談膨脹土工程特性及處治方法

譚練武 李 洪

(1.長沙市規劃設計院有限責任公司，湖南 長沙 410007； 2.貴州省交通規劃勘察設計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.長沙市規劃設計院有限責任公司，湖南 長沙 410007； 2.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081)

介紹了膨脹土的相關工程特性及其分類辦法，并對石灰處治、水泥處治、粉煤灰處治膨脹土等具體處治方法進行了介紹和分析，推薦了一種合理的膨脹土路基結構形式，并針對膨脹土問題自身的特點及其研究現狀提出了今后膨脹土問題研究的發展方向。

膨脹土，路基，結構

1 概述

膨脹土是一種具有脹縮性、裂隙性和超固結性的特殊粘土，同時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，它們具有強親水性。另外，因為膨脹土土體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工程實體可能產生長期的變形破壞而使建筑物長期處于危險狀態。因為膨脹土在全球范圍內分布非常廣泛，并時常引發各種工程問題和地質災害，給社會帶來了巨大的損失，使膨脹土的應用問題成為世界性的工程建設技術難題。隨著我國交通運輸系統的跨越式發展和公路工程建設范圍的地域性擴展，膨脹土給公路建設帶來的危害日益顯著，膨脹土應用及處治課題已經成為當前巖土工程與工程地質領域中全球性的重點研究領域之一[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較多，黃河流域以北相對較少。膨脹土是一種比較典型的不均勻的土、氣和水三相介質，它在地表較淺的位置裂縫發育比較明顯，而且對氣候的敏感性很高。膨脹土的工程性質受干濕程度的影響相當大，土體吸水之后會發生軟化膨脹，同時伴隨著強度的大幅度下降；土體在飽水狀態下失水后體積會發生收縮，這種膨脹收縮過程會產生裂縫。膨脹土的這種脹縮特性，在土體含水量發生大幅變化時會表現得非常突出。反復循環的土體膨脹收縮不可避免的會引起膨脹土的松散，在土體表面形成不同大小和形狀的裂縫，而這種不規則的裂縫將為土體的風化作用提供便利條件。同時，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，地表水也容易侵入土體。另一方面，裂縫的開展會影響土體的整體性，降低土體的強度和硬度。因此，氣候的反復變化加劇了土體中含水量的頻繁波動以及膨脹土脹縮現象的反復產生，這也進一步引起裂縫的尺寸增大以及深度上的發展，使此部分土體的強度大幅下降，從而形成風化層。形成的風化層的最大深度一般在氣候的影響深度范圍內，約1.5 m～2.0 m，有的時候最大深度可達4.0 m[5]。由此可見，膨脹土的工程性質主要受其含水量的影響，而當含水量變化時便伴隨著土體工程性質的變差。當這種工程性質較差的膨脹土要作為路基填筑土使用時，需要對其進行力學分析和處理，以滿足相關規范的要求。

2 膨脹土的判別與分類

在工程領域中，當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，需要對這些潛在隱患進行特殊的建筑設計和施工處理時，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一的界定標準。但是，對于不同的工程建筑，土體的脹縮性能的承受能力不同，所以在不同的建筑領域中膨脹土的界定標準也不完全相同。在現今工程領域中常用的兩種判別法是指標判定法和綜合判定法。土體膨脹性、活動性指數、壓實性指數、吸水指標、自由膨脹率、膨脹率、線縮率、收縮系數等是指標判別法中常用的判別指標。但是由于影響粘性土膨脹性的因素十分復雜，尚無統一的單一指標可以判別是否屬于膨脹土。依據工程經驗，如果粘性土體的自由膨脹率大于40%，一般情況下可以認為是膨脹土。所以，除應用土體膨脹性等指標可以對膨脹土進行判別外，國家《膨脹土地區建筑技術規范》規定土體的自由膨脹率不小于40%是認定膨脹土的標準之一。但是，應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，應用單一指標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行膨脹土的判定。綜合判定法通常的做法是，首先從地質、地貌等自然環境特征以及工程建筑經驗出發，總結膨脹土地區的特點，初步判定是否屬于膨脹土地區，然后再結合主要相關指標測試結果進行綜合判別。

對膨脹土的分類工作是一個復雜的工作，目前尚未形成統一的標準。我國公路研究學者在研究各種膨脹土分類方法的適用性及其優缺點、膨脹土體的工程特性、膨脹土區域的相關工程經驗以及它們之間可能存在的相關性，JTG D30-2004公路路基設計規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，并且進一步提出了膨脹土的膨脹潛能的分級參考標準。規范規定當土體的性質符合表中的任意兩項指標時，該土體即可判定為膨脹土[7]。但是，該標準的使用性還有待進一步工程經驗驗證，同時它的膨脹潛能分級標準也需要更多的實驗室數據以及工程案例加以佐證[8]。在《公路路基設計規范》的膨脹土判別方法中采用自由膨脹率、標準吸濕含水率、塑性指數等3項指標作為判別參考指標(見表1)。其中，標準吸濕含水率是在標準溫度(通常為25 ℃)和標準相對濕度下(通常為60%)，膨脹土試樣養護至恒重后的土體含水量。標準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的關系。膨脹土的膨脹潛能的分級標準如表2所示，其中非膨脹土是指土的膨脹特性未達到定義為膨脹土的程度。

表1 膨脹土的判別指標

表2 膨脹土的分級標準

3 膨脹土處理辦法及相關性能研究現狀

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膠結材料，在空氣和水中均能夠發生硬化。當石灰加入膨脹土后，石灰顆粒和膨脹土體之間會發生一系列的物化反應，這種物化反應將使得膨脹土體隨含水量變化發生的脹縮特性有所改善，并將改良土體的整體性和強度等力學性能，使之滿足高等級公路的要求。膨脹土經石灰處治后，膨脹土土體性質發生根本改變，這些物理化學反應不僅可以改變土體的膨脹潛能，同時還會從根本上改變土體的吸濕特性。

根據現有石灰處治膨脹土的實驗結果和工程經驗，石灰對膨脹土的改性效果非常明顯。當石灰的含量適當(通常石灰含量大于4%)并且拌合充分的情況下，經石灰處治后的膨脹土的工程力學性能和一般的非膨脹土無異。依據處治經驗，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，同時土體的塑限會不斷增大。在特定的膨脹土處理工程應用中，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度和強度等力學性能的要求。通常為了保證處治效果，處治膨脹土的石灰含量宜為6%，此時的石灰處治膨脹土路基的動強度能夠較好的滿足交通荷載長期影響。另外，相關實驗表明石灰處治膨脹土強度隨著試件養護時間的增長而非線性增大，前期增加速率較快，當齡期超過60 d后增長速率變緩并趨于穩定。處治膨脹土的固結不排水剪三軸試驗抗剪強度遠大于原膨脹土[5]。相關實驗研究與工程實踐表明，石灰處治是一種較好的膨脹土改良方式，現已廣泛的應用于實際工程中。

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，保持并繼續增長強度。膨脹土加入水泥后，膨脹土和水泥會經歷一系列物理化學反應，使膨脹土的脹縮性降低，工程特性得到提升。在水泥處治膨脹土時，在一定范圍內膨脹土的改良效果隨著水泥含量增大而不斷改善，當水泥的含量較大時，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定。根據相關工程經驗，水泥處治膨脹土的水泥在膨脹土中的最佳摻量為6%，當膨脹土的膨脹性較弱時最佳水泥摻量為4%，和石灰處治膨脹土有一定的相似性。經水泥處治的膨脹土在力學性能上和不經處治的素膨脹土存在較大的差異：一般素膨脹土的強度隨著壓實度的提高而不斷提高，最后趨于平緩穩定，在此工程中不會表現出明顯的變化峰值，具有這種變化趨勢的土體通常被稱為硬化型土；處治后的膨脹土在強度變化時會出現明顯的峰值，表現出明顯的軟化型土性質。水泥處治的膨脹土的強度主要來源于土體自身的粘聚力、內摩擦角以及水泥強度骨架，在強度成分組成中分子間吸引力所占的比例相對較小，而在不經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，膨脹土經水泥處治后，由于水泥骨架的存在增大了土體內部的密實程度，改性土在剪切過程中豎向變形均表現為剪脹，而素膨脹土均為減縮[9]。

水泥在膨脹土處治的應用中相對石灰處治較少，它同樣可以達到降低膨脹土脹縮性，提高強度的目的，在工程實踐中也有較為廣泛的應用。

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，越來越廣泛地應用于公路路基的建設中。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力學性能隨處治成分(石灰、水泥、粉煤灰)含量的變化更具有規律性。膨脹土經粉煤灰處治后土體的最佳擊實效果的含水率范圍會增大，表現出膨脹土水穩定性的改善[10]，同時膨脹土的活性指數以及脹縮性指標也會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用中，也存在采用石灰和粉煤灰的混合改良方法，這種經混合料改良的膨脹土，液限、塑限比膨脹土的大，同樣應力應變曲線也呈現出軟化型，并且膨脹土中土體顆粒間粘聚力會增大而土體內摩擦角則會相對減小[12]，土體的強度指標會隨著混合料中石灰含量比例的提高而增大[13]。同時，經粉煤灰處治的膨脹土的動態力學性能也隨著粉煤灰的摻入量的增大而發生變化。雖然，在公路工程中主要荷載施加體車輛在運行過程中速度不斷發生變化，但由于車速變化所引起的路基彈性變形較小，因此路基土體動強度研究主要集中在載荷循環效應上。而粉煤灰的摻入劑量和路基土體的壓實程度是循環載荷作用時，改善膨脹土臨界動應力的決定性因素[14]。因此，適當的摻入粉煤灰可以顯著的改善膨脹土的動態力學性質，從而達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保的優勢，它的材料資源一般主要來源于工業廢料，因此它具有實用性、經濟性以及環保性等等多種優勢，可以更多的推薦使用在膨脹土的處治應用中。

3.4 膨脹土路基采用合理的路堤結構形式

膨脹土在用于填筑公路路基時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度和加州承載比CBR值的相關規定。基于對膨脹土性質的分析，膨脹土路堤可以采用直填法。當路堤較高時在路堤中部增加1層～2層石灰改性土層，現推薦如圖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]。

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

4 結語

近年來，膨脹土的工程性質以及處治方式研究雖然取得了長足的進展，但從國內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和結構，其性狀的變化受到多種因素的交互影響，十分復雜，膨脹土的相關研究有待進一步完善。

1)在研究膨脹土的相關性質時，同樣存在著基礎理論、實驗方法與實驗工具不完善合理的缺陷，導致研究的相關結論與工程實踐的檢測結果有一定的差異性。因此，有必要發展和改進基礎理論與實驗方法，從而得到更加科學、合理的結論。

2)膨脹土的研究一般主要是在實驗室中進行，在工程實踐中長時間的觀測實驗會比較少。然而，膨脹土的工程性質由于時間以及空間的不同會產生比較大的變異性，因此現場監測時間有必要延長，工點也應增多，這樣才能準確把握膨脹土受氣候影響的規律。

3)關于膨脹土的專題研究多，系統性研究少。在查閱相關文獻時發現，膨脹土處治的研究多限于單個方面，如石灰處治膨脹土、粉煤灰處治膨脹土等單個課題研究。較少將各種處治辦法綜合起來一起使用，綜合比較，因此有必要加強關于膨脹土處治的系統性研究。

[1] 趙明華.土力學與基礎工程[M].武漢：武漢理工大學出版社,2003:27-43.

[2] Zhang Lingling,Zhang Zhiwei.Swelling Test of Expansive Soil in Xi’an-Ankang Railway[J].International Conference on Transportation Engineering,2009(10):2632-2637.

[3] Yan Kezhen,Wu Luocheng.Swelling Behavior of Compacted Expansive Soils[J].Geo-Technical Special Publication,2009(9):1-9.

[4] 廖世文.膨脹土與鐵路工程[M].北京:中國鐵道出版社,1984:12-17.

[5] 楊明亮.石灰處治土膨脹土路基長期性能影響因素試驗研究[D].武漢：中國科學院武漢巖土力學研究所博士學位論文,2010:11-25.

[6] 楊錫武.特殊路基工程[M].北京：人民交通出版社，2006：11-27.

[7] 王國強.安徽省江淮地區膨脹土的工程性質研究[J].巖土工程學報，1999(20)：119-121.

[8] 段海澎,陳善雄,余 飛，等.新公路膨脹土判別與分類方法對皖中膨脹土的適用性研究[J].巖石力學與工程學報，2006,25(10):2121-2126.

[9] 吳新明,巫錫勇,周明波.水泥改良膨脹土實驗研究[J].路基工程，2007,131(2):94-96.

[10] 馮美果,陳善雄,余 頌.粉煤灰改性膨脹土水穩定性試驗研究[J].巖土力學，2007,28(9):1889-1893.

[11] 查甫生,劉松玉,杜延軍.石灰—粉煤灰改良膨脹土試驗[J].東南大學學報(自然科學版),2007,37(2):339-344.

[12] 惠會清,胡同康,王新東.石灰、粉煤灰改良膨脹土性質機理[J].長安大學學報(自然科學版),2006,26(2):34-37.

[13] 毛 成,邱延峻.膨脹土與改性膨脹土的動力特性試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2005,24(10):1783-1785.

[14] 葆 春,白 顥,孔令偉.循環荷載下石灰改良膨脹土臨界動應力的探討[J].巖土力學,2009,30(2):163-168.

[15] 陳善雄,李伏保,孔令偉.弱膨脹土工程特性及其路基處治對策[J].巖土力學，2006,27(3):353-359.

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