談膨脹土工程特性及處治方法

譚練武 李 洪

(1.長(zhǎng)沙市規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007； 2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081)

談膨脹土工程特性及處治方法

譚練武1李 洪2

(1.長(zhǎng)沙市規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007； 2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081)

介紹了膨脹土的相關(guān)工程特性及其分類辦法，并對(duì)石灰處治、水泥處治、粉煤灰處治膨脹土等具體處治方法進(jìn)行了介紹和分析，推薦了一種合理的膨脹土路基結(jié)構(gòu)形式，并針對(duì)膨脹土問題自身的特點(diǎn)及其研究現(xiàn)狀提出了今后膨脹土問題研究的發(fā)展方向。

膨脹土，路基，結(jié)構(gòu)

1 概述

膨脹土是一種具有脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性的特殊粘土，同時(shí)具有顯著的吸水膨脹軟化和失水收縮開裂兩種變形特性的粘性土[1-3]，而蒙脫石和伊利石是粘性土的主要成分，它們具有強(qiáng)親水性。另外，因?yàn)榕蛎浲镣馏w中通常存在較多的裂隙并且這些裂隙在膨脹土體中分布雜亂無章，這種特殊的特性讓膨脹土對(duì)工程實(shí)體可能產(chǎn)生長(zhǎng)期的變形破壞而使建筑物長(zhǎng)期處于危險(xiǎn)狀態(tài)。因?yàn)榕蛎浲猎谌蚍秶鷥?nèi)分布非常廣泛，并時(shí)常引發(fā)各種工程問題和地質(zhì)災(zāi)害，給社會(huì)帶來了巨大的損失，使膨脹土的應(yīng)用問題成為世界性的工程建設(shè)技術(shù)難題。隨著我國交通運(yùn)輸系統(tǒng)的跨越式發(fā)展和公路工程建設(shè)范圍的地域性擴(kuò)展，膨脹土給公路建設(shè)帶來的危害日益顯著，膨脹土應(yīng)用及處治課題已經(jīng)成為當(dāng)前巖土工程與工程地質(zhì)領(lǐng)域中全球性的重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一[4]。

膨脹土在我國地域分布十分廣泛，以黃河流域及其以南地區(qū)較多，黃河流域以北相對(duì)較少。膨脹土是一種比較典型的不均勻的土、氣和水三相介質(zhì)，它在地表較淺的位置裂縫發(fā)育比較明顯，而且對(duì)氣候的敏感性很高。膨脹土的工程性質(zhì)受干濕程度的影響相當(dāng)大，土體吸水之后會(huì)發(fā)生軟化膨脹，同時(shí)伴隨著強(qiáng)度的大幅度下降；土體在飽水狀態(tài)下失水后體積會(huì)發(fā)生收縮，這種膨脹收縮過程會(huì)產(chǎn)生裂縫。膨脹土的這種脹縮特性，在土體含水量發(fā)生大幅變化時(shí)會(huì)表現(xiàn)得非常突出。反復(fù)循環(huán)的土體膨脹收縮不可避免的會(huì)引起膨脹土的松散，在土體表面形成不同大小和形狀的裂縫，而這種不規(guī)則的裂縫將為土體的風(fēng)化作用提供便利條件。同時(shí)，由于裂縫的存在，土體的吸水能力變差，土體中的水分容易蒸發(fā)，地表水也容易侵入土體。另一方面，裂縫的開展會(huì)影響土體的整體性，降低土體的強(qiáng)度和硬度。因此，氣候的反復(fù)變化加劇了土體中含水量的頻繁波動(dòng)以及膨脹土脹縮現(xiàn)象的反復(fù)產(chǎn)生，這也進(jìn)一步引起裂縫的尺寸增大以及深度上的發(fā)展，使此部分土體的強(qiáng)度大幅下降，從而形成風(fēng)化層。形成的風(fēng)化層的最大深度一般在氣候的影響深度范圍內(nèi)，約1.5 m～2.0 m，有的時(shí)候最大深度可達(dá)4.0 m[5]。由此可見，膨脹土的工程性質(zhì)主要受其含水量的影響，而當(dāng)含水量變化時(shí)便伴隨著土體工程性質(zhì)的變差。當(dāng)這種工程性質(zhì)較差的膨脹土要作為路基填筑土使用時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析和處理，以滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

2 膨脹土的判別與分類

在工程領(lǐng)域中，當(dāng)粘性土體的脹縮性能較大并且存在能夠危害建筑物的安全隱患，需要對(duì)這些潛在隱患進(jìn)行特殊的建筑設(shè)計(jì)和施工處理時(shí)，我們把它稱作膨脹土。所以，判別某種粘性土是否屬于工程意義上的膨脹土需要建立統(tǒng)一的界定標(biāo)準(zhǔn)。但是，對(duì)于不同的工程建筑，土體的脹縮性能的承受能力不同，所以在不同的建筑領(lǐng)域中膨脹土的界定標(biāo)準(zhǔn)也不完全相同。在現(xiàn)今工程領(lǐng)域中常用的兩種判別法是指標(biāo)判定法和綜合判定法。土體膨脹性、活動(dòng)性指數(shù)、壓實(shí)性指數(shù)、吸水指標(biāo)、自由膨脹率、膨脹率、線縮率、收縮系數(shù)等是指標(biāo)判別法中常用的判別指標(biāo)。但是由于影響粘性土膨脹性的因素十分復(fù)雜，尚無統(tǒng)一的單一指標(biāo)可以判別是否屬于膨脹土。依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，如果粘性土體的自由膨脹率大于40%，一般情況下可以認(rèn)為是膨脹土。所以，除應(yīng)用土體膨脹性等指標(biāo)可以對(duì)膨脹土進(jìn)行判別外，國家《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》規(guī)定土體的自由膨脹率不小于40%是認(rèn)定膨脹土的標(biāo)準(zhǔn)之一。但是，應(yīng)該特別提到的情況是，并不是所有的膨脹土的自由膨脹率都不小于40%，存在某種特定膨脹土膨脹率小于40%的情況[6]。由此可以看出，應(yīng)用單一指標(biāo)通常要判定某種粘性土是否為膨脹土比較困難，因此我國通常采用綜合法進(jìn)行膨脹土的判定。綜合判定法通常的做法是，首先從地質(zhì)、地貌等自然環(huán)境特征以及工程建筑經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，總結(jié)膨脹土地區(qū)的特點(diǎn)，初步判定是否屬于膨脹土地區(qū)，然后再結(jié)合主要相關(guān)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行綜合判別。

對(duì)膨脹土的分類工作是一個(gè)復(fù)雜的工作，目前尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。我國公路研究學(xué)者在研究各種膨脹土分類方法的適用性及其優(yōu)缺點(diǎn)、膨脹土體的工程特性、膨脹土區(qū)域的相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)以及它們之間可能存在的相關(guān)性，JTG D30-2004公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范在條文說明中提出了適用于公路路基的膨脹土判別方法，并且進(jìn)一步提出了膨脹土的膨脹潛能的分級(jí)參考標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范規(guī)定當(dāng)土體的性質(zhì)符合表中的任意兩項(xiàng)指標(biāo)時(shí)，該土體即可判定為膨脹土[7]。但是，該標(biāo)準(zhǔn)的使用性還有待進(jìn)一步工程經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)它的膨脹潛能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)也需要更多的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)以及工程案例加以佐證[8]。在《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》的膨脹土判別方法中采用自由膨脹率、標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率、塑性指數(shù)等3項(xiàng)指標(biāo)作為判別參考指標(biāo)(見表1)。其中，標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率是在標(biāo)準(zhǔn)溫度(通常為25 ℃)和標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度下(通常為60%)，膨脹土試樣養(yǎng)護(hù)至恒重后的土體含水量。標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與比表面積、陽離子交換量、蒙脫石含量之間存在線性相關(guān)的關(guān)系。膨脹土的膨脹潛能的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，其中非膨脹土是指土的膨脹特性未達(dá)到定義為膨脹土的程度。

表1 膨脹土的判別指標(biāo)

表2 膨脹土的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 膨脹土處理辦法及相關(guān)性能研究現(xiàn)狀

3.1 石灰處治膨脹土

在公路工程中，石灰是膨脹土路基常用的處治材料。石灰是一種典型的水硬性無機(jī)膠結(jié)材料，在空氣和水中均能夠發(fā)生硬化。當(dāng)石灰加入膨脹土后，石灰顆粒和膨脹土體之間會(huì)發(fā)生一系列的物化反應(yīng)，這種物化反應(yīng)將使得膨脹土體隨含水量變化發(fā)生的脹縮特性有所改善，并將改良土體的整體性和強(qiáng)度等力學(xué)性能，使之滿足高等級(jí)公路的要求。膨脹土經(jīng)石灰處治后，膨脹土土體性質(zhì)發(fā)生根本改變，這些物理化學(xué)反應(yīng)不僅可以改變土體的膨脹潛能，同時(shí)還會(huì)從根本上改變土體的吸濕特性。

根據(jù)現(xiàn)有石灰處治膨脹土的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)，石灰對(duì)膨脹土的改性效果非常明顯。當(dāng)石灰的含量適當(dāng)(通常石灰含量大于4%)并且拌合充分的情況下，經(jīng)石灰處治后的膨脹土的工程力學(xué)性能和一般的非膨脹土無異。依據(jù)處治經(jīng)驗(yàn)，膨脹土體的液限、自由膨脹率和小于0.002 mm的粘粒隨著石灰的含量增大而顯著降低，同時(shí)土體的塑限會(huì)不斷增大。在特定的膨脹土處理工程應(yīng)用中，選擇合適的石灰含量不僅需要考慮土體自身的最佳含水量和最大干容重，還需要滿足處治土的壓實(shí)度和強(qiáng)度等力學(xué)性能的要求。通常為了保證處治效果，處治膨脹土的石灰含量宜為6%，此時(shí)的石灰處治膨脹土路基的動(dòng)強(qiáng)度能夠較好的滿足交通荷載長(zhǎng)期影響。另外，相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明石灰處治膨脹土強(qiáng)度隨著試件養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)而非線性增大，前期增加速率較快，當(dāng)齡期超過60 d后增長(zhǎng)速率變緩并趨于穩(wěn)定。處治膨脹土的固結(jié)不排水剪三軸試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)大于原膨脹土[5]。相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究與工程實(shí)踐表明，石灰處治是一種較好的膨脹土改良方式，現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用于實(shí)際工程中。

3.2 水泥處治膨脹土

水泥是一種良好的礦物膠凝材料，不但可以在空氣中硬化還能更好的在水中硬化，保持并繼續(xù)增長(zhǎng)強(qiáng)度。膨脹土加入水泥后，膨脹土和水泥會(huì)經(jīng)歷一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使膨脹土的脹縮性降低，工程特性得到提升。在水泥處治膨脹土?xí)r，在一定范圍內(nèi)膨脹土的改良效果隨著水泥含量增大而不斷改善，當(dāng)水泥的含量較大時(shí)，膨脹土改良效果的提高速率隨著水泥含量的增大而逐漸變緩，最后土體的改善效果趨于穩(wěn)定。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，水泥處治膨脹土的水泥在膨脹土中的最佳摻量為6%，當(dāng)膨脹土的膨脹性較弱時(shí)最佳水泥摻量為4%，和石灰處治膨脹土有一定的相似性。經(jīng)水泥處治的膨脹土在力學(xué)性能上和不經(jīng)處治的素膨脹土存在較大的差異：一般素膨脹土的強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的提高而不斷提高，最后趨于平緩穩(wěn)定，在此工程中不會(huì)表現(xiàn)出明顯的變化峰值，具有這種變化趨勢(shì)的土體通常被稱為硬化型土；處治后的膨脹土在強(qiáng)度變化時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的峰值，表現(xiàn)出明顯的軟化型土性質(zhì)。水泥處治的膨脹土的強(qiáng)度主要來源于土體自身的粘聚力、內(nèi)摩擦角以及水泥強(qiáng)度骨架，在強(qiáng)度成分組成中分子間吸引力所占的比例相對(duì)較小，而在不經(jīng)處治的膨脹土土體中分子間吸引力所占的比例很大。另一方面，膨脹土經(jīng)水泥處治后，由于水泥骨架的存在增大了土體內(nèi)部的密實(shí)程度，改性土在剪切過程中豎向變形均表現(xiàn)為剪脹，而素膨脹土均為減縮[9]。

水泥在膨脹土處治的應(yīng)用中相對(duì)石灰處治較少，它同樣可以達(dá)到降低膨脹土脹縮性，提高強(qiáng)度的目的，在工程實(shí)踐中也有較為廣泛的應(yīng)用。

3.3 粉煤灰處治膨脹土

粉煤灰改良作為地基的一種處理方法，越來越廣泛地應(yīng)用于公路路基的建設(shè)中。相比石灰處治膨脹土和水泥處治膨脹土而言，粉煤灰處治膨脹土的靜態(tài)力學(xué)性能隨處治成分(石灰、水泥、粉煤灰)含量的變化更具有規(guī)律性。膨脹土經(jīng)粉煤灰處治后土體的最佳擊實(shí)效果的含水率范圍會(huì)增大，表現(xiàn)出膨脹土水穩(wěn)定性的改善[10]，同時(shí)膨脹土的活性指數(shù)以及脹縮性指標(biāo)也會(huì)隨著粉煤灰摻量的增加而不斷降低[11]。在具體的膨脹土處治應(yīng)用中，也存在采用石灰和粉煤灰的混合改良方法，這種經(jīng)混合料改良的膨脹土，液限、塑限比膨脹土的大，同樣應(yīng)力應(yīng)變曲線也呈現(xiàn)出軟化型，并且膨脹土中土體顆粒間粘聚力會(huì)增大而土體內(nèi)摩擦角則會(huì)相對(duì)減小[12]，土體的強(qiáng)度指標(biāo)會(huì)隨著混合料中石灰含量比例的提高而增大[13]。同時(shí)，經(jīng)粉煤灰處治的膨脹土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能也隨著粉煤灰的摻入量的增大而發(fā)生變化。雖然，在公路工程中主要荷載施加體車輛在運(yùn)行過程中速度不斷發(fā)生變化，但由于車速變化所引起的路基彈性變形較小，因此路基土體動(dòng)強(qiáng)度研究主要集中在載荷循環(huán)效應(yīng)上。而粉煤灰的摻入劑量和路基土體的壓實(shí)程度是循環(huán)載荷作用時(shí)，改善膨脹土臨界動(dòng)應(yīng)力的決定性因素[14]。因此，適當(dāng)?shù)膿饺敕勖夯铱梢燥@著的改善膨脹土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)，從而達(dá)到改良膨脹土的目的。

粉煤灰處治相比石灰處治和水泥處治更具環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，它的材料資源一般主要來源于工業(yè)廢料，因此它具有實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)保性等等多種優(yōu)勢(shì)，可以更多的推薦使用在膨脹土的處治應(yīng)用中。

3.4 膨脹土路基采用合理的路堤結(jié)構(gòu)形式

膨脹土在用于填筑公路路基時(shí)需要充分考慮自身脹縮特性的影響，通過采用合理的處治或者填筑形式使之滿足壓實(shí)度和加州承載比CBR值的相關(guān)規(guī)定?；趯?duì)膨脹土性質(zhì)的分析，膨脹土路堤可以采用直填法。當(dāng)路堤較高時(shí)在路堤中部增加1層～2層石灰改性土層，現(xiàn)推薦如圖1所示的一種填筑方式，此種填筑方式可以較好的控制填筑要求[15]。

使用更加合理的結(jié)構(gòu)填筑形式，可以在另一方面更好的控制膨脹土的不利性質(zhì)。當(dāng)此種控制策略和摻入劑處治綜合使用時(shí)，可以使膨脹土的處治效果更好。

4 結(jié)語

近年來，膨脹土的工程性質(zhì)以及處治方式研究雖然取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但從國內(nèi)外膨脹土的處治效果來看，不盡人意之處仍然存在。鑒于膨脹土特殊的組成物質(zhì)和結(jié)構(gòu)，其性狀的變化受到多種因素的交互影響，十分復(fù)雜，膨脹土的相關(guān)研究有待進(jìn)一步完善。

1)在研究膨脹土的相關(guān)性質(zhì)時(shí)，同樣存在著基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)工具不完善合理的缺陷，導(dǎo)致研究的相關(guān)結(jié)論與工程實(shí)踐的檢測(cè)結(jié)果有一定的差異性。因此，有必要發(fā)展和改進(jìn)基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)方法，從而得到更加科學(xué)、合理的結(jié)論。

2)膨脹土的研究一般主要是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，在工程實(shí)踐中長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)會(huì)比較少。然而，膨脹土的工程性質(zhì)由于時(shí)間以及空間的不同會(huì)產(chǎn)生比較大的變異性，因此現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)間有必要延長(zhǎng)，工點(diǎn)也應(yīng)增多，這樣才能準(zhǔn)確把握膨脹土受氣候影響的規(guī)律。

3)關(guān)于膨脹土的專題研究多，系統(tǒng)性研究少。在查閱相關(guān)文獻(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，膨脹土處治的研究多限于單個(gè)方面，如石灰處治膨脹土、粉煤灰處治膨脹土等單個(gè)課題研究。較少將各種處治辦法綜合起來一起使用，綜合比較，因此有必要加強(qiáng)關(guān)于膨脹土處治的系統(tǒng)性研究。

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Review of the research on expansive soil and expansive soil treatment

TAN Lian-wu1LI Hong2

(1.ChangshaPlanning&DesignInstituteCompanyLimited,Changsha410007，China;2.GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademeCompanyLimited,Guiyang550081,China)

Paper introduces the characteristics of expansive soil and its classification scheme, reviews the treatment method of expansive soil and expansive soil sub-grade. Lime, cement and fly ash are useful admixtures for expansive soil treatments, their relevant properties are summarized and analyzed. And a reasonable structure of expansive soil sub-grade is recommended. According to the characteristics of expansive soil and the research’s status, some development trends are putted forward.

expansive soil, sub-grade, structure

1009-6825(2014)28-0069-04

2014-07-28

譚練武(1989- )，男，碩士； 李 洪(1988- )，男，碩士

TU443

A