膨胀土地基的处理

第3章 膨胀土地基的处理

3.1 膨胀土的判别方法与标准

准确判别膨胀土及评价膨胀势大小是膨胀土地基处理首要解决的问题。若将膨胀土漏判或将强膨胀土判为弱膨胀土，会给工程埋下隐患；若将普通土误判为膨胀土或将弱膨胀土为强膨胀土，会造成经济的巨大浪费.已有的工程教训证明，许多膨胀土的工程危害是由工程人员对膨胀土误判造成。目前,国内外关于膨胀土判别分级的指标有几十种之多，我国不同行业之间的判定方法与标准亦不相同.国内工程设计常用的判别标准主要有以下3类。第4类为本设计建议使用的判别标准。

⒈原国家建委标准[3］

该规范以自由膨胀率为判据，特殊情况下可以根据蒙脱石含量来确定自由膨胀率大于40%，或蒙脱石含量大于7%时，可判定为膨胀土.其后的《建筑地基基础设计规范》也有相近内容的规定。膨胀上的分级标准见表3-1

表 3—1 膨胀土级别标准(原国家建委）

自由膨胀率（%) >100 60—100

蒙脱石含量（%） >25 14—25

强膨胀土 中膨胀土 膨胀土级别

自由膨胀率（％） 40-60

蒙脱石含量（%） 7—14

弱膨胀土 膨胀土级别

2.铁道部行业标准［4］

规则中，膨胀土的判别分为初判和详判。初判适用于踏勘与初测阶段，详判适用于定测与施工图设计阶段。初判依据为土的现场宏观地质特征、自由膨胀率、液限。土的现场宏观地质特征符合膨胀土特征，且自由膨胀率Fs≥40%，液限Wl≥40％时,判定为膨胀土。膨胀土的现场宏观地质特征详见《规则》。

详判时,使用自由膨胀率、蒙脱石含量与阳离子交换量3项指标。当符合其中2项指标时，判别为膨胀土。

注:CEC100表示100g干土的阳离子交换量，单位为(mmol）NH4+。

3。交通部标准［5]

规范中，要求自由膨胀率大于40%和液限大于40%的黏土质，可初判为膨胀土,但这并不是惟一的，最终决定因素是“胀缩总率及膨胀的循环变形特征,以及与其他指标相结合的综合判别方法”.其膨胀土工程地质分类见表3-3。

表 3—3 膨胀土工程地质分类（交通部)

分类

野外地质特征

主要黏土矿物成分

〉0。002mm黏粒含量(%)

灰白、灰绿色，黏土细腻，滑感特强，网状裂隙极发育,有蜡面，易

蒙脱石 伊利石 蒙脱石 伊利石 蒙脱石 伊利石 高岭石

注：胀缩总率为土在50kPa压力下的膨胀率与收缩率之和。

自由膨胀率（％）

膨胀总量（％）

>50 35—50 <35

〉90 65—90 40-65

〉4 2—4 0。7-2.0

强膨胀土 风华成细粒状、鳞片状

中膨胀土

弱膨胀土

以综、红、灰色为主，黏土中含少量粉砂，滑感较强，裂隙较发育,易风化成碎粒状，含钙

质结核

黄褐色为主，黏土中含较多粉砂，有滑感，裂隙发育，易风华成碎粒状，含较多钙质结核

或铁锰质结核

4。建议使用的公路膨胀土判别与分级标准

上述原国家建委、铁道部膨胀土判别与分级标准均要求定量测定膨胀性黏土矿物，如蒙脱石的含量。这种微观矿物含量的测定一般只有研究单位的专门试验室才能完成,且花费时间较长，给工程设计与施工带来很多困难.事实上，设计与施工单位很少采用。交通部《规范》膨胀土评价标准中的胀缩总率指标来自考虑地基承载力的房屋建筑部门.它完全不符合公路工程低荷载或零荷载的工程状况,且确定该指标所需要的一些参数又很难获取。

我国交通部第二公路勘察设计研究院(以下简称“中交二院”)通过大量研究工作，提出以标准吸湿含水率与塑性指数2个分类指标作为膨胀土的判别与分级标准。所谓标准吸湿含水率指,在标准条件下(温度25℃±2℃，相对湿度60%±3％），膨胀土试样从天然含水量脱湿至平衡后的含水量。标准吸湿含水量与蒙脱石含量、阳离子交换量及比表面积之间具有良好的线性相关性,反应了膨胀土的本质特性。塑性指数很好地反映了粒度组成、分散特性及阳离子与黏土矿物之间的相互作用。采用标准吸湿含水率与塑性指数对土的膨胀势分级的指标见表3—4。标准吸湿含水率测定的具体方法见参考文献[7]或文献[15］中《膨胀土的判别与分类新方法》一文.

表3—4 土的膨胀势分级指标（中交二院)

膨胀势分级 标准吸湿含水率

ws（%） 塑性指标Ip（%） 自由膨胀率Fs

（％)

非膨胀土 Ws〈2.5

Ip<15 Fs〈40

弱膨胀土 2.5≤ws〈4.8

15≤Ip〈30

40≤Fs≤60

中等膨胀土 4.8≤ws〈6。8

30≤Ip<45

60≤Fs≤90

强膨胀土 6。8≤ws

45≤Ip 90≤Fs

注：自由膨胀率仅为参考指标，不作为控制指标。

中交二院研究提出的膨胀势分级判别指标反应了膨胀上的本质，并具有测定简单、便捷，所获数据可靠、重现性好的优点，便于设计与施工单位广泛应用。

3。2 处理方法

针对膨胀土的工程特性与膨胀土地基的病害特点，并考虑工程的经济性，可以从换填、改性、隔水封闭、渗沟排水4个角度，归纳总结膨胀土地基处理措施与技术方法[6。

］

1.换填与膨胀土掺灰改性法

换填与浅层膨胀土掺灰改性法适用于浅层平面地基(路基基底)条件,一般处理深度不大于3.0m。与其他方法相比，一般换填法的造价最低.但换填方量过大时，废土可能占用大量土地，并引发生态环境问题；某些地区可能还存在借土困难或借土成本过大的问题.这时，可考虑膨胀土改性法或石灰桩加固法。

2.有机大分子溶液改良法

改良技术既适用于斜面地基（堑坡),又适用于平面地基（路基基底)，一般多用于膨胀土堑坡的浅层稳定性处理。目前，国内比较成熟的有机大分子溶液改良技术有UAH改良液等。

3。石灰桩或灰土桩加固法

石灰桩或灰土桩加固法对于斜面地基（堑坡)和平面地基(路基基底)均适用.对于厚度较大的膨胀土软基处理时，石灰桩或灰土桩加固法具有独特的优势，一般用于厚度大于2。0m的膨胀土软基。

4。隔水封闭与渗沟排水法

隔水封闭是采用土工防水布、石灰与猫土混合料等材料对地基或坡面进行隔水封闭，阻止气候干湿循环对膨胀土含水量的影响,达到稳定路基或边坡的目的。由于隔水封闭法的施工质量控制标准要求较高，建议设计时慎用。

采用隔水封闭措施,必须同时使用排水渗沟或其他排水措施，两者缺一不可。排水渗沟也可作为换填与掺灰改性、有机大分子溶液改良、石灰桩加固措施的辅助手段使用.该方法包括常用的路基基底使用的平面状渗沟与堑坡防护使用的支撑渗沟两种类型.平面渗沟作用在于排掉汇流到路基的地下水;而支撑渗沟不仅可以排水，并且具有阻止膨胀土边坡变形破坏的功能。

3。3 浅层换填与掺灰改性法

当公路路基的基底为劣质土（或者说土的变形或承载力不符合要求）,且劣

质土层的厚度又不很大时,将原地表以下处理范围的劣质土部分或全部挖去,换填为性能稳定或强度较大、无侵蚀性的其他材料,并分层压实至要求的密实度，这种地基处理方法称为换填法。

膨胀土掺灰改性是将原地膨胀土翻松，掺加一定比例的石灰后，分层压实的方法。该方法经过一段时间的养护，可以很好地消除或减小膨胀性，提高土体强度，降低土中的含水量[7]。

3.3.1 原理和适用范围

1。浅层换填法与掺灰改性法的原理及适用范围

换填掺灰改性法适用于公路的所有平面地基，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。具体换填设计时，若换填方量过大，应考虑借土与废方对生态环境的不良影响。填方与挖方路段两者的换填与掺灰改性原理也有所不同。

填方路堤，特别是高路堤的基底承受路堤及路面重力的压力较大，基底换填是以强度较高的材料代替膨胀土地基，掺灰改性是将低强度的膨胀土地基改性为高强度的灰土，两者以提高地基的承载力，避免地基破坏为目的。小于1m填方路堤基底的换填或掺灰改性目的主要是为了消除膨胀土基底的胀缩变形。从施工角度考虑，一般要求换填或掺灰改性的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,如石灰桩等。

当膨胀土地基的地下水位较高，或所处地理位置为汇水的低洼地带时，应认真作好排水设一计,包括地面排水与地下排水。地下排水的渗沟设计见后文。

挖方及零填方路段的地基同时担任路床的角色。通过地基膨胀土换填或掺灰改性，一方面可以消除路面以下膨胀土胀缩变形对路面的破坏作用,另一方面可以提高处理深度范围内土的强度与变形模量，使CBR值（加州承载比，是一种衡量道路弯沉量的试验值）达到高等级公路上路床的标准要求，即CBR≥8。

大于1m填方路堤的基底换填或掺灰改性设计时,主要考虑因素是膨胀土地基的承载力；小于lm填方路堤的基地换填或掺灰改性设计时，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或掺灰改性设计时，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上膨胀性的抑制作用.

2。石灰改性膨胀土的机理

石灰对膨胀土的改性机理表现为5种作用：阳离子交换（cationic exchange）;凝聚（ag—glomeration);细凝反映（flocculation）;碳酸岩化(carbonation）；胶结或凝硬作用（cementationor pozzolanic reaction)。

膨胀土组成以蒙脱石、伊利石、高岭石等勃土矿物为主。黏粒表面吸附有大量的金属阳离子，当掺人石灰后，由于土中产生过量的Ca2+离子，同时Ca（OH）

2分子电离的

OH—离子形成强碱环境，使得Ca2+置换了膨胀土黏粒表面的某些阳

离子，如K+，Na+，Fe2+等(Mg2+除外)，由此改变了黏粒表面的带电状态，结果使膨胀土颗粒很快地凝聚起来而提高了土的初期强度.

细凝过程与阳离子交换过程同时发生。由于孔隙中电解质浓度的增加，Ca2+离子被吸附在豁土的表面，蒙脱石晶层间的水向外溢出，土体体积减少。

掺灰改性土的石灰碳酸岩化反应生成的CaCO3在掺灰土中多形成长短不等的棒状物、针状物及网状物，它们将豁土颗粒联结或包裹起来，集聚成粉粒或更大的团粒.这些大颗粒的粒径多集中于0。05—0。005mm之间.石灰的碳酸岩化是促使赫粒集聚、消除胀缩性、提高强度，并保持长久稳定的根本原因。掺灰改性土的典型化学式方程表达如下：

CaOH2OCa(OH)2 Ca(OH)2CO2CaCO3H2O

CaCO3：除了本身具有较高强度外,它与铝酸钙作用也可起到加固土的作用。由于这个反应过程缓慢,对于改善土的工程性质初期作用不大，但随时间的延长改善作用会越来越明显.胶结或凝硬反映相当复杂，也需要很长时间。胶结或凝硬反映使土中相当一部分SiO2形成SiO2水溶性胶体粒子，氧化铝也可形成一些胶体粒子。这些生成物聚凝后也会改善膨胀土的工程性质，主要作用是提高石灰土的后期强度及耐久性。该过程类似于水泥的水化反应过程，CaO与水发生反映放出的热，在初期加快了凝硬反映。同时，实验表明，石灰土浸水后强度还会提高，某种意义上可将其视为水硬性材料。

3.3.2 设计计算

公路膨胀上地基浅层换填与掺灰改性设计分为3类： ①大于等于lm高度路堤的基底换填与掺灰改性设计；

②挖方路段，包括小于lm高度填方、零填方路段的换填与掺灰改性设计;

③公路桥涵地基与基础设计。公路桥涵地基与基础设计参考《规范》[8]。 ⒈路堤基底换填与掺灰改性设计

浸水后膨胀土的强度与变形指标急剧降低，承载力一般在80—150kPa范围内。因此,对于填方路堤高度大于3。0m的膨胀土软基应进行工程处理。

目前，公路行业标准在《规范》[9]中对桥涵地基的设计给出了使用地基允许承载力的具体方法与标准.但对路堤设计的基底承载力或基底允许承载力没有明确规定。在《规范》[10]中，要求“在软土地基上修筑路堤，应进行稳定验算与沉降计算\来检验软土地基的强度与变形是否满足要求。

建筑部门通过多年的工作经验,已经积累了大量有关地基承载力或地基允许承载力的资料或经验确定值，借鉴使用这些资料或经验确定值非常简单、方便，对初步确定填筑路堤基底的强度与变形具有非常重要的意义.一般来讲，将建筑部门的地基允许承载力用于公路路堤基底偏于保守或不经济.

⑴膨胀土软基承载力确定与使用

膨胀土软基承载力可通过荷载试验法、计算法、经验法确定.荷载试验宜采用浸水荷载试验。计算法采用三轴不排水快剪试验确定土的抗剪强度,再根据国家现行的岩土工程勘察规范或建筑地基基础设计规范计算地基的承载力。经验法

［10］可参考《规范》对于一般工程经验确定值。

承载力确定后，可根据式（3—1）初步判断膨胀土软基的强度与变形是否满足路堤的要求:

fkpphem （3-1) 式中：h—路堤高度,m;

em—路堤填土平均重度，kN/m3；

Pp—路面压强，kPa；

fk—膨胀土软基承载力，kPa。

［10]

若根据上式初步判断膨胀土软基不满足要求，则需按《规范》中要求,进

行稳定验算与沉降计算,来进一步确定其强度与变形是否满足要求。

⑵换填材料选择或改性膨胀土掺灰率设计

换填材料可选用强度较大、水稳性及透水性好的圆砾、角砾、碎石、砂土、砂性土,也可选用无侵害性、无环境污染，且工程性质符合要求的矿渣、煤渣等材料。受取土条件限制时，也可使用无病害黏性土。但使用黏性土时，应作好地下排水设计，如路基渗沟设计等。

膨胀上改性掺灰量通过CBR击实试验确定。采用重型标准击实试验时，要求85%压实度时，CBR值大于8。一般3％的掺灰率，各种膨胀土均可达到上述要求。与采用勃性土换填类似，采用膨胀土掺灰改性措施时,应作好地下排水设计，如路基渗沟的设计等.

⑶换填或掺灰改性厚度确定

采用换填浅层掺灰改性措施时,宜将浅层的膨胀土软基全部挖出，直至承载力满足要求的下卧层.从施工角度考虑，一般要求换填或膨胀土掺灰改性深度不超过3。0m。换填宽度与路堤基底宽度一致。

⒉挖方路段及小于lm高度填方路段的换填与掺灰改性设计 ⑴换填材料选择或改性膨胀土掺灰率设计

［10]

换填材料一般选用压实度、强度(CBR值）、最大粒径可达到《规范》要求

且稳定性能好的无病害土，包括碎石、砂土、砂性土、豁性土等，也可选用无侵害性、无环境污染，且工程性质附和要求的矿渣、煤渣等材料。

膨胀土掺灰量通过灰土的膨胀性试验与CBR击实试验确定，以完全消除膨胀性，且CBR值达到规范要求时的掺灰量为设计标准掺灰量。

国内外已有的研究成果表明，虽然膨胀土的种类存在差异,但改性膨胀土的最优掺灰率变化不大，一般介于3%—8%之间.掺灰膨胀土的强度提高先于膨胀性改善。当掺灰率达到3％时，改性土的强度发生显著提高；当掺灰率为5％时，膨胀性才会有显著消弱。

此外，由于掺灰改性土的工程性质的特殊性，本设计建议：

①掺灰膨胀土混合料应在样品养护1—3d后进行击实试验，来确定最大干容重与最佳含水量.

②由于石灰土的强度和变形模量均比一般天然土高很多,在满足强度与变形要求的前提下,掺灰改性土的压实可以低于上路床填土的压实度，即低于95%的压实度。一般而言,采用重型击实标准时，灰土的85%压实度即可满足路床的强

度与变形要求.

⑵换填或掺灰改性厚度确定

［11］

《规范》中规定：高速公路及一、二级公路路基填土高度小于路面与路

床的总厚度，基底为膨胀土时，宜挖除地表0。3—0.6m的膨胀土，并将路床换填非膨胀土或掺灰处理。

换填或掺灰改性厚度可以通过非扰动土有荷载膨胀量试验确定。试验取地表下80cm深处天然含水量非扰动土进行。通过系列有荷载膨胀量试验，可以求得试样在1％膨胀量变形时的膨胀力，该膨胀力称作膨胀力标准值。

可换填或掺灰改性厚度以式(3—2)计算确定。若计算值小于30cm，则取30cm。

hpepph (3—2）

式中:h—设计换填土或掺灰改性土的厚度，m；

pe—换填土层或掺灰改性土层底面下膨胀土的膨胀力标准值(试样在1％膨胀量变形时的膨胀力)，kPa；

pp—路面结构层压强,kPa；

h—压实后换填土层或掺灰改性土层容重,kN/m³。

3。4 石灰桩或灰土桩法

石灰桩是房屋建筑部门常用的地基处理方法。它采用机械或人工方法在地基或堑坡中成孔，然后灌人生石灰或生石灰与粉煤灰、火山灰、水泥等的掺和料及少量外加剂，并振密或夯实而形成桩体。石灰桩与经改良的桩周土组成石灰桩复合地基，以支撑上部建筑物。石灰桩的加固深度可以从几米到十几米.

本章的石灰桩法主要用于公路路堤的膨胀土基底加固或膨胀土堑坡的稳定性加固。用于公路膨胀土地基处理的石灰桩与房屋建筑使用的石灰桩,在工作机理与设计计算上略有差异.用于公路膨胀堑坡稳定的石灰桩更偏重于石灰对膨胀土的改性作用。因而,稳定膨胀土堑坡的石灰桩较建筑地基处理的石灰桩孔径更小，桩体更密。

3。4.1 原理与适用范围

石灰桩既适用于厚度超过2。0m的膨胀土软基，也适用于弱与中等膨胀土开挖堑坡.但两者的加固原理与设计原则存在一定差异。用于处理膨胀土软基的石灰桩一般为2—10m。

1。石灰桩加固膨胀土软基原理

石灰桩对膨胀土软基的加固原理可归纳为:桩周土的改性与胶结作用、置换作用、排水固结作用、桩与桩间土的高温效应、膨胀挤密作用.

⑴桩周土的改性与胶结加固作用

桩孔中的生石灰与桩周接触的膨胀土会发生离子交换、化学与凝胶反应等,从而对桩周膨胀土起到改性与胶结加固作用。石灰对膨胀土的改性机理具体参看上节的“石灰改性膨胀土的机理”.

在天津清代道台衙门旧址建筑物下曾发现石灰桩对土的胶结作用证据。该桩长3050cm不等,性状上大下小，如钟形。发现时，桩中心仍然呈软膏状，但桩周约2cm的土却形成了一层坚硬的外壳，近于陶土的色调。生石灰对膨胀土的改性作用范围更宽。

⑵置换作用

石灰桩较桩间土具有更大的强度(抗压强度约500kPa)，其作为竖向增强体与桩间土形成复合地基。石灰桩在复合地基中发挥着桩体作用。当承受荷载时，刚度较大的桩承担较大的应力，约分担了30%的荷载(在正常置换比下).根据国内实测数据，石灰桩复合地基的桩土应力比一般为2.5-5。0。

石灰桩这种置换作用在膨胀土地基具有独特功用。当桩间浅层膨胀土吸水膨胀时，桩分担的荷载将部分退还转移给周围的膨胀土，从而抑制浅层膨胀土的胀缩变形。

⑶排水固结作用

试验表明，石灰桩体的渗透系数一般为10-5—10-3cm/s，相当于细砂的渗透系数.由于石灰桩间距较小（一般为2—3倍桩体直径)，水平路径很短，具有很好的排水固结作用.从建筑物沉降观测记录表明，建筑竣工使用时,其沉降已基本稳定,沉降速率在0.04mm/d左右。

当桩体掺和料采用煤渣、矿渣、钢渣等粗颗粒料时，排水固结作用更加明显. ⑷桩与桩间土的高温效应

软基膨胀土含水量较高。1kg生石灰的消解反应要吸收0.32kg的水，同时放出1164kJ的热量。加掺和料的石灰桩，桩内温度可高达200—300℃，桩间土的温度最高可达到40—50℃，从而使膨胀土产生一定的汽化脱水，膨胀土中含水量下降，土粒靠拢挤密，强度提高。

⑸膨胀挤密作用

石灰桩的生石灰吸水膨胀,使桩间膨胀软土受到强大的挤压力，这对地下水位以下软土的挤密起主导作用。测试结果表明,自然状态下，生石灰熟化后的体积可增加到原来的1.5-3.5倍,质量好的一等钙石灰的体胀约为3—3。5倍。

2.石灰桩稳定膨胀土堑坡原理

石灰桩对膨胀土堑坡的稳定原理可归纳为：桩周膨胀土的改性作用，边坡的分隔加固作用、排水作用。

⑴桩周膨胀土的改性作用

石灰对膨胀土的改性机理具体参看上节的“石灰改性膨胀土的机理”，用于稳定膨胀土石灰桩具有桩径小、桩体密的特点。这样，生石灰对桩周的膨胀土改性作用面积大大增加.以生石灰离子在膨胀土中渗透与影响距离15cm计算,则桩径15cm、桩距60cm、正三角形排列的石灰桩，其换土与膨胀土改性总面积可达51％.

桩周膨胀土的改性作用与桩本身的换土作用，较好地增强了膨胀土堑坡浅层土体的整体强度，改善了整体的胀缩性。

⑵边坡表层的分隔加固作用

由于膨胀土中大量地、不均匀地分布着各种尺寸的结构面(如裂隙、构造软弱面、断裂滑面),使其路堑边坡破坏并表现出某些随机性质,既可以发生在坡脚、玻腰或坡顶，也可以发生在任何局部地段.

针对这种局部破坏，有效的防护措施就是分隔支护。堑坡上的石灰桩以自身为结点,组成一个类似于三角形网格状结构，将堑坡的浅层膨胀土分隔加固，可以有效地阻止膨胀土的随机局部破坏和边坡的分级逐次破坏.分隔加固的优点在

于，即使某一个网内的膨胀土发生变形与破坏,也不会将这种变形与破坏扩散到其他部位,极大地减少了膨胀土浅层病害的发生规模与次数。

⑶排水作用

石灰桩体的渗透系数一般为10—5—10-3cm/s，相当于细砂的渗透系数。这样，堑坡某一部位土体中的渗水很快可以通过其下游的石灰桩顺利排出,从而减少了土中积水引发的膨胀土变形与破坏。

3。4.2 设计计算

⒈用于公路膨胀土地基处理的石灰桩设计分为3种类型：

⑴挖方路段膨胀土堑坡加固的石灰桩设计； ⑵填方路段膨胀土软基的石灰桩加固设计;

⑶公路桥涵地基与基础设计.公路桥涵地基与基础设计参考《规范》[10］。 ⒉膨胀土堑坡加固的石灰桩设计计算

⑴石灰桩设计

①材料选用新鲜的生石灰,并需过筛，一般要求石灰粒径20mm左右，含粉量不得超过总重量的20％,Ca0含量不得低于70%，夹石含量不大于5%。

②桩径的设计根据施工工艺确定，一般为10—30cm。为了防止桩中心的软化现象，本设计建议取15cm.灰土桩可取较大直径，建议取30cm。

③桩距一般取3.5-5倍的桩径。具体设计时可根据膨胀土的膨胀性强弱及气候变化剧烈程度，在此区间选择桩距。弱膨胀土可选择桩径5倍的桩距，中等膨胀土可选择3。5倍的桩距。

④桩长根据膨胀土类型及当地大气风化深度确定.原则上讲，桩长应大于膨胀土强风化层厚而小于强风化层厚与弱风化层厚之和.强风化层厚一般为0。4—1m，弱风化层厚一般为1—1.5m。一般桩长取1.0-1。5m。

⑤建议桩体竖直布置,桩孔在坡面上采用正三角形排列。 ⑵其他配合措施设计

包括边坡表层排水、浆砌块石或混凝土骨架、植草等设计。

⒊石灰桩加固膨胀土软基的设计计算

膨胀土软基承载力确定与使用填方路堤膨胀土软基的承载力确定与使用，参考“浅层换填与掺灰改性法”有关内容。

⑴石灰桩设计

①材料选用新鲜的生石灰，含粉量不得超过总重量的20％，Ca0含量不得低于70％，夹石含量不大于5％。试验证明，小粒径生石灰加固效果优于块灰，应用时将石灰块碎成小粒径，一般要求石灰粒径20mm左右。生石灰中掺人适量粉煤灰或火山灰等含硅材料时，粉煤灰或火山灰与生石灰的重力配合比一般为3:7。粉煤灰应采用干灰，含水量w〈5％，使用时要求与生石灰拌均匀.

②桩径的设计根据施工工艺确定，一般为15—50cm。若桩的材料只有生石灰，而无辅助掺料时，为了防止桩中心的软化现象，本设计建议桩径取值不超过30cm.

③桩距一般取3-4倍的桩径距离。一般距桩中心4倍距离以外的土得不到加固，桩体石灰对膨胀土的影响作用也减至零。桩位布置在平面上可采用梅花形、正方形或矩形排列。

④桩长的长度，即加固层厚度应满足桩底未经加固土层的承载力要求。加固膨胀土软基的石灰桩长度一般取值2-4m.

⑵复合地基承载力计算

经石灰桩加固的膨胀土软基为复合地基，其承载力标准值应通过现场单桩复合地基或群桩复合地基荷载试验确定。有经验时，也可按下式估算：

'1mn1 （3—3) fspkfspk 式中：

'

fspk

fspk

—石灰桩复合地基承载力标准值,kPa；

—加固后桩间土承载力标准值，kPa，可根据加固后土的物理力学

指标(平均含水量、孔隙比等)查有关规范确定;

m—石灰桩水化膨胀后面积置换率，为桩体的横断面积与该桩体所对应的复合地基面积之比；

n—桩与土的应力比，由试验确定，无实测资料时可取3—5,当桩身强度较高时也可取5—8。

当石灰桩复合地基以下有软弱下卧层时，按下式验算下卧层的地基承载力:

pzpczfz （3—4）

式中：pz—软卧下卧层顶面处的附加压力设计值，kPa，即路堤、路床、路面总重力;

pcz—软弱下卧层顶面处的复合地基自重压力标准值,kPa； fz—软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力设计值,kPa。 江苏省建筑设计院通过相当数量的土工物理参数和静荷载等试验,总结出以下可供设计参考的经验数据：

①桩身变形模量ES=10-30MPa；ES=（3-5）EC（EC为桩间土变形模量); ②石灰桩加固后的复合地基承载力为原天然地基承载力的2.0—3.3倍； ③加固后的含水量下降30％;

④受生石灰改性作用影响,土的塑限含水量大幅下降，液限下降30%—45%，土的状态明显改善;

⑤土的天然容重增加20％以上，孔隙比减少15％—40%； 土的黏聚力和无侧限抗压强度提高40%—70％. ⑶复合地基变形计算

填方路基的最终沉降量由路基填料的工后压缩沉降与基底压缩沉降组成。膨胀土软基经石灰桩加固后,在桩长范围内复合地基的压缩模量按下式估算:

EspEs1mn1 （3—5） 式中:

Esp—石灰桩复合土层的压缩模量,MPa;

'E s-桩间土的压缩模量，MPa，由室内土工试验或现场测试确定。

m，n—与复合地基承载力估算公式相同。

桩长范围内复合土层的沉降量也可按桩长的0。5%—1％估算.正常情况下，桩底下卧层的沉降量为主控沉降量。

3.5 有机大分子溶液改良法

使用溶液改良土的原理是往土中掺加高价金属盐类物质或有机阳离子化合物，通过离子交换吸附，削弱蒙脱石晶内负电斥力和减薄双电层的厚度，从而抑制蒙脱石晶内膨胀性和黏土微粒之间膨胀性，改善土的吸水性。膨胀土的改良液均为粒子溶液，特别适合路堑边坡的土体改良。高价阳离子无机盐类改良剂一般使用具有强吸附度的可溶性Fe3+粒子盐和Al3+粒子盐,如FeCl3，FeCl2，Fe2(FeSO4）

3，FeSO4，AlCl3（其中亚铁粒子可自然氧化转为三价粒子）等。

有机阳离子在矿物黏粒表面具有非常大的附着力，以及引起黏土胶体颗粒凝聚的聚结能力。用有机阳离子化合物改良膨胀土的性质具有以下优势：

⒈能显著改变土的水敏膨胀属性；

⒉由于膨胀土作用速度快，当它伴随大量的水注人土层时,不会触发深层土的膨胀；

⒊有效作用时间长；

⒋在低渗透硬土中容易渗透和扩散； ⒌能提高土体力学强度； ⒍无毒性,对环境影响小.

有机阳离子化合物改良膨胀土技术研究首获成功并将其应用于商业的是美国的CONDOR公司，它发明的磺化油(Sulphonated oil)稳定剂在美国得克萨斯州建筑物地基、机场道路、排水渠等工程的膨胀土处理措施中被普遍采用.根据得克萨斯州建筑场地膨胀土处理前后的资料，经处理的中膨胀土,其膨胀率趋向于零，内摩擦角增加约2.5倍。广西区交通科学研究所使用DAH固化混合液加固膨胀土路堑边坡获得成功，并在广西境内推广使用.

3.5。1 原理与适用范围

DAH化学改良液使用时，将其与水可以按1:200-1:500比例制成水溶液，该水溶液具有较强的渗透性。因此,DAH化学改良液多用于膨胀土堑坡稳定处理，也可用于膨胀土路基基底的改性处理.

DAH化学改良液为混合溶液，由DAH有机阳离子和可溶无机盐按一定比例配制而成.DAH有机阳离子同时具有亲水基团和憎水基团。DAH分子进入黏土矿

物晶格后,亲水基团指向极性水分子，憎水基团指向矿物晶片,形成单分子吸附层，将膨胀性黏土矿物晶格中的水释放并驱赶出来，使黏粒矿物（如蒙脱石）的吸水特性减弱，从而改变其反复胀缩性质混合溶液中的无机盐可解离出交换性高价阳离子。这种高价阳离子进人矿物晶层间,置换出低价的钾、钠离子，提高晶层间的联结作用，从而使膨胀土性质发生根本改变。此外，混合液中的DHA分子与无机盐阳离子，通过离子交换吸附，可以减薄双电层的厚度，从而抑制黏土微粒矿物之间膨胀性。

试验证明DAH溶液对膨胀土的改良效果非常显著。膨胀土经过改良后，自由膨胀率降低17％—24％，塑性指数下降22%—105％，无侧限抗压强度提高2—3倍左右，直接抗剪强度主要体现为黏聚力值的大幅提高，约提高7—14倍左右，改良后膨胀土的水稳性也得到极大改善。

DAH改良液具有较强的渗透性。通过在边坡上打孔的渗透工艺,膨胀土边坡的改良深度可达0。6—1。5m深左右。根据经验渗透孔为Ф25mm,深80—100cm，间距lm的梅花状分布小孔。

经过DAH溶液的渗透改良，在开挖的膨胀土边坡上形成一个厚约0。6—1.5m的“正常土\"保护盖层.该保护盖层水稳性好，抗裂、抗剪强度较高，无胀缩变形或胀缩变性较小，不易发生溜塌或隆胀破坏。由于改良后的膨胀土塑性指数大幅度减小，含水量降低，蒸发失水时形成裂隙大为减少情况，再经过坡面夯实处理,有效地阻止了雨水的继续下渗，维持了其下伏膨胀土中水分含量的稳定,从而保护边坡使其不遭受反复性的溜塌破坏。

所有人造覆盖物工程护坡措施均存在护坡体与边坡土体的接合处理问题.由于材料特质(如变形模量、渗透系数等)的差异性,人工护坡体(如水泥预制块)与土体(如膨胀土）接合部的处理设计难度较大，且施工质量难以保证。因而,护坡体与边坡土体的接合部极易发生破坏.改良膨胀土盖层与下伏膨胀土之间的结构没有遭到破坏，不存在接合处理问题,有利于边坡的稳定。此外，改良盖层与膨胀土的变形模量一致,因而两者在变形上具有很好的适应性[12。

］

3.5.2 设计与试验

⒈使用DAH改良液稳定膨胀土路堑边坡的设计包括以下几个方面内容： ⑴确定DAH改良溶液掺配比例的土工试验；

其他配合措施:确定边坡的开挖坡比，边坡内部支撑渗沟与表面排水系统，

坡面植草防护。

⑵确定DAH溶液掺配比例的土工试验

用麻花钻在膨胀土边坡上钻取十个左右的原状土土样，进行室内渗透改良试验以确定DAH溶液在膨胀土中的掺配比例与喷洒次数.实验内容包括DAH溶液的渗透性、自由膨胀率、膨胀量、液塑限、抗剪强度、水稳性等,以此掺配比例作为施工控制标准。

由于单纯采用自由膨胀率对土的膨胀性质进行判别会产生较大误差，宜采用多指标进行综合判别。在广西宾阳—南宁高速公路上，重点考察CBR值、膨胀量、液限、塑性指数这4个指标。改良深度要求至少50cm深。

⒉其他配合措施

［10］膨胀土边坡的开挖坡比设计可以参考《规范》中膨胀土路基部分的相关

要求。膨胀土路堑边坡的坡比并不是越缓越好，边坡坡度越缓，反而越不利于排水。因此,需通过稳定验算选取最佳坡比。支撑渗沟的主要功能是排出渗入边坡内部的水分,同时对边坡浅层具有加固作用。为了防止冲刷,同时美化环境,骨架之间框格内需植草皮。植草种类选用蒸发率较小,适于本地气候环境成活率高的品种的植物。植草方式可选择铺草皮或种草。

3。6 隔水封闭与渗沟排水法

隔水封闭是采用土工防水布、石灰与钻土混合料等材料对地基或坡面进行隔水封闭，阻止气候干湿循环对膨胀土中含水量的影响，达到稳定路基或边坡的目的。渗沟排水是采用高渗透性砂石填料，在路基或堑坡膨胀土中设置排水管道，将土中渗水排出，避免膨胀土浸水软化，维持路基或边坡的稳定[13］。

3。6.1 原理与适用范围

隔水封闭、渗沟排水一般与其他膨胀土地基处理方法配合使用。单独使用时一般仅限于弱膨胀土。

⒈隔水封闭法的原理与适用范围

隔水封闭法一般用于填土高度不大的路基,主要作用是阻止路面结构层或路堤向地基渗水，或阻止地基中的毛细水向路基迁移，以保障地基膨胀土中含水量的稳定，不致强度变化或变形。地下水位较浅时,必须同时设置排水渗沟.对于强

膨胀土地基,不建议使用该方法。

隔水封闭通常使用材料为石灰与私土混合料.中国国内研制的新型防渗土工纤维材料“两布一膜”复合型土工布，不仅具有防渗功能,还具有排水、反滤作用，提高地基承载力的作用，近年来使用较多.

“两布一膜\"复合型土工布的工作机理：该土工布采用针刺无纺土工布或聚乙烯编织布为基料，PE为母料，添加增塑剂、抗老化剂及各种辅助材料，经热熔、涂覆压延而成。“两布一膜”土工布由上、下各一层土工布，中间夹一层防渗膜构成。这种复合型土工布兼有膜层防渗和织物横向排水的双向功能，且有力学强度高、保温、加固、防滑等作用.复合型土工布铺设在路床表层上，主要起隔离（隔水、隔浆、隔碴）、排水、反滤作用，也起着分散路床应力与提高路床刚度的作用，可以阻止其下层膨胀土发生遇水软化、抗剪强度降低，从而阻止基床剪切破坏等病害。

隔水封闭也可用于路堑边坡的稳定处理,但仅限于弱膨胀土边坡，且必须有支撑渗沟的配合，以避免坡体后部降雨渗入引起坡体内部积水.膨胀土堑坡经常使用的封闭隔水方法为石灰土捶面。

2。渗沟排水的原理与适用范围

排水渗沟包括常用的路基基底使用的平面渗沟与堑坡防护使用的支撑渗沟两种类型。平面渗沟作用在于排掉汇流到路基的地下水；而支撑渗沟不仅可以排水，并且具有阻止膨胀土边坡变形破坏的功能。

排水渗沟即可作为封闭隔水方法的主要配合措施，也可作为换填与掺灰改性、有机大分子溶液改良、石灰桩加固措施的辅助手段使用.

膨胀土路基基底使用的平面渗沟主要用于排出从路面结构层、中央分隔带、路边坡两侧、堑坡两侧人渗的雨水,以及汇集流向挖方路基的地下水。当地下水位较高,或汇集流向挖方路基的地下水较多时，须采用其他膨胀土地基措施，如换填、掺灰改性、石灰桩等。

支撑渗沟兼具有系统排水与“格室\"加固的双重功能。一方面，渗沟排水系统连成一个整体，能有效疏排边坡内的积水,降低膨胀土中含水量变化的不利影响;另一方面,将边坡的整体膨胀势分隔成多个小块加以削弱,危险破坏面剪出口的应力集中被骨架分隔因应力重分布而减弱，能有效阻止边坡塑性区的形成与发展。此外，支撑渗沟系统对小块体的下滑具有部分支挡作用。

路基渗沟一般采用高渗透性的砂石材料；支撑渗沟系统设计须保证一定的强度，以支挡部分土体的下滑.

3。6。2 设计计算

隔水封闭与渗沟设计可分为膨胀土路基基底的隔水封闭与平面渗沟设计，以及膨胀土堑坡的支撑渗沟设计。

⒈膨胀土基底的隔水封闭设计

膨胀土基底隔水封闭使用材料包括：黏土与石灰混合的灰土，与石灰、水泥混合的三合土，以及“两布一膜”复合型土工布。

灰土的配合比为石灰、黏土体积比1:6；三合土的配合比为石灰、水泥、勃土体积比1:1:10.一般要求灰土或三合土压实度达到95％，厚20-30cm。灰土或三合土隔水层的上、下须各铺设一层10—20cm厚中砂保护层，以便施工过程中隔水层不致被破坏。中砂排水兼保护层的横坡坡度应大于2％[14]。

“两布一膜”复合型土工布不仅起到隔水封闭作用，而且还起到提高地基承载力的作用.因此，复合型土工布的设计包括三方面内容:

⑴“两布一膜”复合型土工布各项指标应满足《规范》[10］的有关规定。 ⑵土工布隔水层顶面与底面须铺设中砂保护层,以避免碎石、块石等坚硬凸出物刺破土工布。中砂保护层厚度根据下部地基与上部填料最大粒径碎石确定，一般中砂保护层厚度设定为底部地基或顶部填料中最大碎石粒径的1.4倍，底部中砂保护层厚度不得小于5cm，顶部保护层不得小于l0cm。保护层的横坡坡度要求大于2％。

⑶根据已有研究资料表明，加土工布与不加土工布相比，路基的强度指标CBR值约提高20％。土工布用于提高膨胀土软基承载力时，须设置多层土工布.土工布层数与间距，主要依据填料性质和土工布的抗拉特性，经力学分析及经济比较来确定。

⒉膨胀土基底的平面渗沟设计

膨胀土排水渗沟一般采用填石渗沟型式,其构造由排水层、反滤层、封闭层三部分组成。排水层使用经过筛选和清洗粗砂、砾石填料,排水层高度不小于0.3m。反滤层应尽可能选用颗粒大小均匀的砂石材料，最外层填料颗粒粒径应为含水层土最大粒径8-10倍,相邻两层砂石粒径之比不小于1：4，施工时分层填筑。

反滤层也可使用无纺反滤土工布等新型材料。封闭层主要作用是防止土粒落进排水层孔隙或地面水渗入渗沟内，一般采用浆砌片石封顶。

渗沟的槽宽视沟深而定，一般深度在15—100cm时，宽度在15—25cm；深度在100—200cm时，宽度不小于300-400cm。

渗沟一般沿路基的横向方向布置,其纵坡坡度应不小于1％,多采用5％.渗沟沿横向出路基后,与其他排水设施相连,将地基中积水排出。

渗沟的间距根据积水情况而定，一般其中心线间距为渗沟宽度的2—5倍，积水情况严重者，可设为1.5倍［15］。

⒊膨胀土堑坡的支撑渗沟设计

支撑渗沟为系统结构，由主骨架与支骨架组成。骨架的规格根据当地风化深度确定，一般主骨架的规格为（1。0—1.5）m（深)x（0。6—1。0)m（宽）,支骨架规格为(0.6—1。0）m（深)x（0。4—0.6）m(宽）。骨架的顶面设置与坡面齐平。骨架间距根据膨胀土的强弱与当地气候干湿变化剧烈程度确定。一般主骨架间距设计为5—l0m,支骨架间距为2。5—5。0m。局部平面正视图见图3—1，支撑渗沟系统的剖面图见图3—2,构造支撑渗沟的材料可使用无砂大孔隙贫混凝土、干砌片石等。鉴于支撑渗沟需一定强度来支挡膨胀土局部破坏，本设计建议使用大孔隙贫混凝土。大孔隙贫混凝土要求骨料采用粒径均匀的碎石或圆砾,混凝土的单位立方用量为水泥用量80—100kg,水灰比0。4-0。45，7d强度不低于3。5MPa。要求混凝土成型后的孔隙率为25％左右。为防止雨水下渗,在骨架底设计5cm厚的石灰土捶面与2cm厚的水泥砂浆抹面.

图3-1 支撑渗沟系统的局部平面正视图(尺寸单位:cm）

图3—2 支撑渗沟系统的剖面图（尺寸单位:cm)

无砂大孔混凝土骨架浇筑时，由下至上进行,将按照设计配合比拌制好的混凝土均匀倒人开挖好的沟槽,不用砌筑，不用振捣,只须将其表面修整，大致与原坡面齐平即可。