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【摘要】由膨胀土的产生原因及工程特性出发，阐述膨胀土的危害，并介绍了实际工程中常用的预防措施和治理方法，最后以砂改性处理研究为例，分析如何对膨胀土的处理方案进行选择。
【关键词】膨胀土；含水量；预防措施；处理方法
【中图分类号】TV91 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2012）08—0194-02
1.前言
在渠道工程土方开挖和填筑过程中，经常会遇到各种各样的影响工程施工的问题，其中绝大多数问题的根源，可以追溯到土体中含水量的变化，膨胀土就是由于含水量变化而引起的一种较为常见的工程病害的土质，膨胀土具有极大的危害性，如不及时处理或者处理不当，就会造成基底失稳，使构造物沉陷过大或者产生不均匀沉降。
2.膨胀土的工程特性
膨胀土中粘土矿物成分主要是由蒙脱石、伊利石等亲水性矿物组成，其自由膨胀率Fs≥40%。此类土是具有吸水膨胀、失水收缩、裂隙性和超固结特性的高塑性粘土。这类土遇水膨胀，变得松软，强度大幅降低；失水体积收缩，变得坚硬，强度增大，其裂隙性会使其上的结构物随气候变化，反复出现不均匀的升降，而产生大量裂缝。此外，膨胀土的超固结性在使路堑边坡坡脚产生较大剪切力的同时会导致强度的降低发生应变软化而造成边坡坍塌。渠道施工中因为采用了含水量较大的粘性土或粉质粘性土作为回填土进行碾压或夯击，由于原状土被扰动，颗粒之间的毛细孔遭到破坏，水分不易渗透和散发，降低了土体的强度，并使之产生了弹性颤动，形成了具有软塑状态的膨胀土。
3.膨胀土的危害
3.1 彈簧土含水量大，强度低，容易造成基底失稳，使构造物沉陷过大或者产生不均匀沉降。
3.2 膨胀土含水量较大且颗粒之间的毛细孔遭到破坏，水分不易渗透和散发，一旦冬季气温较低，容易产生冻胀现象，破坏渠道的混凝土衬砌板，严重影响工程质量。
3.3 膨胀土表面固结，甚至半硬化形成坚硬的土壳体，一旦忽略处理或者处理不当，在高水头作用下，容易发生溃坝和管涌，危害人身和财产安全。
4.膨胀土的常用处理办法
由于膨胀土和“软土”都具有含水量较大，强度较低的特点，因此在对膨胀土进行处理前，应首先判断土体是膨胀土还是“软土”。膨胀土的含水量一般高于最优含水量的6%～8%，但低于其液限，饱和度小于60%，内摩擦角大于15度；而“软土”的含水量一般接近或超过其液限，饱和度大于95%，孔隙比在1.0-1.9之间，内摩擦角几乎接近于零。在实际工程中，对于膨胀土的处理常采取以下几种处理方法：
4.1 晾晒法
暂停该渠段的施工，将膨胀土翻出晾晒，待含水量降低符合要求后再进行回填碾压，但由于膨胀土晾晒将延长工期，因此该方法一般在工期不紧和天气条件较好的情况下使用。
4.2 碎石铺垫法
在膨胀土表面铺一层碎石，然后进行碾压夯击，将表层土紧密挤实。该方法一般适用于膨胀土情况不严重，且土方填筑质量要求较低的部位。
4.3 换土回填
即挖去膨胀土，重新换填含水量符合要求的土料。这种方法常用于工程量不大，工期较紧的工程。
4.4 干石灰粉改性处理
将膨胀土翻起并粉碎，均匀掺入生石灰粉末，使用该方法的原理为：干石灰粉末不但可以吸收土体中的水分降低含水量，而且可以与土料发生化学反应（干石灰粉末的主要成分为氧化钙，土的主要成分为二氧化硅、三氧化二铝及少量的三氧化二铁）形成强度较高的硅酸钙，改变了土层原有结构，经碾压夯实后形成了灰土垫层，具有了一定的抗压强度和水稳定性。本方法大多在膨胀土情况较为严重及气候条件不利于晾晒的情况下采用，特别是在运距较远，换填方量较大的情况下，该方法最为简单有效。
5.砂改性处理研究实例
5.1 工程概况
南水北调中线工程南阳市段一标位于南阳市市区内，设计桩号：TS87+925-TS94+365，全长约6.44千米；渠道过水断面成梯形，设计流量340m3/s、加大流量410m3/s，最大挖深26m，最大填高11m；标段内共有各类建筑物11座，其中河渠交叉建筑物1座，左岸排水建筑物4座，渠渠交叉建筑物1座，退水闸1座，公路桥3座。
本标段涉及膨胀土范围较广，穿渠建筑物较多，填筑高度比较大，水头压力比较高，基于膨胀土对渠道和结构物质量的影响较大，所以对膨胀土的处理是关乎工程质量的关键工作。
5.2 传统治理方法
本标段涉及膨胀土范围较广，须换填非膨胀土方量较大。对于弱膨胀土渠堤、路堑、路堤，常采用干石灰等材料改性或框架梁、浆砌石等刚性防护。但是采用石灰等改性膨胀土，影响环境，污染地下水，并且采用石灰改性膨胀土成本较高。对于刚性防护，可以在一定程度上缓解膨胀土的危害，但是不能从根本上解决大气风化影响深度范围内膨胀土体的胀缩问题。虽然刚性防护下膨胀土的胀缩变形不大，但是也会对刚性防护结构起到破坏作用，逐渐形成裂缝，造成外来水从裂缝中浸入，加剧膨胀土的胀缩变形，甚至造成连锁破坏。
5.3 砂改性土的试验段研究
为了能在实际生产中更好的利用砂改性土，在南水北调南阳一标大井南接引线路中选取了KO+800-KO+880八十米的路段对砂改性土的实际应用进行了试验段研究。试验用土为本标TS91+700-TS92+000取的开挖膨胀土，砂为普通的中砂。
5.3.1 拌合
砂改性土的拌合，可采用路拌拌合和场拌伴合；我标段采用路拌拌合。首先，在路基上虚铺28cm厚的土，翻晒至土的含水量适中（在试验段中土的含水量为18%左右）。然后在含水量适中的土表面较均匀虚铺5cm左右厚的砂子。在路面上随机选4个点取中层土测砂改性土中砂的体积分数，用旋耕犁不停的犁拌，直至土和砂掺和均匀。表1为犁拌遍数与砂改性土中砂的体积分数的关系。
结果表明，用旋耕犁在路面犁拌四遍后可使砂改性土中砂和土拌合基本均匀。
【关键词】膨胀土；含水量；预防措施；处理方法
【中图分类号】TV91 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2012）08—0194-02
1.前言
在渠道工程土方开挖和填筑过程中，经常会遇到各种各样的影响工程施工的问题，其中绝大多数问题的根源，可以追溯到土体中含水量的变化，膨胀土就是由于含水量变化而引起的一种较为常见的工程病害的土质，膨胀土具有极大的危害性，如不及时处理或者处理不当，就会造成基底失稳，使构造物沉陷过大或者产生不均匀沉降。
2.膨胀土的工程特性
膨胀土中粘土矿物成分主要是由蒙脱石、伊利石等亲水性矿物组成，其自由膨胀率Fs≥40%。此类土是具有吸水膨胀、失水收缩、裂隙性和超固结特性的高塑性粘土。这类土遇水膨胀，变得松软，强度大幅降低；失水体积收缩，变得坚硬，强度增大，其裂隙性会使其上的结构物随气候变化，反复出现不均匀的升降，而产生大量裂缝。此外，膨胀土的超固结性在使路堑边坡坡脚产生较大剪切力的同时会导致强度的降低发生应变软化而造成边坡坍塌。渠道施工中因为采用了含水量较大的粘性土或粉质粘性土作为回填土进行碾压或夯击，由于原状土被扰动，颗粒之间的毛细孔遭到破坏，水分不易渗透和散发，降低了土体的强度，并使之产生了弹性颤动，形成了具有软塑状态的膨胀土。
3.膨胀土的危害
3.1 彈簧土含水量大，强度低，容易造成基底失稳，使构造物沉陷过大或者产生不均匀沉降。
3.2 膨胀土含水量较大且颗粒之间的毛细孔遭到破坏，水分不易渗透和散发，一旦冬季气温较低，容易产生冻胀现象，破坏渠道的混凝土衬砌板，严重影响工程质量。
3.3 膨胀土表面固结，甚至半硬化形成坚硬的土壳体，一旦忽略处理或者处理不当，在高水头作用下，容易发生溃坝和管涌，危害人身和财产安全。
4.膨胀土的常用处理办法
由于膨胀土和“软土”都具有含水量较大，强度较低的特点，因此在对膨胀土进行处理前，应首先判断土体是膨胀土还是“软土”。膨胀土的含水量一般高于最优含水量的6%～8%，但低于其液限，饱和度小于60%，内摩擦角大于15度；而“软土”的含水量一般接近或超过其液限，饱和度大于95%，孔隙比在1.0-1.9之间，内摩擦角几乎接近于零。在实际工程中，对于膨胀土的处理常采取以下几种处理方法：
4.1 晾晒法
暂停该渠段的施工，将膨胀土翻出晾晒，待含水量降低符合要求后再进行回填碾压，但由于膨胀土晾晒将延长工期，因此该方法一般在工期不紧和天气条件较好的情况下使用。
4.2 碎石铺垫法
在膨胀土表面铺一层碎石，然后进行碾压夯击，将表层土紧密挤实。该方法一般适用于膨胀土情况不严重，且土方填筑质量要求较低的部位。
4.3 换土回填
即挖去膨胀土，重新换填含水量符合要求的土料。这种方法常用于工程量不大，工期较紧的工程。
4.4 干石灰粉改性处理
将膨胀土翻起并粉碎，均匀掺入生石灰粉末，使用该方法的原理为：干石灰粉末不但可以吸收土体中的水分降低含水量，而且可以与土料发生化学反应（干石灰粉末的主要成分为氧化钙，土的主要成分为二氧化硅、三氧化二铝及少量的三氧化二铁）形成强度较高的硅酸钙，改变了土层原有结构，经碾压夯实后形成了灰土垫层，具有了一定的抗压强度和水稳定性。本方法大多在膨胀土情况较为严重及气候条件不利于晾晒的情况下采用，特别是在运距较远，换填方量较大的情况下，该方法最为简单有效。
5.砂改性处理研究实例
5.1 工程概况
南水北调中线工程南阳市段一标位于南阳市市区内，设计桩号：TS87+925-TS94+365，全长约6.44千米；渠道过水断面成梯形，设计流量340m3/s、加大流量410m3/s，最大挖深26m，最大填高11m；标段内共有各类建筑物11座，其中河渠交叉建筑物1座，左岸排水建筑物4座，渠渠交叉建筑物1座，退水闸1座，公路桥3座。
本标段涉及膨胀土范围较广，穿渠建筑物较多，填筑高度比较大，水头压力比较高，基于膨胀土对渠道和结构物质量的影响较大，所以对膨胀土的处理是关乎工程质量的关键工作。
5.2 传统治理方法
本标段涉及膨胀土范围较广，须换填非膨胀土方量较大。对于弱膨胀土渠堤、路堑、路堤，常采用干石灰等材料改性或框架梁、浆砌石等刚性防护。但是采用石灰等改性膨胀土，影响环境，污染地下水，并且采用石灰改性膨胀土成本较高。对于刚性防护，可以在一定程度上缓解膨胀土的危害，但是不能从根本上解决大气风化影响深度范围内膨胀土体的胀缩问题。虽然刚性防护下膨胀土的胀缩变形不大，但是也会对刚性防护结构起到破坏作用，逐渐形成裂缝，造成外来水从裂缝中浸入，加剧膨胀土的胀缩变形，甚至造成连锁破坏。
5.3 砂改性土的试验段研究
为了能在实际生产中更好的利用砂改性土，在南水北调南阳一标大井南接引线路中选取了KO+800-KO+880八十米的路段对砂改性土的实际应用进行了试验段研究。试验用土为本标TS91+700-TS92+000取的开挖膨胀土，砂为普通的中砂。
5.3.1 拌合
砂改性土的拌合，可采用路拌拌合和场拌伴合；我标段采用路拌拌合。首先，在路基上虚铺28cm厚的土，翻晒至土的含水量适中（在试验段中土的含水量为18%左右）。然后在含水量适中的土表面较均匀虚铺5cm左右厚的砂子。在路面上随机选4个点取中层土测砂改性土中砂的体积分数，用旋耕犁不停的犁拌，直至土和砂掺和均匀。表1为犁拌遍数与砂改性土中砂的体积分数的关系。
结果表明，用旋耕犁在路面犁拌四遍后可使砂改性土中砂和土拌合基本均匀。