膨脹土生態(tài)改性劑及施工技術(shù)

1、膨脹土在我國(guó)分布廣泛，具礦物成分多以伊利石為主，高嶺石 次之，夾少量的蒙脫石。這些親水性的粘土礦物成份遇水膨脹，失水 收縮，具有明顯的脹縮性、崩解性、多裂隙性、超固結(jié)性、風(fēng)化特性, 以及強(qiáng)度減弱性。容易導(dǎo)致沉陷、滑坡、溜塌、縱裂、坍滑等事故。 在鐵路、公路、水利、工民建等工程建設(shè)中，不可避免地要經(jīng)過膨脹 寸地區(qū)，治理膨脹土，確保工程質(zhì)量一直是困擾工程界的重大技術(shù)難 題，屬國(guó)家重點(diǎn)科研攻關(guān)項(xiàng)目。一、膨脹土危害工程的主要原因膨脹土的礦物成分及結(jié)構(gòu)形式，使它具有脹縮特性，含水量的變 化使其這一特性顯示出來。新開挖的膨脹土地基與邊坡，受雨水、大 氣、地下水、土壓力等因素的影響，使膨脹土含水量發(fā)生變化。

2、反復(fù) 脹縮導(dǎo)致了膨土土體的松散，并在其中形成許多不規(guī)則的裂隙，裂 隙性破破了 土體的整體性。使水的侵入和土中水分的蒸發(fā)更為容易。 土中含水量的波動(dòng)和脹縮的反復(fù)發(fā)生，又進(jìn)一步導(dǎo)致了裂隙的擴(kuò)展和 向土層深部發(fā)展，使該土體強(qiáng)度大為降低，形成風(fēng)化層。風(fēng)化層深度 一般在11, 2m。風(fēng)化層深度范圍內(nèi)，土體濕脹干縮效應(yīng)明顯，土體 的粘聚力和抗剪強(qiáng)度變化極大，所以大氣風(fēng)化作用層是產(chǎn)生各類地基 及邊坡病害的直接引導(dǎo)層。對(duì)地基及邊坡穩(wěn)定性危害極大。因此膨脹 土大氣風(fēng)化作用層是危害工程的主要原因。是工程防護(hù)和治理的對(duì)象 治理膨脹土風(fēng)化作用層是工程防護(hù)成敗的關(guān)鍵。膨脹土含水量的變化是受多種因素的影響， 雨水滲入只是

3、其中的 一個(gè)主要原因。因此治理膨脹土地基及邊坡，僅僅依靠防止雨水滲入 土體是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。它應(yīng)該是對(duì)大氣風(fēng)化作用層影響深度范圍內(nèi)土體 的徹底治理。二、膨脹土傳統(tǒng)處理方法對(duì)于膨脹土挖方邊坡傳統(tǒng)的處置方案， 一般采用全封閉形式的剛 性防護(hù)。其主要觀點(diǎn)認(rèn)為：膨脹土失穩(wěn)原因是受降水影響。當(dāng)土體吸 水由非飽和態(tài)進(jìn)入飽和態(tài)這一過程中，土體的抗剪強(qiáng)度則由強(qiáng)逐漸變 弱，當(dāng)土體的剪切指標(biāo)值隨含水量增加而衰減時(shí)， 其邊坡穩(wěn)定性隨之 遞減直至產(chǎn)生變形破壞。因此采用邊坡封閉防護(hù)以阻止降水被非飽和 土吸收，其主要方式如漿砌片石滿鋪防治、混凝土六角塊滿鋪防護(hù)、 土釘墻加固邊坡等。實(shí)踐證明這些剛性防護(hù)方案在治理膨脹土效果較

4、差。因?yàn)榕蛎浲列峦陂_的坡面受大氣、地下水、土壓力變化等多種因 素影響，既使沒有降水的侵入，也會(huì)發(fā)生膨脹與收縮，必然產(chǎn)生一定 的變形，以求達(dá)到新的平衡。即使這種變形不大，也會(huì)對(duì)剛性防護(hù)結(jié) 構(gòu)起破壞作用。慢慢形成裂縫，雨水就會(huì)從裂縫中滲入，加劇膨脹土 的脹縮，惡性循環(huán)，直至引發(fā)連鎖破壞。剛性防護(hù)結(jié)構(gòu)還有產(chǎn)生眩光、 噪聲、不能還原生態(tài)環(huán)境等缺陷。對(duì)于膨脹土路基的處理方法通常采用換填土及在膨脹土路堤填 料中摻石灰，水泥等方法處理，石灰固化機(jī)理是硅酸鹽和鋁的水化物 與顆粒相互間的膠結(jié)作用，膠結(jié)物逐漸脫水和新生礦物的結(jié)晶作用， 從而降低了液限，增大土的抗剪強(qiáng)度。以上兩種方法雖有一定效果， 但我們通過多年報(bào)

5、的施工過程和已通車的道路調(diào)查以及室內(nèi)、室外試 驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)石灰和水泥與土反應(yīng)速度較慢，所生成的水化物強(qiáng)度較低， 耐久性較差，而且石灰摻量在 8%以上，水泥滲量在6%以上，用量 較大能達(dá)到一定的效果。而在施工時(shí)需要反復(fù)拌和均勻，周期長(zhǎng)，耗 工時(shí)施工性不好，造價(jià)高。三、膨脹土生態(tài)改性劑(CMA)工程應(yīng)用由于上述治理方案的種種不足，我公司在有關(guān)科研單位，大專院 校的幫助下，認(rèn)真總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)多次試驗(yàn)，開發(fā)研制出一種膨脹 土生態(tài)改性劑(CMA)和施工技術(shù)，應(yīng)用膨脹土地基與邊坡的治理能起 到較好的效果，其原理是利用改性劑和少量石灰摻配成水溶液后，使水分子離解成H+、OH",從而與膨脹土表面附帶的

6、大量活躍的金屬陽 離子交換，使吸附在土粒上的水化學(xué)鍵破壞形成自由水， 使石灰土形 成鍵狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)加快反應(yīng)和離子交換，水分通過重力、蒸發(fā)、壓實(shí) 作用排出，減弱其膨脹勢(shì)能，改變膨脹土顆粒結(jié)構(gòu)特性，從而提高土 體的抗剪強(qiáng)度，永久地改變膨脹土屬性。能將膨脹土改性為非膨脹土。 且具有比石灰石更穩(wěn)定，更持久的效果。CMA生態(tài)改性劑為中性水溶液，其 PH值界于67之間，且無 毒，無腐蝕性，不可燃，無污染，能解決石灰土的水穩(wěn)性問題。增強(qiáng) 了土強(qiáng)度，并大幅度降低工程造價(jià)，簡(jiǎn)化了施工工序，施工性好，工 期短。改性后土體能種值灌木和草皮，具有綠化與美化環(huán)境，還愿生 態(tài)的功能。四、膨脹土 CMA生態(tài)改性劑結(jié)構(gòu)特征1

7、、改性效果：對(duì)膨脹土能起到較好的改性效果，能將膨脹土改性為非膨脹土， 改性深度可達(dá)成11.2m,影響深度可達(dá)到1.52m,能 使膨脹土土體永久改變屬性。增強(qiáng)土的強(qiáng)度，確保工程質(zhì)量。此技 術(shù)屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。2、環(huán)保產(chǎn)品：CMA生態(tài)改性劑其PH值界于67之間，為中性水溶液，且無毒，無腐蝕性，不可燃，無污染，屬生態(tài)環(huán)保產(chǎn)品。3、生態(tài)環(huán)境保護(hù)：改性后的膨脹土能種植灌木和草皮，具有綠化美化環(huán)境的功能，滿足水土保持，消聲斂光等特點(diǎn)。4、經(jīng)濟(jì)適用：能按不同的土體配制，改性效果好，質(zhì)量安全可靠、 穩(wěn)定，改性的邊坡可按正常土質(zhì)邊坡率設(shè)計(jì)，節(jié)約用地，減少挖 方量。工程造價(jià)低。5、施工方便：施工簡(jiǎn)單，施工性能好，工期短

8、，同時(shí)施工快。可多 組同時(shí)施工，平行流水作業(yè)。膨脹土傳統(tǒng)防護(hù)方案優(yōu)劣分析表防護(hù)形式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)原因分析漿砌片石滿 鋪有效阻止降水下滲，延 緩?fù)馏w變形破壞時(shí)間， 防止剝落、泥流、沖蝕 的發(fā)生。對(duì)空氣溫度不 大的地區(qū)或地下水不發(fā) 育地段具有比較好的防 護(hù)效果。1、無法防治膨脹的發(fā) 生。2、對(duì)空氣溫度大和地 下水發(fā)育地區(qū)易產(chǎn) 生溜塌、滑坡。3、減少了綠化面積。水分易在坡面防 護(hù)體卜聚集，土體吸 水、含水量增加達(dá)到 過飽和狀態(tài)，導(dǎo)致土 顆粒間粘聚力減弱在 重力與滲透壓力作用 下易產(chǎn)生溜塌，滑坡。土釘墻1、通過面板、在土體中 規(guī)則排列錨桿和土體相 互作用，形成的復(fù)合擋 墻提圖了邊坡土體整體 穩(wěn)定性，邊開挖邊

9、施工 可抑制膨脹的發(fā)生。2、有效阻止降水下滲， 延緩?fù)馏w變形破壞時(shí) 間，防止剝落、泥流、 沖蝕的發(fā)生。3、對(duì)空氣溫度不大的地 區(qū)性或地下水不很發(fā)育 地段具有很好的防護(hù)效 果。1、坡頂囿板部分與原地 面間易產(chǎn)生滲水，在和 地下水的共同作用卜易 引起牽引性滑坡2、減少了綠化面積土釘技術(shù)是以新奧隧 道法理倫為基礎(chǔ)即把 潛在滑動(dòng)卸前的主動(dòng) 區(qū)的復(fù)合土體視為能 夠自撐的穩(wěn)定體。與 膨脹土的淺層破壞型 式不符，高玄防護(hù)型式 會(huì)面板后土釘間膨脹 土土體強(qiáng)度隨著含水 量的增減III衰減，逐 漸失自撐能力，起不 起支撐面板的作用而 發(fā)生。錨桿框架梁1、錨桿與框架結(jié)合可抑 制因卸荷引起膨脹的發(fā) 生2、植被有效阻止

10、降水下 滲，延緩?fù)馏w變形破壞 時(shí)間，防止剝落、泥流、 沖蝕光、溜塌的發(fā)生4、避免引起牽引性滑坡5、增加綠化面積，美 化環(huán)境。1、要求邊坡達(dá)到基本穩(wěn) 定坡率，增加了土方數(shù) 量和占用土地較多。2、后期存在一定的整修 工作量，即要/、斷清理 框架間滑塌的土方和補(bǔ) 栽灌木?？蚣荛g土體在大氣 風(fēng)化作用層內(nèi)易發(fā)生 膨脹。五、CMA生態(tài)改性劑適用范圍1、適用于公路、鐵路、水利、礦山、工業(yè)與建筑等工程，對(duì)地 基邊坡強(qiáng)、中、弱各種類型膨脹土的改性處理。2、在公路路塹邊坡防護(hù)中采用改性劑時(shí)可分兩種情況：一是當(dāng) 挖方地段處于坡頂且挖深一般不大于 12m或邊坡基本為均值土層時(shí)， 僅 施以注入改性劑即可，二是當(dāng)挖方較深

11、 （一般大于12m）或位于山 體坡腳步，一一亡層后存在有結(jié)構(gòu)和物造面產(chǎn)生滑動(dòng)時(shí)應(yīng)采用改性劑 與特金網(wǎng)生物護(hù)坡技術(shù)相結(jié)合較為理想。六、CMA生態(tài)改性劑改性實(shí)驗(yàn)成果為了檢驗(yàn)CMA生態(tài)改性劑的效果，我們做了大量的室內(nèi)試驗(yàn)和 室外工程實(shí)體試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過改性后的膨脹土，自由膨脹率、膨脹量、膨脹力、線縮率、收縮系數(shù)各有明顯的下降，縮限呈明顯上升趨 勢(shì)，CBR和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大幅度提高。同時(shí)做了與石灰：卜相比 較的長(zhǎng)期泡水試驗(yàn)，其各項(xiàng)指標(biāo)明顯比石灰土表現(xiàn)平穩(wěn)。 在此基礎(chǔ)上 我們選取了不同性質(zhì)和強(qiáng)度的膨月長(zhǎng)性巖土路基和邊坡進(jìn)行了改性 試驗(yàn)。下面簡(jiǎn)要介紹其中的一部分：1、膨脹土填方路堤的改性處理K40+826

12、: 5橋頭上路床填筑，南臺(tái)K40+?30 一 K40十804: 5c K40十960由于未能及時(shí)刑 K39+800右30m處取土樣的變化進(jìn)行 準(zhǔn)確的判斷，上路床最后兩層填土碾壓完成后，出現(xiàn)網(wǎng)裂現(xiàn)象，裂紋 深度最大部分達(dá)20cm,寬度最大達(dá)1cm,經(jīng)發(fā)現(xiàn)后，要求對(duì)兩橋頭 網(wǎng)裂范圍填土路基進(jìn)行改性處理。所用土為K39+930取土場(chǎng)土。該土樣土工性質(zhì)風(fēng)下表：K39+930 土樣性質(zhì)天然含水量顆粒分析<2m m含量Wl (%)Wp (%)Ip20.171.848.334.513.8最大干密度最佳含水量CBR0.95 (%)膨脹M 0.95(%)吸水量0.95 (g)1.7520.28.91.72

13、162按模糊綜合評(píng)判法，該土評(píng)判指數(shù) 48.3,為弱膨脹土。據(jù)地質(zhì)勘察資料，該土為第四系殘積粘土層 （Q4e1）,紫紅色，以粘土為主，含 少量鐵鎰質(zhì)結(jié)核及礫石，C=75kp, a= 23° ,自由膨脹率為65, 8%。改性方案一：向裂縫內(nèi)澆灌CMA溶液，灌入劑量以灌至不能再灌入為止（水滿 出不再滲入即可）：1 2h后，用振動(dòng)壓路機(jī)碾壓34遍，使填土密實(shí)， 裂縫閉合。改性方案二：將網(wǎng)裂范圍內(nèi)土層翻松至裂紋深度（翻挖的最小層厚不能小于0 cm）;按土的1 %的重量比摻加石灰并拌合均勻， 噴灑CMA溶液，仗 土達(dá)到最佳含水量+3%,拌勻后用平地機(jī)整平。用 40T以上振動(dòng)壓 路機(jī)碾壓，至壓實(shí)

14、度合格為止。改性后土樣的土工性質(zhì)如表：改良后土樣的土工性質(zhì)顆粒分析<2m m含量Wl (%)Wp (%)Ip最佳含水量 (%)71.543.032.310.717.3最大干密度 (g/cm3)CBR0.95 (%)膨脹量0.95(%)吸水量0.95 (g)1.8090.20.2695可看出，改性后，土的最大干密度增大，CBR值增幅較高，而膨脹量降低，液限降低5, 3%, IP降低3, 1,用模糊綜合評(píng)判法對(duì) 其進(jìn)行評(píng)判，評(píng)判指數(shù)為35, 1,為非膨脹土。改良后，沒有出現(xiàn)開 裂現(xiàn)象。該路段經(jīng)檢驗(yàn)，回彈彎沉值為 95(0, 01mm),允許：回彈彎 沉值為304<0, 01mm),壓實(shí)

15、度平均值為97. 1%,符：合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) 的要求。2、CMA生態(tài)改性劑對(duì)膨脹土挖方邊坡的改性處理，為了切實(shí)的顯示CMA溶液的改性效果，消除人們的疑慮，我們將 膨脹土質(zhì)邊坡率設(shè)計(jì)為1： 1, 75,防護(hù)型式設(shè)計(jì)為磚砌人型骨架， 將強(qiáng)風(fēng)化膨脹巖質(zhì)邊坡防護(hù)型式設(shè)計(jì)為襯砌拱。(實(shí)踐證明改性后膨脹土為正常I:,可以取消防護(hù)結(jié)構(gòu))。對(duì)原土進(jìn)行取樣，做摻配實(shí) 后，再進(jìn)行實(shí)體改性處理。(1)摻配實(shí)驗(yàn)驗(yàn)試驗(yàn)土樣的物理性質(zhì)取梯樁號(hào)顆粒分析最大二干密度(g/cm3)液 限WL (%)液 限Wp (%)自由膨 脹率 (%)剪切強(qiáng)度2mm%<0.074mC(kpa) (° )K20+8006.285.71

16、.7546.025729417.9K32+61515.357.71.8258.921.765122.524.2K32+6158.579.51.9432.516.0786419.0液限、塑限土梯的物理性質(zhì)取梯樁號(hào)擾動(dòng)土摻配一次摻配二次摻配三次WLWPWLWPWLWPWLWPK20+80046.025.042.528.341.3529.039.029.6K32+61568.921760.325.758.224.356.623.0K49+91032.516.030.619.030.421.025.521.3摻配CM A溶液自由膨脹試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表送別土 樣自由膨脹率()擾動(dòng)土摻配一次K20+800 (

17、夾黑色)7246K 32+615 (棕紅色)6534K 49+910 (膨脹泥巖)7848無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：土樣按擊實(shí)試驗(yàn)(T01 31 93)方法制備，試模為7.1cmX6.9cm的無側(cè)限抗強(qiáng)度試模，按95%的密實(shí)度壓模成型，放室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)7 天后抗壓至破壞。試驗(yàn)結(jié)果證明，摻配 CMA混合溶液使膨脹土無側(cè) 限抗壓強(qiáng)度大幅度提高，可為原狀的 23倍左右。(2)邊坡實(shí)體改性以K32+620+ 680左邊坡防護(hù)實(shí)體工程。CMA溶液對(duì)其改性，每噴灑一次，用輕理觸探儀對(duì)改性邊坡進(jìn)行動(dòng)力觸探撿驗(yàn)，得出承 載力的變化。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見表：K32+650對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果K32+630 深50cm天然 含水 量W

18、L (%)Wp (%)CBR0.95(%)膨脹量(%)最大于 密度C(Kpa)° )改良前28.568.921.70.844.11.82122.524.2改良后23.555.821.34.53.21.8428722.5由上表可見，注入改性劑后邊坡土體各項(xiàng)指標(biāo)均有不同程度的改善，特別是C值提；葛的最為明顯。滲透影響濃度試驗(yàn)結(jié)果取樣深度 (%)改良前0205080100150WL68.955.865.558.560.562.168.2Wp21.728.528.027.226.725.121.8Ip47.227.328.521.333.837.046.4通過以上試驗(yàn)，可以看出在大氣急劇風(fēng)化影響范圍內(nèi)改性后土的各項(xiàng)指標(biāo)明顯改善，從98年8月至今已有四年多，經(jīng)歷丁幾個(gè)雨季和早季，邊坡穩(wěn)定，經(jīng)測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)保持穩(wěn)定、液限呈平緩下降趨 勢(shì)。承載力試驗(yàn)果K32+615改良前摻配一次摻配二次摻配三次摻配四次錘擊次數(shù)1842526062承載力(t/m212.434445254從試驗(yàn)結(jié)果看出，隨著噴灑次數(shù)的增加，天然承載力逐步增加較大，但三次