膨胀土地基处理方法研究

膨胀土地基处理方法研究

膨胀土是高度分散的高材料，主要由粘土和高粘度气体组成，对环境的湿热变化敏感。如果地板被吸入式水分，体积会膨胀并产生膨胀力，其值为50.30kg。如果地板干燥失水层，体积会收缩，形成收缩裂缝，上升幅度为30.80mm。膨胀土分布广泛，在世界上40多个国家分布。我国先后发现有20多个省、区分布有膨胀土.根据不完全统计,我国由于膨胀土地基致害的建筑面积达1000万m2以上,铁路、公路受其危害的程度就更严重了,穿越膨胀土的铁路路堤竟有“逢堑必崩,无堤不塌”之说.下面介绍膨胀土地基的处理方法,并加以评述.1土壤质量改进方法膨胀土性质改良有三类方法:(a)夯实法;(b)物理改良法;(c)化学改良法.1.1膨胀土膨胀土法夯实法又称压实法或击实法,其实质是一样的,即将膨胀土压实到所需要的性状.柯尊敬*研究了膨胀土的击实特性.研究结果表明:随着击数增加,膨胀土的最大干密度和最优含水量分别呈直线增大和减小;当击数超过50次时,最大干密度和最优含水量趋于定值(图1).对于膨胀土地基而言,膨胀土的干密度增大同时含水量减小,导致其凝聚力和内摩擦角增大,地基承载力增加.击实后的膨胀土的胀缩性并没有受到抑制(图2),因此夯实法只适用于弱膨胀性土.夯实后的膨胀土强度提高,补偿了膨胀土的胀缩变形对强度的影响.夯实法适用范围有限,但费用很低.杨世基2研究了膨胀土路基的压实性状.研究表明:根据高级公路路基的部颁标准规定,按重型压实标准控制施工,可保证路基有较好的强度和稳定性;路基完成后立即铺筑路面,使路基路面一次成型,加快施工进度,这对抑制膨胀土的膨胀变形是行之有效的技术经济措施.用膨胀土修筑高等级公路路基不能单一地要求达到重型压实标准的规定,因为含水量大的粘土经晾晒后极难达到规定值,即使达到了重型标准的干密度,也将因饱和度低,浸水后膨胀率大,使强度降低到很小值,不符合要求.因此,膨胀土的液性指数宜选用1.1～1.3,用能承受的重型压实机具分层进行路基的最佳压实,其轻型压实度可达95%以上,CBR值能符合中等路基要求,压缩量为0.2%～0.4%,一般半年至一年路基即趋于稳定.1.2膨胀土的改性物理改良方法是,在膨胀土中按一定比例掺入无机料(如风积土、石灰、粉煤灰、矿渣、砂砾石和水泥等)或其混合料.殷宗泽等1研究了在宁夏膨胀土中掺入风积土、石灰、石灰和风积土及粉煤灰后的性状.结果发现:(a)膨胀土中掺入10%的石灰和30%的风积土后,无论是其膨胀性还是其收缩性,都大大地降低了,改良后的膨胀土几乎可当成普通土看待,混合土的工程性质很好;(b)单掺10%的石灰,膨胀土的膨胀性降低十分明显,但收缩性还较大;(c)掺入40%的风积土,膨胀土的收缩性有明显的改善,但膨胀率仍很大;(d)掺入粉煤灰和风积土各20%,膨胀土的收缩性有明显的改善,其无压膨胀率仍较大,不过,在一定荷载作用下,膨胀率就迅速下降.以上四种方法,对膨胀土的工程性质都有不同程度的改善,实际选用时,应根据具体情况综合考虑,以达到最佳效果.膨胀土膨胀的主要原因是交换性阳离子和层间底面的水化能.膨胀土掺入石灰后膨胀土性质改善的原因是:石灰水化产生大量的Ca2+,膨胀矿物(蒙脱石、伊利石)吸水的同时,也把大量的Ca2+和溶液中析出的Ca(OH)2吸附到其颗粒周围;矿物颗粒晶格边缘破键产生的电荷吸附Ca2+来取得平衡.这些作用形成的石灰水化物在膨胀土矿物表面聚集,这个过程与Ca(OH)2硬化过程同时进行.粘结和聚集在膨胀矿物表面的Ca(OH)2经硬化结晶,形成一种防止膨胀土颗粒内水外散和外水内浸的固化层.这样,膨胀土的亲水性降低,稳定性增强.膨胀土中掺入适量的石灰的方法是一种经济可行、实施方便的方法,值得推广.水泥掺入膨胀土中的改善效果主要取决于阳离子交换量和交换成分.碱性介质中,土的交换吸附能力增加,当水泥掺入膨胀土中时,必然会产生强烈的阳离子交换吸附现象,这破坏了水泥的水解过程,不利于水泥的水解过程的产生.因此,水泥不利于膨胀土的改善.从机理上讲,膨胀土中掺入石灰和水泥的方法是化学改良方法.为了减小造价,李妥德等提出用矿渣复合料来改善膨胀土的工程性质.矿渣复合料主要由矿渣、部分固化剂和少量激活剂组成.矿渣和加固剂水化后产生Ca(OH)2,使膨胀土颗粒表面产生阳离子交换,即吸附Ca2+离子,其它水化物和膨胀土发生凝硬反应,从而使膨胀土的团聚体强度增加.矿渣复合土养护28d的抗压强度为5～8MPa,抗折强度为1.5～2.0MPa;矿渣复合土完全失去了膨胀土原有的遇水膨胀的特性,并且其体积膨胀率为零;矿渣复合土的渗透系数也几乎为零.用矿渣复合料改善膨胀土,造价低,施工方便.物理改良方法还包括桩基础、土钉等方法.土钉常用来加固膨胀土边坡或膨胀土基坑,桩基础常用于对地基承载力要求较高的建筑,这里不详细介绍.1.3有机阳离子化合物化学改良方法是用有机化学灌浆剂抑制膨胀土的胀缩性,改善膨胀土的工程性质.化学改良方法从理论上讲可以根本解决膨胀土的胀缩性,但目前仍处于试验阶段,需通过实践检验才能推广.李国华1研究了化学改良方法.用烷基苄基吡啶化合物为主成分的水溶液、多羟基多氮原子聚合物为主要成分的水溶液和AlCl3水溶液来处理膨胀土,微观分析和物理力学试验结果表明:某些有机阳离子化合物能改变蒙脱石矿物晶层结构的电荷分布,削弱层间负电斥力,阻挡水分子进入晶层和颗粒间,增加了松散微粒间的吸附和胶结作用,从而抑制了膨胀土的胀缩变形;改良后的膨胀土的抗剪强度参数也有较大程度的提高.有机化学灌浆剂是一种无毒、无味、无臭的液体.化学溶液一旦被土吸附后,就被牢牢吸附,不会流失,不会对环境造成污染.用化学方法改善膨胀土的特性可以起到一劳永逸的效果,造价低.但国内尚无成功的经验,应慎重采用.2暗沟保湿.自然保护.保湿法的原理是:保持膨胀土路基中的水分不变,从而阻止地基的胀缩变形.目前,比较成功的保湿措施有:(a)暗沟保湿;(b)预湿法;(c)帷幕保湿法.2.1暗沟保湿法暗沟保湿法的原理是:膨胀土地基如充分浸水至膨胀稳定含水量即胀限,并保持在胀限含水量,则地基既不会产生膨胀变形,也不会产生收缩变形,从而保证建筑物不致遭受地基胀缩变形引起开裂破坏.暗沟保湿法的具体做法是:施工前预先于基槽中浸水,使地基在整个过程中不产生胀缩变形.建筑物施工结束后即于地基两侧修建保湿暗沟(干砌砖石沟或接头不密封的水泥管沟,见图3),定期向暗沟内供水.暗沟中的水即向地基中渗透,以保证在建筑物使用过程中地基不产生膨胀变形.2.2预浸水液温度我国于70年代引进了预湿法(预浸水法).该法的理论依据是,在施工前使地基土浸水变湿而膨胀,并在土中维持高含水量,土的体积就会基本不变,从而不会出现隆起现象,因此就不会产生结构破坏.在我国,这种方法不适用.因为预浸水后,我国的气候条件不会保持土中的高含水量,使土体积不发生变化;相反,旱季里将会产生更大的收缩变形,导致建筑物破坏.2.3基地土湿度用不透水材料做成的帷幕设置于建筑物两侧,阻止地基中水分向外转移或地基外的水分进入地基,以保持地基土中的湿度的相对稳定,从而达到减小地基胀缩变形的目的.帷幕的具体做法如图4所示.a.不透水材料可用油毡,但一般可考虑用土工膜;b.回填灰土的目的是,当土工膜失效时灰土仍可起防水作用;c.散水宽度一般不小于1.5m,但必须覆盖帷幕;d.帷幕深度应不小于基础的最小埋深.3砂垫层厚度与膨胀土厚度的关系换土法是一种将地基下膨胀土挖去而换成普通土类或灰土的方法.这一方法能彻底根治膨胀土的危害.如果地基下的膨胀土较薄,这一方法比较可靠.但是地基下的膨胀土常常较厚,不可能全部挖去,而只能部分挖去,填上砂石类土,形成砂垫层.采用砂垫层处理方法时通常采用砂、碎石垫层,垫层厚度不应小于300mm,垫层宽度应大于地基宽度,两侧还要回填与垫层材料相同的材料,并做好防水处理.砂垫层抑制膨胀土的升降变形对地基的危害包含两方面的含义:(a)对差异沉降量的调节作用,调节作用大小随外荷载大小而变化,荷载小于地基的极限承载力时,调节作用随荷载增大而增大;(b)补偿作用,砂垫层的补偿作用是在外荷载作用下形成压密核的过程中产生的.砂垫层的调节和补偿作用与垫层的厚度及宽度关系密切.经验表明,砂垫层的厚度h和宽度b与地基宽度a的关系是:a.中等以下的膨胀土,h≥0.75a>0.3m,b≥1.5a;b.中等膨胀土,h≥1.0a,b≥1.6a,且基础埋深应大于1.2m.荷载板浸水变形现场试