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1、石灰改良膨胀土路基填筑试验研究 目 录摘 要1第一章 绪论21.1 概述21.2 膨胀土的工程特性21.3 膨胀土的危害31.4 国内外研究现状41.5 研究的工程背景51.6 主要研究内容5第二章 膨胀土的判别与分类6第三章 膨胀土处理方法研究9第四章 石灰改良膨胀土试验研究114.1 改良机理分析114.2 界限含水量试验研究124.3 颗粒分析试验研究144.4 自由膨胀率试验研究154.5 承载比试验研究17第五章 膨胀土施工工艺分析20第六章 结论与进一步研究建议236.1 研究结论236.2 进一步研究的建议23参考文献24石灰改良膨胀土路基填筑试验研究 摘 要膨胀土一直是困扰岩土
2、工程界的重大工程问题。膨胀土遇水膨胀、失水收缩的变形特性及其边坡浸水强度衰减特性在膨胀土地区的工业民用建筑、水利、铁道、公路等工程建设和工程运营中起到极大的破坏作用。*省道南京段的沿线广泛分布中弱膨胀土，该土强度低、胀缩性较大，对上部路面破坏严重。在高稠度状态下，此膨胀土体表现很高的膨胀趋势；其CBR值无法达到高等级公路路基填筑的最小强度要求。针对存在的问题，为了探讨石灰改良膨胀土路基填筑的可行性，并为工程实际提供技术参数，笔者研究了消石灰作为外掺剂改良膨胀土之后重塑土样的室内试验特性；针对膨胀土的不良工程性质设计了改良土的物理性质试验、强度力学性质试验和胀缩性试验，获得了一些有意义的试验成果
3、。结果表明，在该膨胀土中掺入消石灰后土体中粘粒含量明显减少、塑性显著降低、强度大大提高、且浸水稳定性和强度都有了明显改善。关键词：膨胀土、石灰改良、界限含水量、颗粒分析、自由膨胀率、承载比（CBR）第一章 绪论1.1 概述所谓膨胀土是一种对环境湿度变化敏感，由强亲水性矿物蒙脱石和伊利石等组成，具有多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性的高塑性粘土。在自然状态下，膨胀土多呈现硬塑或坚硬状态和黄、褐、灰白等颜色。其中膨胀与收缩的可逆性是其的重要属性，外部荷载和含水量的变化则是两个主要的外在因素。在一般情况下，膨胀土强度较高，压缩性较低，容易被误认为是性能良好的地基土。但当土中含水量变化时，膨胀土有发生胀缩
4、变形的特性，对建筑物具有相当大的破坏性。因此，膨胀土是一种在公路建设中不可忽视的不良地基土。全世界已发现有膨胀土分布的国家和地区大约有40多个，遍及六大洲。其中，尤以亚洲、非洲、美洲的分布最普遍、面积亦最广。中国是世界上膨胀土分布最广的国家之一，也是膨胀土地质成因类型最复杂的国家之一，中国的膨胀土及其工程问题具有显著特点：1、分布广，先后已有20多个省区发现膨胀土，其中安徽、广西、云南、四川、河南、湖北等地最为突出；2、类型多，各种成因类型的膨胀土如沉积型、残积型、岩溶侵蚀型等在我国都有分布；3、性质复杂，膨胀土工程问题不仅与土的成因、年代和演化历史有关，而且还与气候、环境、工程以及膨胀土性质
5、密切相关。膨胀土的这些不良工程地质特性都给各类基础工程建设造成严重危害。膨胀土造成的破坏是长期的、反复的和潜在的，美国工程界称之为“隐藏的灾害”。据统计，仅美国每年由于膨胀土的变形对上部建筑造成的损失就有几十亿美元，已超过洪水、咫风、地震和龙卷风所造成的损失的总和。我国由于膨胀土地基导致损害的建筑面积达了1000万平方米左右，铁路、公路及建筑物受到的危害也很严重。在江苏省每年也要花费大量的资金用于维修膨胀土对路面造成的损坏，因此，为了减小膨胀土的危害、节省费用就必须探索有效改良或替换膨胀土的新方法，增加土的强度和基础的稳定性，尽量减小由于膨胀土的胀缩变形对上部基础造成的破坏。随着我国在膨胀土地
6、区高速公路的大规模修建，膨胀土路基的稳定已成为影响工程效益的主要因素之一，所以研究好这一课题，对于保障膨胀土地区高速公路的安全运行、降低工程投资具有重要意义。1.2 膨胀土的工程特性根据研究，本文将膨胀土的工程特性大致可以归纳如下。(1)胀缩性。根据土质学观点，膨胀土由于具有亲水性，只要与水相互作用，都具有增大其体积的能力，土体湿度也随之增加。膨胀土吸水膨胀后，如果膨胀受阻，就会产生膨胀力，会使路面隆起，失水体积收缩，土体收缩开裂，并使得路面下沉。膨胀土不同于其它粘土的胀缩性，反复的干缩湿胀导致土体的有效凝聚力下降，使得土体的强度降低。(2)固结性。超固结性是膨胀土的重要特性之一。这种超固结性
7、使膨胀土大多具有天然孔隙比较小、干密度较大、初始结构强度较高等特性。超固结膨胀土路基开挖后将产生土体超固结应力释放 边坡与路基面出现卸荷膨胀，并常在坡脚形成应力集中区和塑性区，使边坡容易发生破坏。(3)崩解性。崩解性是膨胀土浸水后所发生的一种吸水湿化现象。不同类型的膨胀土其崩解性不一样，强膨胀土浸入水后，几分钟内很快就完全崩解；弱膨胀土浸入水后，则需要经过较长的时间才能逐步崩解，且不完全崩解。(4)裂隙性。多裂隙性是膨胀土的典型特征，多裂隙构成的裂隙结构体及软弱结构面产生了复杂的物理力学效应，大大降低了膨胀土的强度，导致膨胀土的工程地质性质恶化。膨胀土中的裂隙，主要可分为垂直裂隙、水平裂隙与斜
8、交裂隙三种类型。这些裂隙将土体层分割成具有一定几何形状的块体如棱块状、短柱状等，破坏了土体的完整性。膨胀土路基边坡的破坏，大多与土中裂隙有关，且滑动面的形成主要受裂隙软弱结构面控制。(5)强度衰减性。膨胀土的抗剪强度为典型的变动强度，具有峰值强度极高、残余强度极低的特性。由于膨胀土的超固结性，其初期强度极高，随着土受胀缩效应和风化作用时间的增加，抗剪强度将大幅度衰减。强度衰减的幅度和速度，除与土体的物质组成、土的结构和状态有关外，还与风化作用特别是胀缩效应的强弱有关。(6)风化特性。膨胀土受气候因素影响，极易产生风化破坏作用。路基开挖后，土体在风化作用下，很快会产生碎裂、剥落和泥化等现象， 使
9、土体结构破坏，强度降低。按其风化程度，一般将膨胀土划分为强、中、弱三层。强风化层，位于地表或边坡表层，受大气作用与生物作用强烈，干湿效应显著，土体碎裂多呈砂砾与细小鳞片状，结构连结完全丧失， 厚度约为10m15m；微风化层，位于弱风化层下，大气与生物作用已明显减弱，干湿效应亦不显著，土体基本保持有规则的原始结构形体，多呈棱块状、短柱状等块体厚度为1Om左右。弱风化层，位于地表浅层，大气与生物作用已明显减弱，但仍较强烈，干湿效应也较明显，土体割裂多呈碎块状，结构连结大部分丧失，厚度约为1Om15m。1.3 膨胀土的危害膨胀土是在自然地质过程中形成的一种多裂缝并具有显著膨胀特性的土体，由于其不良的
10、工程性质，在工程界被认为是隐藏的地质灾害，对工程结构具有严重的破坏作用。特别是对高等级公路路基工程和大型结构物所产生的变形破坏作用，往往具有长期、潜在的危险，由于对膨胀土膨胀能力估计不足而造成公路病害的损失是相当惊人的。膨胀土地区的公路发生的病害主要有以下几个方面：(1)沉陷变形。膨胀土初期结构强度较高，施工时不易粉碎及压实，路堤建成后由于大气物理风化作用和湿胀干缩效应，土块崩解，在路面和路堤自重及汽车荷载作用下，路堤易产生不均匀下沉，路堤愈高，沉陷量愈大严重时可使路面变形破坏。(2)滑坡。滑坡具有弧形外貌，有明显的滑床，滑床后壁陡直，前缘平缓，主要受裂隙控制。滑坡多呈牵引式出现，具叠瓦状，成
11、群发生。一般滑体厚为13m，多数小于6m。滑坡与大气风化作用层深度、士的类型、土体结构较密切，而与边坡的高度无明显关系。(3)溜塌。边坡表层、强风化层内的土体吸水过饱和，在重力与渗透压力的作用下，沿坡面向下产生流塑状溜塌。溜塌多发生在雨季，与边坡坡度无关。(4)纵裂。路肩部常因机械碾压不到，填土达不到要求的密实度，后期沉降量相对较大，加之路肩临空，对大气风化作用特别敏感，干湿交替频繁，肩部土体收缩远大于堤身，故在路肩上常发生顺路线方向的开裂，形成数十米至上百米的张开裂缝，缝宽约24m，大多距路肩外缘05 1Om。(5)坍肩。路堤肩部士体压实不够，又处于两面临空部位，易受风化作用影响而导致强度衰
12、减。当有雨水渗入时，特别是当有路肩纵向裂缝出现时，在汽车动荷载作用下，很容易发生路肩坍塌。塌壁高多在1Om以内，严重者可大于1Om，常发生在雨季。1.4 国内外研究现状关于膨胀土的问题，直到二十世纪三十年代后期才为土力学工程师们所认识。1930年美国镶砖住房发现砖层开裂，当时把损坏归咎于施工不良及基础某一角的下沉，而没有意识到膨胀土的作用。1938年，美国开垦局在奥勒冈州欧维希的一座钢制虹吸管基础工程中首次认识了膨胀土的问题。从那时起，工程人员才领悟到结构物的损坏，除了由于沉降造成的以外，有时还有其它原因。国外是从50年代起开始研究膨胀土问题的。美国对膨胀土地区的公路修筑问题曾进行过多次研究，
13、提出了换土、湿度控制、化学固化和土工合成材料加固等技术。前苏联为了制定膨胀土地区建筑法规，自1959年起苏联地基及地下结构物科学研究院曾进行了野外大型试验及室内试验。在这些成果以及建筑物长期沉降观测资料的基础上，苏联“建筑法规”第一次把膨胀土从粘土中划分出来，作为独立的一类。此后苏联国家建设委员会批准了膨胀土上的房屋和构筑物地基与基础设计暂行指示(CH331一65)。英国、罗马尼亚和日本等也都相继在正式的土工规范与铁路规范等文件中增列了有关膨胀土的条文内容。国际性的膨胀土科研和工作会议分别于1965年和1969年在得克萨斯州举行，第三次于1973年在以色列的海法举行，到目前为止共召开了七届膨胀
14、土问题国际会议。到目前为止，已经先后召开了七届国际膨胀土研究与工程会议，并在膨胀土的成分、结构、强度、膨胀机理以及变形等方面取得了许多很有价值的研究成果。随着我国经济建设的发展，膨胀土的研究越来越引起国内岩土工程界的重视。在20世纪50年代初期，我国在修建成渝铁路工程中，才首次遇到成都粘土膨胀性危害的问题，从而拉开了我国膨胀土研究的序幕。20世纪70年代中期，我国开展了大规模的膨胀土普查工作，建立了科学研究的试验基地，进行了卓有成效的研究，取得了一定的科研成果和工作经验。1989年我国制定了膨胀土地区建筑技术规范，1990年在成都市召开了全国首届膨胀土科学研讨会，并出版了论文集。会议对我国膨胀
15、土的研究现状、膨胀土的工程性质和膨胀土处理技术及工程应用进行了广泛的研讨。1994年在武汉召开了“中加非饱和土学术研讨会”标志着我国膨胀土理论研究已经达到了一个新的高度。1.5 研究的工程背景*省道南京段是南京南部地区一条重要的南北向干线公路和省际联系道路，其建成对完善区域路网，提高通行能力，促进地方经济发展具有极大的推动作用。项目路线全长20.818km，全线按一级公路双向四车道标准建设，主线路基顶宽24.5m，桥涵设计荷载为公路级，工程概算总投资为3.552亿元。在该工程沿线广泛分布着高液限、高塑性、高含水量的膨胀土。应用该膨胀土作为路基填料是最经济的材料，然而如果不做任何处理直接利用膨胀土作为路基填料，会对公路的上部结构造成严重的破坏。本文的目的就是为了研究石灰改良膨胀土路基填筑强度的影响因素并提出合理化的建议。1.6 主要研究内容总的来说，在岩土力学和工程地质学领域，膨胀性岩土的研究获得了巨大的进展，但在施工应用中仍有许多理论和问题尚需专门研究。本文主要就以下几个方面进行研究： 1、通过膨胀土成分与结构的研究，分析膨胀土性质，并提出对膨胀土类型判别的一些看法。2、通过比较膨胀土掺加石灰改性前后工程性质的变化情况，分析影响石灰改性效果的因素，以应用于工程施工。3、根据工程施工实践，总结石灰改性膨胀土施工的具体施工工艺。
