谭练武 李 洪

(1.长沙市规划设计院有限责任公司，湖南 长沙 410007； 2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081)

谈膨胀土工程特性及处治方法

谭练武1李 洪2

(1.长沙市规划设计院有限责任公司，湖南 长沙 410007； 2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081)

介绍了膨胀土的相关工程特性及其分类办法，并对石灰处治、水泥处治、粉煤灰处治膨胀土等具体处治方法进行了介绍和分析，推荐了一种合理的膨胀土路基结构形式，并针对膨胀土问题自身的特点及其研究现状提出了今后膨胀土问题研究的发展方向。

膨胀土，路基，结构

1 概述

膨胀土是一种具有胀缩性、裂隙性和超固结性的特殊粘土，同时具有显著的吸水膨胀软化和失水收缩开裂两种变形特性的粘性土[1-3]，而蒙脱石和伊利石是粘性土的主要成分，它们具有强亲水性。另外，因为膨胀土土体中通常存在较多的裂隙并且这些裂隙在膨胀土体中分布杂乱无章，这种特殊的特性让膨胀土对工程实体可能产生长期的变形破坏而使建筑物长期处于危险状态。因为膨胀土在全球范围内分布非常广泛，并时常引发各种工程问题和地质灾害，给社会带来了巨大的损失，使膨胀土的应用问题成为世界性的工程建设技术难题。随着我国交通运输系统的跨越式发展和公路工程建设范围的地域性扩展，膨胀土给公路建设带来的危害日益显著，膨胀土应用及处治课题已经成为当前岩土工程与工程地质领域中全球性的重点研究领域之一[4]。

膨胀土在我国地域分布十分广泛，以黄河流域及其以南地区较多，黄河流域以北相对较少。膨胀土是一种比较典型的不均匀的土、气和水三相介质，它在地表较浅的位置裂缝发育比较明显，而且对气候的敏感性很高。膨胀土的工程性质受干湿程度的影响相当大，土体吸水之后会发生软化膨胀，同时伴随着强度的大幅度下降；土体在饱水状态下失水后体积会发生收缩，这种膨胀收缩过程会产生裂缝。膨胀土的这种胀缩特性，在土体含水量发生大幅变化时会表现得非常突出。反复循环的土体膨胀收缩不可避免的会引起膨胀土的松散，在土体表面形成不同大小和形状的裂缝，而这种不规则的裂缝将为土体的风化作用提供便利条件。同时，由于裂缝的存在，土体的吸水能力变差，土体中的水分容易蒸发，地表水也容易侵入土体。另一方面，裂缝的开展会影响土体的整体性，降低土体的强度和硬度。因此，气候的反复变化加剧了土体中含水量的频繁波动以及膨胀土胀缩现象的反复产生，这也进一步引起裂缝的尺寸增大以及深度上的发展，使此部分土体的强度大幅下降，从而形成风化层。形成的风化层的最大深度一般在气候的影响深度范围内，约1.5 m～2.0 m，有的时候最大深度可达4.0 m[5]。由此可见，膨胀土的工程性质主要受其含水量的影响，而当含水量变化时便伴随着土体工程性质的变差。当这种工程性质较差的膨胀土要作为路基填筑土使用时，需要对其进行力学分析和处理，以满足相关规范的要求。

2 膨胀土的判别与分类

在工程领域中，当粘性土体的胀缩性能较大并且存在能够危害建筑物的安全隐患，需要对这些潜在隐患进行特殊的建筑设计和施工处理时，我们把它称作膨胀土。所以，判别某种粘性土是否属于工程意义上的膨胀土需要建立统一的界定标准。但是，对于不同的工程建筑，土体的胀缩性能的承受能力不同，所以在不同的建筑领域中膨胀土的界定标准也不完全相同。在现今工程领域中常用的两种判别法是指标判定法和综合判定法。土体膨胀性、活动性指数、压实性指数、吸水指标、自由膨胀率、膨胀率、线缩率、收缩系数等是指标判别法中常用的判别指标。但是由于影响粘性土膨胀性的因素十分复杂，尚无统一的单一指标可以判别是否属于膨胀土。依据工程经验，如果粘性土体的自由膨胀率大于40%，一般情况下可以认为是膨胀土。所以，除应用土体膨胀性等指标可以对膨胀土进行判别外，国家《膨胀土地区建筑技术规范》规定土体的自由膨胀率不小于40%是认定膨胀土的标准之一。但是，应该特别提到的情况是，并不是所有的膨胀土的自由膨胀率都不小于40%，存在某种特定膨胀土膨胀率小于40%的情况[6]。由此可以看出，应用单一指标通常要判定某种粘性土是否为膨胀土比较困难，因此我国通常采用综合法进行膨胀土的判定。综合判定法通常的做法是，首先从地质、地貌等自然环境特征以及工程建筑经验出发，总结膨胀土地区的特点，初步判定是否属于膨胀土地区，然后再结合主要相关指标测试结果进行综合判别。

对膨胀土的分类工作是一个复杂的工作，目前尚未形成统一的标准。我国公路研究学者在研究各种膨胀土分类方法的适用性及其优缺点、膨胀土体的工程特性、膨胀土区域的相关工程经验以及它们之间可能存在的相关性，JTG D30-2004公路路基设计规范在条文说明中提出了适用于公路路基的膨胀土判别方法，并且进一步提出了膨胀土的膨胀潜能的分级参考标准。规范规定当土体的性质符合表中的任意两项指标时，该土体即可判定为膨胀土[7]。但是，该标准的使用性还有待进一步工程经验验证，同时它的膨胀潜能分级标准也需要更多的实验室数据以及工程案例加以佐证[8]。在《公路路基设计规范》的膨胀土判别方法中采用自由膨胀率、标准吸湿含水率、塑性指数等3项指标作为判别参考指标(见表1)。其中，标准吸湿含水率是在标准温度(通常为25 ℃)和标准相对湿度下(通常为60%)，膨胀土试样养护至恒重后的土体含水量。标准吸湿含水率与比表面积、阳离子交换量、蒙脱石含量之间存在线性相关的关系。膨胀土的膨胀潜能的分级标准如表2所示，其中非膨胀土是指土的膨胀特性未达到定义为膨胀土的程度。

表1 膨胀土的判别指标

表2 膨胀土的分级标准

3 膨胀土处理办法及相关性能研究现状

3.1 石灰处治膨胀土

在公路工程中，石灰是膨胀土路基常用的处治材料。石灰是一种典型的水硬性无机胶结材料，在空气和水中均能够发生硬化。当石灰加入膨胀土后，石灰颗粒和膨胀土体之间会发生一系列的物化反应，这种物化反应将使得膨胀土体随含水量变化发生的胀缩特性有所改善，并将改良土体的整体性和强度等力学性能，使之满足高等级公路的要求。膨胀土经石灰处治后，膨胀土土体性质发生根本改变，这些物理化学反应不仅可以改变土体的膨胀潜能，同时还会从根本上改变土体的吸湿特性。

根据现有石灰处治膨胀土的实验结果和工程经验，石灰对膨胀土的改性效果非常明显。当石灰的含量适当(通常石灰含量大于4%)并且拌合充分的情况下，经石灰处治后的膨胀土的工程力学性能和一般的非膨胀土无异。依据处治经验，膨胀土体的液限、自由膨胀率和小于0.002 mm的粘粒随着石灰的含量增大而显著降低，同时土体的塑限会不断增大。在特定的膨胀土处理工程应用中，选择合适的石灰含量不仅需要考虑土体自身的最佳含水量和最大干容重，还需要满足处治土的压实度和强度等力学性能的要求。通常为了保证处治效果，处治膨胀土的石灰含量宜为6%，此时的石灰处治膨胀土路基的动强度能够较好的满足交通荷载长期影响。另外，相关实验表明石灰处治膨胀土强度随着试件养护时间的增长而非线性增大，前期增加速率较快，当龄期超过60 d后增长速率变缓并趋于稳定。处治膨胀土的固结不排水剪三轴试验抗剪强度远大于原膨胀土[5]。相关实验研究与工程实践表明，石灰处治是一种较好的膨胀土改良方式，现已广泛的应用于实际工程中。

3.2 水泥处治膨胀土

水泥是一种良好的矿物胶凝材料，不但可以在空气中硬化还能更好的在水中硬化，保持并继续增长强度。膨胀土加入水泥后，膨胀土和水泥会经历一系列物理化学反应，使膨胀土的胀缩性降低，工程特性得到提升。在水泥处治膨胀土时，在一定范围内膨胀土的改良效果随着水泥含量增大而不断改善，当水泥的含量较大时，膨胀土改良效果的提高速率随着水泥含量的增大而逐渐变缓，最后土体的改善效果趋于稳定。根据相关工程经验，水泥处治膨胀土的水泥在膨胀土中的最佳掺量为6%，当膨胀土的膨胀性较弱时最佳水泥掺量为4%，和石灰处治膨胀土有一定的相似性。经水泥处治的膨胀土在力学性能上和不经处治的素膨胀土存在较大的差异：一般素膨胀土的强度随着压实度的提高而不断提高，最后趋于平缓稳定，在此工程中不会表现出明显的变化峰值，具有这种变化趋势的土体通常被称为硬化型土；处治后的膨胀土在强度变化时会出现明显的峰值，表现出明显的软化型土性质。水泥处治的膨胀土的强度主要来源于土体自身的粘聚力、内摩擦角以及水泥强度骨架，在强度成分组成中分子间吸引力所占的比例相对较小，而在不经处治的膨胀土土体中分子间吸引力所占的比例很大。另一方面，膨胀土经水泥处治后，由于水泥骨架的存在增大了土体内部的密实程度，改性土在剪切过程中竖向变形均表现为剪胀，而素膨胀土均为减缩[9]。

水泥在膨胀土处治的应用中相对石灰处治较少，它同样可以达到降低膨胀土胀缩性，提高强度的目的，在工程实践中也有较为广泛的应用。

3.3 粉煤灰处治膨胀土

粉煤灰改良作为地基的一种处理方法，越来越广泛地应用于公路路基的建设中。相比石灰处治膨胀土和水泥处治膨胀土而言，粉煤灰处治膨胀土的静态力学性能随处治成分(石灰、水泥、粉煤灰)含量的变化更具有规律性。膨胀土经粉煤灰处治后土体的最佳击实效果的含水率范围会增大，表现出膨胀土水稳定性的改善[10]，同时膨胀土的活性指数以及胀缩性指标也会随着粉煤灰掺量的增加而不断降低[11]。在具体的膨胀土处治应用中，也存在采用石灰和粉煤灰的混合改良方法，这种经混合料改良的膨胀土，液限、塑限比膨胀土的大，同样应力应变曲线也呈现出软化型，并且膨胀土中土体颗粒间粘聚力会增大而土体内摩擦角则会相对减小[12]，土体的强度指标会随着混合料中石灰含量比例的提高而增大[13]。同时，经粉煤灰处治的膨胀土的动态力学性能也随着粉煤灰的掺入量的增大而发生变化。虽然，在公路工程中主要荷载施加体车辆在运行过程中速度不断发生变化，但由于车速变化所引起的路基弹性变形较小，因此路基土体动强度研究主要集中在载荷循环效应上。而粉煤灰的掺入剂量和路基土体的压实程度是循环载荷作用时，改善膨胀土临界动应力的决定性因素[14]。因此，适当的掺入粉煤灰可以显著的改善膨胀土的动态力学性质，从而达到改良膨胀土的目的。

粉煤灰处治相比石灰处治和水泥处治更具环保的优势，它的材料资源一般主要来源于工业废料，因此它具有实用性、经济性以及环保性等等多种优势，可以更多的推荐使用在膨胀土的处治应用中。

3.4 膨胀土路基采用合理的路堤结构形式

膨胀土在用于填筑公路路基时需要充分考虑自身胀缩特性的影响，通过采用合理的处治或者填筑形式使之满足压实度和加州承载比CBR值的相关规定。基于对膨胀土性质的分析，膨胀土路堤可以采用直填法。当路堤较高时在路堤中部增加1层～2层石灰改性土层，现推荐如图1所示的一种填筑方式，此种填筑方式可以较好的控制填筑要求[15]。

使用更加合理的结构填筑形式，可以在另一方面更好的控制膨胀土的不利性质。当此种控制策略和掺入剂处治综合使用时，可以使膨胀土的处治效果更好。

4 结语

近年来，膨胀土的工程性质以及处治方式研究虽然取得了长足的进展，但从国内外膨胀土的处治效果来看，不尽人意之处仍然存在。鉴于膨胀土特殊的组成物质和结构，其性状的变化受到多种因素的交互影响，十分复杂，膨胀土的相关研究有待进一步完善。

1)在研究膨胀土的相关性质时，同样存在着基础理论、实验方法与实验工具不完善合理的缺陷，导致研究的相关结论与工程实践的检测结果有一定的差异性。因此，有必要发展和改进基础理论与实验方法，从而得到更加科学、合理的结论。

2)膨胀土的研究一般主要是在实验室中进行，在工程实践中长时间的观测实验会比较少。然而，膨胀土的工程性质由于时间以及空间的不同会产生比较大的变异性，因此现场监测时间有必要延长，工点也应增多，这样才能准确把握膨胀土受气候影响的规律。

3)关于膨胀土的专题研究多，系统性研究少。在查阅相关文献时发现，膨胀土处治的研究多限于单个方面，如石灰处治膨胀土、粉煤灰处治膨胀土等单个课题研究。较少将各种处治办法综合起来一起使用，综合比较，因此有必要加强关于膨胀土处治的系统性研究。

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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

谭练武(1989- )，男，硕士； 李 洪(1988- )，男，硕士

TU443

A