良后回填。這類處理方式主要用于中等膨脹土路段。由于路段的膨脹土特性存在差異，因此為了節(jié)約施工成本，按不同的膨脹土特性分別采用不同的處理方式，各處理方式簡述如下。

3.1 弱膨脹土路段的填筑處理

在弱膨脹土路段，對路堤和路基采用不同的處理方式。具體措施分別為：路堤的處理以實(shí)際路堤邊坡高度為參考，當(dāng)路堤高度在6 m以下時(shí)，采用晾干48 h的弱膨脹土填筑，外加1 m~2 m厚的非膨脹土外包層，當(dāng)路堤高度在1米以下時(shí)，全部采用非膨脹土回填處理并壓實(shí)。當(dāng)路堤邊坡高度超過6 m時(shí)，在弱膨脹土中添加一定比例的石灰（添加比例在3%~5%，按改良試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行添加）進(jìn)行改良后填筑，外包1 m~1.5 m的非膨脹土外包層。在進(jìn)行弱膨脹土路段的路基處理時(shí)，為節(jié)約成本，采用開挖50 cm并回填非膨脹土的方式進(jìn)行處理。

3.2 中等膨脹土路段的填筑處理

對于中等膨脹土路段的處理要求更為嚴(yán)格，原則上應(yīng)將經(jīng)過改良后的土壤進(jìn)行填筑，但從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，盡量采用濕度控制的方式以節(jié)約施工成本。對于路床厚度超過1 m的路段采用經(jīng)過改良后的土壤進(jìn)行填筑，在就近可以獲得非膨脹土的工地采用開挖換填非膨脹土的方式，對于厚度超過70 cm的路堤也采用類似的處理方式。在路堤施工完成后在表面輔以拱形骨架并在其空隙內(nèi)種植植被，或采用漿砌石塊的方式對邊坡進(jìn)行保護(hù)。對路塹也采用類似的處理方式。

4 結(jié)束語

膨脹土的改良是值得進(jìn)一步研究的重要問題，其研究成果在膨脹土路段的路面施工中發(fā)揮重要作用。目前膨脹土主要的改良方式是采用加添石灰的方式，但仍需要進(jìn)一步研究其他的改良方式對膨脹土膨脹特性的改良效果。膨脹土路段的施工技術(shù)仍然是需要進(jìn)一步研究的問題，但應(yīng)當(dāng)考慮到施工技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和可操作性。

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