1、第3章 膨脹土地基的處理3.1 膨脹土的判別方法與標準準確判別膨脹土及評價膨脹勢大小是膨脹土地基處理首要解決的問題。若將膨脹土漏判或將強膨脹土判為弱膨脹土，會給工程埋下隱患；若將普通土誤判為膨脹土或將弱膨脹土為強膨脹土，會造成經(jīng)濟的巨大浪費。已有的工程教訓證明，許多膨脹土的工程危害是由工程人員對膨脹土誤判造成。目前，國內外關于膨脹土判別分級的指標有幾十種之多，我國不同行業(yè)之間的判定方法與標準亦不相同。國內工程設計常用的判別標準主要有以下3類。第4類為本設計建議使用的判別標準。原國家建委標準3該規(guī)范以自由膨脹率為判據(jù)，特殊情況下可以根據(jù)蒙脫石含量來確定自由膨脹率大于40%，或蒙脫石含量大于7%時

2、，可判定為膨脹土。其后的建筑地基基礎設計規(guī)范也有相近內容的規(guī)定。膨脹上的分級標準見表3-1表 3-1 膨脹土級別標準(原國家建委) 自由膨脹率（%）蒙脫石含量（%）膨脹土級別自由膨脹率（%）蒙脫石含量（%）膨脹土級別10060100251425強膨脹土中膨脹土4060714弱膨脹土2. 鐵道部行業(yè)標準4規(guī)則中，膨脹土的判別分為初判和詳判。初判適用于踏勘與初測階段，詳判適用于定測與施工圖設計階段。初判依據(jù)為土的現(xiàn)場宏觀地質特征、自由膨脹率、液限。土的現(xiàn)場宏觀地質特征符合膨脹土特征，且自由膨脹率Fs40%，液限Wl40%時，判定為膨脹土。膨脹土的現(xiàn)場宏觀地質特征詳見規(guī)則。詳判時，使用自由膨脹率、蒙

3、脫石含量與陽離子交換量3項指標。當符合其中2項指標時，判別為膨脹土。注:CEC100表示100g干土的陽離子交換量，單位為(mmol)NH4+。3.交通部標準5規(guī)范中，要求自由膨脹率大于40%和液限大于40%的黏土質，可初判為膨脹土，但這并不是惟一的，最終決定因素是“脹縮總率及膨脹的循環(huán)變形特征，以及與其他指標相結合的綜合判別方法”。其膨脹土工程地質分類見表3-3。表 3-3 膨脹土工程地質分類(交通部) 分類野外地質特征主要黏土礦物成分0.002mm黏粒含量（%）自由膨脹率（%）膨脹總量（%）強膨脹土中膨脹土弱膨脹土 灰白、灰綠色，黏土細膩，滑感特強，網(wǎng)狀裂隙極發(fā)育，有蠟面，易風華成細粒狀、

4、鱗片狀 以綜、紅、灰色為主，黏土中含少量粉砂，滑感較強，裂隙較發(fā)育，易風化成碎粒狀，含鈣質結核 黃褐色為主，黏土中含較多粉砂，有滑感，裂隙發(fā)育，易風華成碎粒狀，含較多鈣質結核或鐵錳質結核蒙脫石伊利石蒙脫石伊利石蒙脫石伊利石高嶺石50355090659040654240.72.0注:脹縮總率為土在50kPa壓力下的膨脹率與收縮率之和。4.建議使用的公路膨脹土判別與分級標準上述原國家建委、鐵道部膨脹土判別與分級標準均要求定量測定膨脹性黏土礦物，如蒙脫石的含量。這種微觀礦物含量的測定一般只有研究單位的專門試驗室才能完成，且花費時間較長，給工程設計與施工帶來很多困難。事實上，設計與施工單位很少采用。交

5、通部規(guī)范膨脹土評價標準中的脹縮總率指標來自考慮地基承載力的房屋建筑部門。它完全不符合公路工程低荷載或零荷載的工程狀況，且確定該指標所需要的一些參數(shù)又很難獲取。我國交通部第二公路勘察設計研究院(以下簡稱“中交二院”)通過大量研究工作，提出以標準吸濕含水率與塑性指數(shù)2個分類指標作為膨脹土的判別與分級標準。所謂標準吸濕含水率指，在標準條件下(溫度252，相對濕度60%3%),膨脹土試樣從天然含水量脫濕至平衡后的含水量。標準吸濕含水量與蒙脫石含量、陽離子交換量及比表面積之間具有良好的線性相關性，反應了膨脹土的本質特性。塑性指數(shù)很好地反映了粒度組成、分散特性及陽離子與黏土礦物之間的相互作用。采用標準吸濕

6、含水率與塑性指數(shù)對土的膨脹勢分級的指標見表3-4。標準吸濕含水率測定的具體方法見參考文獻7或文獻15中膨脹土的判別與分類新方法一文。 表3-4 土的膨脹勢分級指標(中交二院) 膨脹勢分級非膨脹土弱膨脹土中等膨脹土強膨脹土標準吸濕含水率ws（%）塑性指標Ip（%）自由膨脹率Fs（%）Ws2.5Ip15Fs402.5ws4.815Ip3040Fs604.8ws6.830Ip4560Fs906.8ws45Ip90Fs注:自由膨脹率僅為參考指標，不作為控制指標。中交二院研究提出的膨脹勢分級判別指標反應了膨脹上的本質，并具有測定簡單、便捷，所獲數(shù)據(jù)可靠、重現(xiàn)性好的優(yōu)點，便于設計與施工單位廣泛應用。3.2

7、 處理方法針對膨脹土的工程特性與膨脹土地基的病害特點，并考慮工程的經(jīng)濟性，可以從換填、改性、隔水封閉、滲溝排水4個角度，歸納總結膨脹土地基處理措施與技術方法6。1.換填與膨脹土摻灰改性法換填與淺層膨脹土摻灰改性法適用于淺層平面地基(路基基底)條件，一般處理深度不大于3.0m。與其他方法相比，一般換填法的造價最低。但換填方量過大時，廢土可能占用大量土地，并引發(fā)生態(tài)環(huán)境問題；某些地區(qū)可能還存在借土困難或借土成本過大的問題。這時，可考慮膨脹土改性法或石灰樁加固法。2.有機大分子溶液改良法改良技術既適用于斜面地基(塹坡)，又適用于平面地基(路基基底)，一般多用于膨脹土塹坡的淺層穩(wěn)定性處理。目前，國內比

8、較成熟的有機大分子溶液改良技術有UAH改良液等。3.石灰樁或灰土樁加固法石灰樁或灰土樁加固法對于斜面地基(塹坡)和平面地基(路基基底)均適用。對于厚度較大的膨脹土軟基處理時，石灰樁或灰土樁加固法具有獨特的優(yōu)勢，一般用于厚度大于2.0m的膨脹土軟基。4.隔水封閉與滲溝排水法隔水封閉是采用土工防水布、石灰與貓土混合料等材料對地基或坡面進行隔水封閉，阻止氣候干濕循環(huán)對膨脹土含水量的影響，達到穩(wěn)定路基或邊坡的目的。由于隔水封閉法的施工質量控制標準要求較高，建議設計時慎用。采用隔水封閉措施，必須同時使用排水滲溝或其他排水措施，兩者缺一不可。排水滲溝也可作為換填與摻灰改性、有機大分子溶液改良、石灰樁加固措

9、施的輔助手段使用。該方法包括常用的路基基底使用的平面狀滲溝與塹坡防護使用的支撐滲溝兩種類型。平面滲溝作用在于排掉匯流到路基的地下水;而支撐滲溝不僅可以排水，并且具有阻止膨脹土邊坡變形破壞的功能。3.3 淺層換填與摻灰改性法當公路路基的基底為劣質土(或者說土的變形或承載力不符合要求)，且劣質土層的厚度又不很大時，將原地表以下處理范圍的劣質土部分或全部挖去，換填為性能穩(wěn)定或強度較大、無侵蝕性的其他材料，并分層壓實至要求的密實度，這種地基處理方法稱為換填法。膨脹土摻灰改性是將原地膨脹土翻松，摻加一定比例的石灰后，分層壓實的方法。該方法經(jīng)過一段時間的養(yǎng)護，可以很好地消除或減小膨脹性，提高土體強度，降低

10、土中的含水量7。3.3.1 原理和適用范圍1.淺層換填法與摻灰改性法的原理及適用范圍換填摻灰改性法適用于公路的所有平面地基，既適用于填方路堤基底的處理，也適于挖方路面下的地基處理。具體換填設計時，若換填方量過大，應考慮借土與廢方對生態(tài)環(huán)境的不良影響。填方與挖方路段兩者的換填與摻灰改性原理也有所不同。填方路堤，特別是高路堤的基底承受路堤及路面重力的壓力較大，基底換填是以強度較高的材料代替膨脹土地基，摻灰改性是將低強度的膨脹土地基改性為高強度的灰土，兩者以提高地基的承載力，避免地基破壞為目的。小于1m填方路堤基底的換填或摻灰改性目的主要是為了消除膨脹土基底的脹縮變形。從施工角度考慮，一般要求換填或

11、摻灰改性的膨脹土地基深度不超過3.0m。當膨脹土地基厚度超過3.0m，應考慮其他措施，如石灰樁等。當膨脹土地基的地下水位較高，或所處地理位置為匯水的低洼地帶時，應認真作好排水設一計，包括地面排水與地下排水。地下排水的滲溝設計見后文。挖方及零填方路段的地基同時擔任路床的角色。通過地基膨脹土換填或摻灰改性，一方面可以消除路面以下膨脹土脹縮變形對路面的破壞作用，另一方面可以提高處理深度范圍內土的強度與變形模量，使CBR值(加州承載比，是一種衡量道路彎沉量的試驗值)達到高等級公路上路床的標準要求，即CBR8。大于1m填方路堤的基底換填或摻灰改性設計時，主要考慮因素是膨脹土地基的承載力；小于lm填方路堤

12、的基地換填或摻灰改性設計時，主要考慮因素是基底的膨脹變形量或膨脹力；挖方與零填方路段地基換填或摻灰改性設計時，考慮的主要因素是路床的變形與強度要求標準，及換填深度對下伏膨脹上膨脹性的抑制作用。2.石灰改性膨脹土的機理石灰對膨脹土的改性機理表現(xiàn)為5種作用：陽離子交換(cationic exchange)；凝聚(ag-glomeration)；細凝反映(flocculation)；碳酸巖化(carbonation)；膠結或凝硬作用(cementationor pozzolanic reaction)。膨脹土組成以蒙脫石、伊利石、高嶺石等勃土礦物為主。黏粒表面吸附有大量的金屬陽離子，當摻人石灰后，由

13、于土中產生過量的Ca2+離子，同時Ca(OH)2分子電離的OH-離子形成強堿環(huán)境，使得Ca2+置換了膨脹土黏粒表面的某些陽離子，如K+，Na+，F(xiàn)e2+等(Mg2+除外)，由此改變了黏粒表面的帶電狀態(tài)，結果使膨脹土顆粒很快地凝聚起來而提高了土的初期強度。細凝過程與陽離子交換過程同時發(fā)生。由于孔隙中電解質濃度的增加，Ca2+離子被吸附在豁土的表面，蒙脫石晶層間的水向外溢出，土體體積減少。摻灰改性土的石灰碳酸巖化反應生成的CaCO3在摻灰土中多形成長短不等的棒狀物、針狀物及網(wǎng)狀物，它們將豁土顆粒聯(lián)結或包裹起來，集聚成粉粒或更大的團粒。這些大顆粒的粒徑多集中于0.050.005mm之間。石灰的碳酸巖

14、化是促使赫粒集聚、消除脹縮性、提高強度，并保持長久穩(wěn)定的根本原因。摻灰改性土的典型化學式方程表達如下：CaCO3：除了本身具有較高強度外，它與鋁酸鈣作用也可起到加固土的作用。由于這個反應過程緩慢，對于改善土的工程性質初期作用不大，但隨時間的延長改善作用會越來越明顯。膠結或凝硬反映相當復雜，也需要很長時間。膠結或凝硬反映使土中相當一部分SiO2形成SiO2水溶性膠體粒子，氧化鋁也可形成一些膠體粒子。這些生成物聚凝后也會改善膨脹土的工程性質，主要作用是提高石灰土的后期強度及耐久性。該過程類似于水泥的水化反應過程，CaO與水發(fā)生反映放出的熱，在初期加快了凝硬反映。同時，實驗表明，石灰土浸水后強度還會

15、提高，某種意義上可將其視為水硬性材料。3.3.2 設計計算公路膨脹上地基淺層換填與摻灰改性設計分為3類:大于等于lm高度路堤的基底換填與摻灰改性設計；挖方路段，包括小于lm高度填方、零填方路段的換填與摻灰改性設計；公路橋涵地基與基礎設計。公路橋涵地基與基礎設計參考規(guī)范8。路堤基底換填與摻灰改性設計浸水后膨脹土的強度與變形指標急劇降低，承載力一般在80150kPa范圍內。因此，對于填方路堤高度大于3.0m的膨脹土軟基應進行工程處理。目前，公路行業(yè)標準在規(guī)范9中對橋涵地基的設計給出了使用地基允許承載力的具體方法與標準。但對路堤設計的基底承載力或基底允許承載力沒有明確規(guī)定。在規(guī)范10中，要求“在軟土

16、地基上修筑路堤，應進行穩(wěn)定驗算與沉降計算”，來檢驗軟土地基的強度與變形是否滿足要求。建筑部門通過多年的工作經(jīng)驗，已經(jīng)積累了大量有關地基承載力或地基允許承載力的資料或經(jīng)驗確定值，借鑒使用這些資料或經(jīng)驗確定值非常簡單、方便，對初步確定填筑路堤基底的強度與變形具有非常重要的意義。一般來講，將建筑部門的地基允許承載力用于公路路堤基底偏于保守或不經(jīng)濟。膨脹土軟基承載力確定與使用膨脹土軟基承載力可通過荷載試驗法、計算法、經(jīng)驗法確定。荷載試驗宜采用浸水荷載試驗。計算法采用三軸不排水快剪試驗確定土的抗剪強度，再根據(jù)國家現(xiàn)行的巖土工程勘察規(guī)范或建筑地基基礎設計規(guī)范計算地基的承載力。經(jīng)驗法可參考規(guī)范10對于一般工

17、程經(jīng)驗確定值。承載力確定后，可根據(jù)式(31)初步判斷膨脹土軟基的強度與變形是否滿足路堤的要求： （31）式中：路堤高度，m； 路堤填土平均重度，kN/m3； 路面壓強，kPa； 膨脹土軟基承載力，kPa。若根據(jù)上式初步判斷膨脹土軟基不滿足要求，則需按規(guī)范10中要求，進行穩(wěn)定驗算與沉降計算，來進一步確定其強度與變形是否滿足要求。換填材料選擇或改性膨脹土摻灰率設計換填材料可選用強度較大、水穩(wěn)性及透水性好的圓礫、角礫、碎石、砂土、砂性土，也可選用無侵害性、無環(huán)境污染，且工程性質符合要求的礦渣、煤渣等材料。受取土條件限制時，也可使用無病害黏性土。但使用黏性土時，應作好地下排水設計，如路基滲溝設計等。膨

18、脹上改性摻灰量通過CBR擊實試驗確定。采用重型標準擊實試驗時，要求85%壓實度時，CBR值大于8。一般3%的摻灰率，各種膨脹土均可達到上述要求。與采用勃性土換填類似，采用膨脹土摻灰改性措施時，應作好地下排水設計，如路基滲溝的設計等。換填或摻灰改性厚度確定采用換填淺層摻灰改性措施時，宜將淺層的膨脹土軟基全部挖出，直至承載力滿足要求的下臥層。從施工角度考慮，一般要求換填或膨脹土摻灰改性深度不超過3.0m。換填寬度與路堤基底寬度一致。挖方路段及小于lm高度填方路段的換填與摻灰改性設計換填材料選擇或改性膨脹土摻灰率設計換填材料一般選用壓實度、強度(CBR值)、最大粒徑可達到規(guī)范10要求且穩(wěn)定性能好的無

19、病害土，包括碎石、砂土、砂性土、豁性土等，也可選用無侵害性、無環(huán)境污染，且工程性質附和要求的礦渣、煤渣等材料。膨脹土摻灰量通過灰土的膨脹性試驗與CBR擊實試驗確定，以完全消除膨脹性，且CBR值達到規(guī)范要求時的摻灰量為設計標準摻灰量。國內外已有的研究成果表明，雖然膨脹土的種類存在差異，但改性膨脹土的最優(yōu)摻灰率變化不大，一般介于3%8%之間。摻灰膨脹土的強度提高先于膨脹性改善。當摻灰率達到3%時，改性土的強度發(fā)生顯著提高；當摻灰率為5%時，膨脹性才會有顯著消弱。此外，由于摻灰改性土的工程性質的特殊性，本設計建議：摻灰膨脹土混合料應在樣品養(yǎng)護13d后進行擊實試驗，來確定最大干容重與最佳含水量。由于石

20、灰土的強度和變形模量均比一般天然土高很多，在滿足強度與變形要求的前提下，摻灰改性土的壓實可以低于上路床填土的壓實度，即低于95%的壓實度。一般而言，采用重型擊實標準時，灰土的85%壓實度即可滿足路床的強度與變形要求。換填或摻灰改性厚度確定規(guī)范11中規(guī)定：高速公路及一、二級公路路基填土高度小于路面與路床的總厚度，基底為膨脹土時，宜挖除地表0.30.6m的膨脹土，并將路床換填非膨脹土或摻灰處理。換填或摻灰改性厚度可以通過非擾動土有荷載膨脹量試驗確定。試驗取地表下80cm深處天然含水量非擾動土進行。通過系列有荷載膨脹量試驗，可以求得試樣在1%膨脹量變形時的膨脹力，該膨脹力稱作膨脹力標準值。可換填或摻

21、灰改性厚度以式(3-2)計算確定。若計算值小于30cm，則取30cm。 （32）式中：設計換填土或摻灰改性土的厚度，m； 換填土層或摻灰改性土層底面下膨脹土的膨脹力標準值(試樣在1%膨脹量變形時的膨脹力)，kPa； 路面結構層壓強，kPa； 壓實后換填土層或摻灰改性土層容重，kN/m。3.4 石灰樁或灰土樁法石灰樁是房屋建筑部門常用的地基處理方法。它采用機械或人工方法在地基或塹坡中成孔，然后灌人生石灰或生石灰與粉煤灰、火山灰、水泥等的摻和料及少量外加劑，并振密或夯實而形成樁體。石灰樁與經(jīng)改良的樁周土組成石灰樁復合地基，以支撐上部建筑物。石灰樁的加固深度可以從幾米到十幾米。本章的石灰樁法主要用于

22、公路路堤的膨脹土基底加固或膨脹土塹坡的穩(wěn)定性加固。用于公路膨脹土地基處理的石灰樁與房屋建筑使用的石灰樁，在工作機理與設計計算上略有差異。用于公路膨脹塹坡穩(wěn)定的石灰樁更偏重于石灰對膨脹土的改性作用。因而，穩(wěn)定膨脹土塹坡的石灰樁較建筑地基處理的石灰樁孔徑更小，樁體更密。3.4.1 原理與適用范圍石灰樁既適用于厚度超過2.0m的膨脹土軟基，也適用于弱與中等膨脹土開挖塹坡。但兩者的加固原理與設計原則存在一定差異。用于處理膨脹土軟基的石灰樁一般為210m。1.石灰樁加固膨脹土軟基原理石灰樁對膨脹土軟基的加固原理可歸納為：樁周土的改性與膠結作用、置換作用、排水固結作用、樁與樁間土的高溫效應、膨脹擠密作用。

23、樁周土的改性與膠結加固作用樁孔中的生石灰與樁周接觸的膨脹土會發(fā)生離子交換、化學與凝膠反應等，從而對樁周膨脹土起到改性與膠結加固作用。石灰對膨脹土的改性機理具體參看上節(jié)的“石灰改性膨脹土的機理”。在天津清代道臺衙門舊址建筑物下曾發(fā)現(xiàn)石灰樁對土的膠結作用證據(jù)。該樁長3050cm不等，性狀上大下小，如鐘形。發(fā)現(xiàn)時，樁中心仍然呈軟膏狀，但樁周約2cm的土卻形成了一層堅硬的外殼，近于陶土的色調。生石灰對膨脹土的改性作用范圍更寬。置換作用石灰樁較樁間土具有更大的強度(抗壓強度約500kPa)，其作為豎向增強體與樁間土形成復合地基。石灰樁在復合地基中發(fā)揮著樁體作用。當承受荷載時，剛度較大的樁承擔較大的應力，

24、約分擔了30%的荷載(在正常置換比下)。根據(jù)國內實測數(shù)據(jù)，石灰樁復合地基的樁土應力比一般為2.55.0。石灰樁這種置換作用在膨脹土地基具有獨特功用。當樁間淺層膨脹土吸水膨脹時，樁分擔的荷載將部分退還轉移給周圍的膨脹土，從而抑制淺層膨脹土的脹縮變形。排水固結作用試驗表明，石灰樁體的滲透系數(shù)一般為10-510-3cm/s，相當于細砂的滲透系數(shù)。由于石灰樁間距較小(一般為23倍樁體直徑)，水平路徑很短，具有很好的排水固結作用。從建筑物沉降觀測記錄表明，建筑竣工使用時，其沉降已基本穩(wěn)定，沉降速率在0.04mm/d左右。當樁體摻和料采用煤渣、礦渣、鋼渣等粗顆粒料時，排水固結作用更加明顯。樁與樁間土的高溫

25、效應軟基膨脹土含水量較高。1kg生石灰的消解反應要吸收0.32kg的水，同時放出1164kJ的熱量。加摻和料的石灰樁，樁內溫度可高達200300，樁間土的溫度最高可達到4050，從而使膨脹土產生一定的汽化脫水，膨脹土中含水量下降，土粒靠攏擠密，強度提高。膨脹擠密作用石灰樁的生石灰吸水膨脹，使樁間膨脹軟土受到強大的擠壓力，這對地下水位以下軟土的擠密起主導作用。測試結果表明，自然狀態(tài)下，生石灰熟化后的體積可增加到原來的1.53.5倍，質量好的一等鈣石灰的體脹約為33.5倍。2.石灰樁穩(wěn)定膨脹土塹坡原理石灰樁對膨脹土塹坡的穩(wěn)定原理可歸納為：樁周膨脹土的改性作用，邊坡的分隔加固作用、排水作用。樁周膨脹

26、土的改性作用石灰對膨脹土的改性機理具體參看上節(jié)的“石灰改性膨脹土的機理”，用于穩(wěn)定膨脹土石灰樁具有樁徑小、樁體密的特點。這樣，生石灰對樁周的膨脹土改性作用面積大大增加。以生石灰離子在膨脹土中滲透與影響距離15cm計算，則樁徑15cm、樁距60cm、正三角形排列的石灰樁，其換土與膨脹土改性總面積可達51%。樁周膨脹土的改性作用與樁本身的換土作用，較好地增強了膨脹土塹坡淺層土體的整體強度，改善了整體的脹縮性。邊坡表層的分隔加固作用由于膨脹土中大量地、不均勻地分布著各種尺寸的結構面(如裂隙、構造軟弱面、斷裂滑面)，使其路塹邊坡破壞并表現(xiàn)出某些隨機性質，既可以發(fā)生在坡腳、玻腰或坡頂，也可以發(fā)生在任何局

27、部地段。針對這種局部破壞，有效的防護措施就是分隔支護。塹坡上的石灰樁以自身為結點，組成一個類似于三角形網(wǎng)格狀結構，將塹坡的淺層膨脹土分隔加固，可以有效地阻止膨脹土的隨機局部破壞和邊坡的分級逐次破壞。分隔加固的優(yōu)點在于，即使某一個網(wǎng)內的膨脹土發(fā)生變形與破壞，也不會將這種變形與破壞擴散到其他部位，極大地減少了膨脹土淺層病害的發(fā)生規(guī)模與次數(shù)。排水作用石灰樁體的滲透系數(shù)一般為10-510-3cm/s，相當于細砂的滲透系數(shù)。這樣，塹坡某一部位土體中的滲水很快可以通過其下游的石灰樁順利排出，從而減少了土中積水引發(fā)的膨脹土變形與破壞。3.4.2 設計計算 用于公路膨脹土地基處理的石灰樁設計分為3種類型：挖方

28、路段膨脹土塹坡加固的石灰樁設計；填方路段膨脹土軟基的石灰樁加固設計；公路橋涵地基與基礎設計。公路橋涵地基與基礎設計參考規(guī)范10。 膨脹土塹坡加固的石灰樁設計計算石灰樁設計材料選用新鮮的生石灰，并需過篩，一般要求石灰粒徑20mm左右，含粉量不得超過總重量的20%，Ca0含量不得低于70%，夾石含量不大于5%。樁徑的設計根據(jù)施工工藝確定，一般為1030cm。為了防止樁中心的軟化現(xiàn)象，本設計建議取15cm。灰土樁可取較大直徑，建議取30cm。樁距一般取3.55倍的樁徑。具體設計時可根據(jù)膨脹土的膨脹性強弱及氣候變化劇烈程度，在此區(qū)間選擇樁距。弱膨脹土可選擇樁徑5倍的樁距，中等膨脹土可選擇3.5倍的樁距

29、。樁長根據(jù)膨脹土類型及當?shù)卮髿怙L化深度確定。原則上講，樁長應大于膨脹土強風化層厚而小于強風化層厚與弱風化層厚之和。強風化層厚一般為0.41m，弱風化層厚一般為11.5m。一般樁長取1.01.5m。建議樁體豎直布置，樁孔在坡面上采用正三角形排列。其他配合措施設計包括邊坡表層排水、漿砌塊石或混凝土骨架、植草等設計。石灰樁加固膨脹土軟基的設計計算膨脹土軟基承載力確定與使用填方路堤膨脹土軟基的承載力確定與使用，參考“淺層換填與摻灰改性法”有關內容。石灰樁設計材料選用新鮮的生石灰，含粉量不得超過總重量的20%，Ca0含量不得低于70%，夾石含量不大于5%。試驗證明，小粒徑生石灰加固效果優(yōu)于塊灰，應用時將

30、石灰塊碎成小粒徑，一般要求石灰粒徑20mm左右。生石灰中摻人適量粉煤灰或火山灰等含硅材料時，粉煤灰或火山灰與生石灰的重力配合比一般為3:7。粉煤灰應采用干灰，含水量w5%，使用時要求與生石灰拌均勻。樁徑的設計根據(jù)施工工藝確定，一般為1550cm。若樁的材料只有生石灰，而無輔助摻料時，為了防止樁中心的軟化現(xiàn)象，本設計建議樁徑取值不超過30cm。樁距一般取34倍的樁徑距離。一般距樁中心4倍距離以外的土得不到加固，樁體石灰對膨脹土的影響作用也減至零。樁位布置在平面上可采用梅花形、正方形或矩形排列。樁長的長度，即加固層厚度應滿足樁底未經(jīng)加固土層的承載力要求。加固膨脹土軟基的石灰樁長度一般取值24m。復

31、合地基承載力計算經(jīng)石灰樁加固的膨脹土軟基為復合地基，其承載力標準值應通過現(xiàn)場單樁復合地基或群樁復合地基荷載試驗確定。有經(jīng)驗時，也可按下式估算： （33） 式中：石灰樁復合地基承載力標準值，kPa； 加固后樁間土承載力標準值，kPa，可根據(jù)加固后土的物理力學指標(平均含水量、孔隙比等)查有關規(guī)范確定； 石灰樁水化膨脹后面積置換率，為樁體的橫斷面積與該樁體所對應的復合地基面積之比； 樁與土的應力比，由試驗確定，無實測資料時可取35，當樁身強度較高時也可取58。當石灰樁復合地基以下有軟弱下臥層時，按下式驗算下臥層的地基承載力： （34）式中：軟臥下臥層頂面處的附加壓力設計值，kPa，即路堤、路床、路

32、面總重力； 軟弱下臥層頂面處的復合地基自重壓力標準值，kPa； 軟弱下臥層頂面處經(jīng)深度修正后的地基承載力設計值，kPa。江蘇省建筑設計院通過相當數(shù)量的土工物理參數(shù)和靜荷載等試驗，總結出以下可供設計參考的經(jīng)驗數(shù)據(jù)：樁身變形模量ES=1030MPa；ES=(35)EC(EC為樁間土變形模量)；石灰樁加固后的復合地基承載力為原天然地基承載力的2.03.3倍；加固后的含水量下降30%；受生石灰改性作用影響，土的塑限含水量大幅下降，液限下降30%45%，土的狀態(tài)明顯改善；土的天然容重增加20%以上，孔隙比減少15%40%；土的黏聚力和無側限抗壓強度提高40%70%。復合地基變形計算填方路基的最終沉降量由

33、路基填料的工后壓縮沉降與基底壓縮沉降組成。膨脹土軟基經(jīng)石灰樁加固后，在樁長范圍內復合地基的壓縮模量按下式估算: （35）式中：石灰樁復合土層的壓縮模量，MPa； 樁間土的壓縮模量，MPa，由室內土工試驗或現(xiàn)場測試確定。 m，n與復合地基承載力估算公式相同。樁長范圍內復合土層的沉降量也可按樁長的0.5%1%估算。正常情況下，樁底下臥層的沉降量為主控沉降量。3.5 有機大分子溶液改良法使用溶液改良土的原理是往土中摻加高價金屬鹽類物質或有機陽離子化合物，通過離子交換吸附，削弱蒙脫石晶內負電斥力和減薄雙電層的厚度，從而抑制蒙脫石晶內膨脹性和黏土微粒之間膨脹性，改善土的吸水性。膨脹土的改良液均為粒子溶液

34、，特別適合路塹邊坡的土體改良。高價陽離子無機鹽類改良劑一般使用具有強吸附度的可溶性Fe3+粒子鹽和Al3+粒子鹽，如FeCl3，F(xiàn)eCl2，F(xiàn)e2(FeSO4)3，F(xiàn)eSO4，AlCl3(其中亞鐵粒子可自然氧化轉為三價粒子)等。有機陽離子在礦物黏粒表面具有非常大的附著力，以及引起黏土膠體顆粒凝聚的聚結能力。用有機陽離子化合物改良膨脹土的性質具有以下優(yōu)勢：能顯著改變土的水敏膨脹屬性；由于膨脹土作用速度快，當它伴隨大量的水注人土層時，不會觸發(fā)深層土的膨脹；有效作用時間長；在低滲透硬土中容易滲透和擴散；能提高土體力學強度；無毒性，對環(huán)境影響小。有機陽離子化合物改良膨脹土技術研究首獲成功并將其應用于商

35、業(yè)的是美國的CONDOR公司，它發(fā)明的磺化油(Sulphonated oil)穩(wěn)定劑在美國得克薩斯州建筑物地基、機場道路、排水渠等工程的膨脹土處理措施中被普遍采用。根據(jù)得克薩斯州建筑場地膨脹土處理前后的資料，經(jīng)處理的中膨脹土，其膨脹率趨向于零，內摩擦角增加約2.5倍。廣西區(qū)交通科學研究所使用DAH固化混合液加固膨脹土路塹邊坡獲得成功，并在廣西境內推廣使用。3.5.1 原理與適用范圍DAH化學改良液使用時，將其與水可以按1:2001:500比例制成水溶液，該水溶液具有較強的滲透性。因此，DAH化學改良液多用于膨脹土塹坡穩(wěn)定處理，也可用于膨脹土路基基底的改性處理。DAH化學改良液為混合溶液，由DA

36、H有機陽離子和可溶無機鹽按一定比例配制而成。DAH有機陽離子同時具有親水基團和憎水基團。DAH分子進入黏土礦物晶格后，親水基團指向極性水分子，憎水基團指向礦物晶片，形成單分子吸附層，將膨脹性黏土礦物晶格中的水釋放并驅趕出來，使黏粒礦物(如蒙脫石)的吸水特性減弱，從而改變其反復脹縮性質混合溶液中的無機鹽可解離出交換性高價陽離子。這種高價陽離子進人礦物晶層間，置換出低價的鉀、鈉離子，提高晶層間的聯(lián)結作用，從而使膨脹土性質發(fā)生根本改變。此外，混合液中的DHA分子與無機鹽陽離子，通過離子交換吸附，可以減薄雙電層的厚度，從而抑制黏土微粒礦物之間膨脹性。試驗證明DAH溶液對膨脹土的改良效果非常顯著。膨脹土

37、經(jīng)過改良后，自由膨脹率降低17%24%，塑性指數(shù)下降22%105%，無側限抗壓強度提高23倍左右，直接抗剪強度主要體現(xiàn)為黏聚力值的大幅提高，約提高714倍左右，改良后膨脹土的水穩(wěn)性也得到極大改善。DAH改良液具有較強的滲透性。通過在邊坡上打孔的滲透工藝，膨脹土邊坡的改良深度可達0.61.5m深左右。根據(jù)經(jīng)驗滲透孔為25mm，深80100cm，間距l(xiāng)m的梅花狀分布小孔。經(jīng)過DAH溶液的滲透改良，在開挖的膨脹土邊坡上形成一個厚約0.61.5m的“正常土”保護蓋層。該保護蓋層水穩(wěn)性好，抗裂、抗剪強度較高，無脹縮變形或脹縮變性較小，不易發(fā)生溜塌或隆脹破壞。由于改良后的膨脹土塑性指數(shù)大幅度減小，含水量降

38、低，蒸發(fā)失水時形成裂隙大為減少情況，再經(jīng)過坡面夯實處理，有效地阻止了雨水的繼續(xù)下滲，維持了其下伏膨脹土中水分含量的穩(wěn)定，從而保護邊坡使其不遭受反復性的溜塌破壞。所有人造覆蓋物工程護坡措施均存在護坡體與邊坡土體的接合處理問題。由于材料特質(如變形模量、滲透系數(shù)等)的差異性，人工護坡體(如水泥預制塊)與土體(如膨脹土)接合部的處理設計難度較大，且施工質量難以保證。因而，護坡體與邊坡土體的接合部極易發(fā)生破壞。改良膨脹土蓋層與下伏膨脹土之間的結構沒有遭到破壞，不存在接合處理問題，有利于邊坡的穩(wěn)定。此外，改良蓋層與膨脹土的變形模量一致，因而兩者在變形上具有很好的適應性12。3.5.2 設計與試驗使用DA

39、H改良液穩(wěn)定膨脹土路塹邊坡的設計包括以下幾個方面內容:確定DAH改良溶液摻配比例的土工試驗；其他配合措施:確定邊坡的開挖坡比，邊坡內部支撐滲溝與表面排水系統(tǒng)，坡面植草防護。確定DAH溶液摻配比例的土工試驗用麻花鉆在膨脹土邊坡上鉆取十個左右的原狀土土樣，進行室內滲透改良試驗以確定DAH溶液在膨脹土中的摻配比例與噴灑次數(shù)。實驗內容包括DAH溶液的滲透性、自由膨脹率、膨脹量、液塑限、抗剪強度、水穩(wěn)性等，以此摻配比例作為施工控制標準。由于單純采用自由膨脹率對土的膨脹性質進行判別會產生較大誤差，宜采用多指標進行綜合判別。在廣西賓陽南寧高速公路上，重點考察CBR值、膨脹量、液限、塑性指數(shù)這4個指標。改良深

40、度要求至少50cm深。其他配合措施膨脹土邊坡的開挖坡比設計可以參考規(guī)范10中膨脹土路基部分的相關要求。膨脹土路塹邊坡的坡比并不是越緩越好，邊坡坡度越緩，反而越不利于排水。因此，需通過穩(wěn)定驗算選取最佳坡比。支撐滲溝的主要功能是排出滲入邊坡內部的水分，同時對邊坡淺層具有加固作用。為了防止沖刷，同時美化環(huán)境，骨架之間框格內需植草皮。植草種類選用蒸發(fā)率較小，適于本地氣候環(huán)境成活率高的品種的植物。植草方式可選擇鋪草皮或種草。3.6 隔水封閉與滲溝排水法隔水封閉是采用土工防水布、石灰與鉆土混合料等材料對地基或坡面進行隔水封閉，阻止氣候干濕循環(huán)對膨脹土中含水量的影響，達到穩(wěn)定路基或邊坡的目的。滲溝排水是采用

41、高滲透性砂石填料，在路基或塹坡膨脹土中設置排水管道，將土中滲水排出，避免膨脹土浸水軟化，維持路基或邊坡的穩(wěn)定13。3.6.1 原理與適用范圍隔水封閉、滲溝排水一般與其他膨脹土地基處理方法配合使用。單獨使用時一般僅限于弱膨脹土。隔水封閉法的原理與適用范圍隔水封閉法一般用于填土高度不大的路基，主要作用是阻止路面結構層或路堤向地基滲水，或阻止地基中的毛細水向路基遷移，以保障地基膨脹土中含水量的穩(wěn)定，不致強度變化或變形。地下水位較淺時，必須同時設置排水滲溝。對于強膨脹土地基，不建議使用該方法。隔水封閉通常使用材料為石灰與私土混合料。中國國內研制的新型防滲土工纖維材料“兩布一膜”復合型土工布，不僅具有防

42、滲功能，還具有排水、反濾作用，提高地基承載力的作用，近年來使用較多。“兩布一膜”復合型土工布的工作機理:該土工布采用針刺無紡土工布或聚乙烯編織布為基料，PE為母料，添加增塑劑、抗老化劑及各種輔助材料，經(jīng)熱熔、涂覆壓延而成。“兩布一膜”土工布由上、下各一層土工布，中間夾一層防滲膜構成。這種復合型土工布兼有膜層防滲和織物橫向排水的雙向功能，且有力學強度高、保溫、加固、防滑等作用。復合型土工布鋪設在路床表層上，主要起隔離(隔水、隔漿、隔碴)、排水、反濾作用，也起著分散路床應力與提高路床剛度的作用，可以阻止其下層膨脹土發(fā)生遇水軟化、抗剪強度降低，從而阻止基床剪切破壞等病害。隔水封閉也可用于路塹邊坡的穩(wěn)

43、定處理，但僅限于弱膨脹土邊坡，且必須有支撐滲溝的配合，以避免坡體后部降雨滲入引起坡體內部積水。膨脹土塹坡經(jīng)常使用的封閉隔水方法為石灰土捶面。2.滲溝排水的原理與適用范圍排水滲溝包括常用的路基基底使用的平面滲溝與塹坡防護使用的支撐滲溝兩種類型。平面滲溝作用在于排掉匯流到路基的地下水；而支撐滲溝不僅可以排水，并且具有阻止膨脹土邊坡變形破壞的功能。排水滲溝即可作為封閉隔水方法的主要配合措施，也可作為換填與摻灰改性、有機大分子溶液改良、石灰樁加固措施的輔助手段使用。膨脹土路基基底使用的平面滲溝主要用于排出從路面結構層、中央分隔帶、路邊坡兩側、塹坡兩側人滲的雨水，以及匯集流向挖方路基的地下水。當?shù)叵滤?/p>

44、較高，或匯集流向挖方路基的地下水較多時，須采用其他膨脹土地基措施，如換填、摻灰改性、石灰樁等。支撐滲溝兼具有系統(tǒng)排水與“格室”加固的雙重功能。一方面，滲溝排水系統(tǒng)連成一個整體，能有效疏排邊坡內的積水，降低膨脹土中含水量變化的不利影響;另一方面，將邊坡的整體膨脹勢分隔成多個小塊加以削弱，危險破壞面剪出口的應力集中被骨架分隔因應力重分布而減弱，能有效阻止邊坡塑性區(qū)的形成與發(fā)展。此外，支撐滲溝系統(tǒng)對小塊體的下滑具有部分支擋作用。路基滲溝一般采用高滲透性的砂石材料;支撐滲溝系統(tǒng)設計須保證一定的強度，以支擋部分土體的下滑。3.6.2 設計計算隔水封閉與滲溝設計可分為膨脹土路基基底的隔水封閉與平面滲溝設計，以及膨脹土塹坡的支撐滲溝設計。膨脹土基底的隔