膨胀土处治方法

8.5.1　膨胀土处治方法

膨胀土地基处理的总体原则应根据当地的气候条件、土质特性与胀缩等级、场地的工程地质及水文地质情况和建筑物（构筑物）结构类型等，结合当地经验和施工条件，通过综合技术经济比较，确定适宜的处理措施，尽量做到技术先进、经济合理。

目前公路工程中常采用的处治方法有如下几类：

1）换填法

换填法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，与其他方法相比，一般换填法的造价最低。从施工角度考虑，一般要求换填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，如可考虑膨胀土改性法或石灰桩加固法。

大于1m填方路堤的基底换填设计时，主要考虑因素是膨胀土地基的承载力；小于1m填方路堤的基地换填设计时，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土膨胀性的抑制作用，消除路面以下膨胀土胀缩变形对路面的破坏作用。

换土施工工艺简单，采用人工或机械挖除基底下一定深度的膨胀土，分层铺设非膨胀土或粗粒土，分层碾压，其换土效果与填料的含水量和干重度、土料土块尺寸、铺土厚度与碾压的质量等因素密切相关，如换土质量符合各项技术指标要求，并采取一些诸如排水辅助措施，能从根本上消除膨胀土的灾害。如湖北省襄十高速公路弱膨胀土路基，其填方基床与挖方路床均超挖30～60cm，采用6%石灰土换填，松铺厚度在25cm左右，含水量控制在大于最佳含水量3%～4%的范围内，路拌次数2遍，采用重型碾压机械碾压4～5遍，平均承载力与压实度分别达179kPa和91.3%，均超过125kPa的承载力设计值与85%的压实度规范要求。

2）湿度控制法

湿度控制法是通过控制膨胀土含水量的变化，保持地基中的水分少受蒸发及降雨入渗的影响，从而抑制地基的胀缩变形。公路工程中主要采用全封闭法，又称为包盖法或包边路堤。

当膨胀土广泛分布，不得不采用弱膨胀土和中膨胀土填筑路堤时，则可用接近最佳含水量的中、弱膨胀土填筑路堤堤心部位，用普通黏土或改性土作为路堤两边边坡与基底及顶面的封层，从而形成包心填方，让膨胀土永久地封存在非膨胀土之中，避免膨胀土与外界大气直接接触，保持膨胀土湿度的稳定，使其失去胀缩性。该种封闭式填筑路基的方案如图8.6所示，在通常情况下，全封闭法仅适用于非浸水路堤。

图8.6　全封闭包边路堤结构^［40］

为了能确保封闭效果，有效地限制堤内膨胀土湿度变化，封层应有相当的厚度。其中，边坡处往往是施工碾压的薄弱部位，如果封闭土层与路堤上一道分层填筑压实，并达到同样的压实度，则处理效果会更好。为此，在用膨胀土填筑路基时，每一层松铺厚度宜控制在30cm以内，先用普通黏土填包边层，之后再填筑膨胀土夹心层，包边层和夹心层同时碾压，压实后必须形成4%的人字形路拱，形成平整坡面。封顶层用普通黏土填筑，厚度一般不应小于1.5m，表面用光碾压路机碾压平整。边坡包边宽度不小于2.0m，并按设计要求做好梯形路拱，每一段路堤按标准施工完毕后，人工刷好边坡，并拍打光实、平整。施工应选在非雨水季节与旱季时间。

我国曾在南昆铁路建设中，成功地将弱膨胀土很好地封闭在普通黏土之中，获得了良好效果；而在湖北省襄荆高速公路膨胀土地段，采用了用石灰改性土包边处理中膨胀土的方案（见图8.7），取得了显著的经济和社会效益。

图8.7　湖北省襄荆高速公路中膨胀土包边路堤横断面^［40］

3）土质改良法

土质改良法顾名思义就是在膨胀土中掺入其他材料，使其物理、力学特性得到改善，克服其不良的湿热敏感性，以满足工程的使用性能。膨胀土的土质改良法划分为物理改良法、化学改良法与综合改良法。

（1）物理改良法

物理改良法是在膨胀土中添加其他非膨胀性固体材料，通过改变膨胀土原有的土颗粒组成及级配，从而减弱膨胀土的胀缩能力，达到改善其工程特性的目的，常见的掺和料有风积土、砂砾石、粉煤灰与矿渣等。

（2）化学改良法

化学改良法是利用在膨胀土中加入某种其他物质，并使添加材料与膨胀土中的黏土颗粒发生某种化学反应或物质交换过程，以达到降低膨胀土膨胀潜势、增加强度和提高水稳定性的目的。化学加固膨胀土的添加材料种类较多，既有固体添加剂，也有液体添加剂，按其化学成分划分还有无机与有机添加剂，如石灰、水泥、有机与无机化学浆液，现按添加剂的种类与施工工艺作简要概述。

①石灰土

石灰改良膨胀土的主要作用是使膨胀土的液限、膨胀性与黏粒含量降低，显著提高土的塑限与强度，增大最佳含水量与降低最大干密度，从本质上改变膨胀土的工程特性。由于石灰能有效抑制膨胀土的胀缩潜势，又具有经济与实施方便的优点，在工程界应用十分普遍。

关于石灰这种气硬性无机胶凝材料改性膨胀土的机理，一般将其归纳为生石灰消化放热反应、碳酸化（硬化）、离子交换与胶凝反应四种作用。其中，第一种作用主要是促进化学改性进程，其次是改变土质成分及密度；第三种作用十分有限，因为天然土中的阳离子绝大部分为Ca^2＋、Mg^2＋，石灰中的Ca^2＋交换无太大实际意义，除非膨胀土中的交换性阳离子Na^＋、K^＋占有相当大的比例。因此，石灰改性的主要作用为胶凝反应和碳酸化作用，这两种作用都发生了实质性的化学反应，即土中无定形或黏土矿物中分离出来的SiO₂、Al₂O₃，与石灰中游离出来的Ca2＋形成水化硅、铝酸钙胶体等新矿物，附着在土颗粒表面及颗粒之间，硬化后将土颗粒黏结在一起，起到良好的胶结作用。

根据国内外资料，从降低膨胀土的膨胀性来看，一般加入2%～4%的石灰就能使其膨胀率和膨胀压力达到很小，而从提高土的强度角度考虑，在一定范围内石灰含量越高，改良土的强度越高，石灰含量超过一定限度后，改良土的强度会随石灰含量的增加而降低。考虑到在现场实际施工过程中，石灰和膨胀土掺和均匀会比室内试验要差，一般加入6%左右的石灰，能获得较好的改良效果，至于具体的最佳石灰含量值，应根据膨胀土的胀缩等级通过试验确定。

②水泥土

水泥土是用土料、水泥和水经过拌和的混合物，作为一种水硬性胶凝材料，水泥与石灰的改性机理类似，主要是由于钙酸盐和铝的水化物和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，从而降低其液限和体变，增大缩限和抗剪强度，明显提高水泥稳定膨胀土的水稳定性与抗渗能力。

水泥土与石灰土的不同之处在于，前者的早期效应比后者明显，且水泥可产生更大的凝聚作用，引起的凝聚反应使黏土层之间的胶结力增大，从而使土处于更加稳定的状态，其强度和耐久性比石灰土提高幅度更大，但就膨胀而言，石灰是更好的温度掺和剂，水泥用于加固膨胀土的掺入量一般为4%～6%。

在工程实际应用中，常利用石灰与水泥混合添加剂改良膨胀土，充分发挥石灰显著降低土的膨胀性和水泥显著增加土的强度优势，二者比例视改良土要求而定。

（3）综合改良法

综合改良法是利用物理改良与化学改良加固机理，既改变膨胀土的物质组成结构，又改变其物理力学性质，结合了化学改良土水稳性较好、有较大的凝聚力和物理改良材料有较高内摩擦角及无胀缩性的优势，达到强化膨胀土的土质改良效果。由于该法充分利用了一些固体废弃物与价格低廉的材料，如粉煤灰、矿渣与砂砾石等，有利于环境保护，且改良质量良好，得到了工程界的普遍重视。当前在膨胀土工程建设中应用较多的有二灰土、矿渣复合料与石灰砂砾料等。

二灰土是一种用石灰与粉煤灰混合添加剂处理膨胀土的有效措施，由于石灰和粉煤灰之间的化学反应，有效地激发了粉煤灰的活性，生成较多的水化硅酸钙、水化铝酸钙和水化硅铝酸钙等胶结物质，使混合料的强度大幅度提高，胀缩性大幅度下降，具有良好的水稳定性能和抗冻性能，且整体性强，施工方便，造价较为经济。

矿渣复合料由膨胀土、矿渣、水泥和砂等组成。矿渣和加固剂水化后产生Ca（OH）₂，在膨胀矿物表面形成固化层，增加膨胀土的稳定性，提高膨胀土的承载力。矿渣复合料养护28d的抗压强度为5～8MPa，抗折强度为1.5～2.0MPa；矿渣复合料完全失去了膨胀土原有的遇水膨胀的特性，不仅其体积膨胀率为零，渗透系数也几乎为零。矿渣复合料具有广阔的应用前景，造价低，施工方便。

石灰砂砾料是在石灰土的基础上，掺入一定量的砂砾石来改良膨胀土，综合了石灰土水稳定性较好、有较大的凝聚力和砂砾料有很高内摩擦角及无胀缩性的优势，处治效果良好。如在湖北省襄十高速公路膨胀土路基修建过程中，就采用了石灰砂砾料填筑95区顶层方案（石灰剂量为6%、石灰砂砾土体积比为60∶40）。

需要说明的是，在膨胀土的各种土质改良法中，均普遍存在着如何能达到添加剂均匀有效改良膨胀土的施工问题，以及如何科学合理地确定质量控制体系与快速准确的进行掺入料计量问题。因此，除需继续研究各种改良新方法外，加强其施工工艺的研究也十分必要。

4）土工合成材料加固法

由于土工合成材料具有加筋、隔离、防护、防渗、过滤和排水等多种功能，国内外应用土工合成材料整治膨胀土已很广泛，尤其是在膨胀土路基工程中的应用十分普遍，如土工膜、土工格栅、土工格室以及土工网垫等，主要用于整治膨胀土路基基床与边坡浅层失稳。

针对膨胀土基床，主要利用土工膜与复合土工膜的隔水防渗作用，防止其翻浆冒泥；土工格室则对防治基床下沉外挤十分有效，原因在于通过格室的侧向限制作用与填料形成一个整体，从而提高土体的刚度和强度；而将复合土工膜（二布一膜）铺设在基床表层，除能起隔离（隔水、隔浆、隔碴）、排水、反滤作用外，还能分散基床应力、减少路堤填筑后的不均匀沉降、有效提高基床刚度的作用。

为了控制膨胀土路堤边坡施工质量和增加边坡稳定性，通过在膨胀土路堤施工中分层水平铺设土工格栅作为路堤包边加强层，充分利用土工格栅与土体可共同承受内、外荷载作用，以及格网与填土间的摩擦力和咬合力，使土中的垂直应力和水平应力经土工格网面层水平扩散，转化为土工格网与土界面的剪应力，从而相应降低了土体受力，增大整体抗剪强度，起到固结边坡土体、加筋补强和防止边坡浅层溜塌、塌滑的效果。铺设土工格栅时，应拉紧展开，相邻土工格栅采用U形铁卡固定于土层表面，铺设完毕后不允许车辆碾压，为避免因土方的填筑而使土工格栅产生移位、隆起和变形，其上盖松填土厚度宜大于40cm，以便于推碾作业。按设计坡率进行刷坡时，应刷除施工填筑加宽部分，使边坡加筋土工格栅与坡面平齐，确保格栅不受损坏。

将土工网垫铺设于路堤边坡表面，能起先期保土和固定草种及防止表水冲刷、分解雨水集中的作用，土工网垫与植物根系、泥土牢固地结合在一起，可形成一层牢固的绿色保护层，防止雨水冲蚀、边坡溜坍和滑坡。在土工网垫沿边坡自上而下铺设过程中，坡面网垫幅间搭接5cm，采用竹节钉或U形铁丝钉固定，幅内采用固定钉钉固，间距不大于1.0m，施工中坡面要平整密实，且使网垫平顺并密贴坡面，否则植草难于在坡面生根成长。

应用土工合成材料处理膨胀土路基，由于施工简单，不需要特殊的施工机械和专业技术工人，又有利于环保，技术和经济效果均好，是一种值得采用和推广的方法。但目前对土工合成材料与土体相互作用的分析方法，尤其是其相互作用对土工合成材料变形的影响的研究还有待深入，此外，对土工合成材料长期使用性能与效果的合理评估也值得进一步研究。