一种改良膨胀土地基、边坡的施工方法与流程

本发明属于地质灾害处理及岩土工程技术领域，特别涉及改良膨胀土地基、边坡的施工方法。

背景技术：

膨胀土对水的敏感性较强，具有遇水膨胀失水收缩的特点。经过反复吸水、失水过程后，裂隙发育，强度降低，具有不良的工程性质，对轻型构筑物如道路、铁路、水利工程存在很大的安全隐患，所以在施工之前必须对膨胀土进行处理。

膨胀土改良是以降低膨胀土胀缩性，提高膨胀土强度，增强膨胀土在干湿循环过程中的水稳定性为的目的。在膨胀土中添加改良剂的种类主要分为工业废渣、化学试剂、生物材料三大类。其中，应用最为广泛包括石灰、粉煤灰、水泥等，但石灰改良膨胀土见效慢，容易产生污染；粉煤灰改良膨胀土掺量大，成本高，且需要和石灰混合才有效果；水泥改良膨胀土的方法中，早期的强度不高。

针对以上材料的不足，结合化学材料流动性高，成本低廉，施工工艺简单的特征，采硫酸铝和水玻璃混合溶液改良膨胀土。

中国专利201410720946.5公开了一种膨胀土改良剂，按重量百分数计包括以下组分：十八水硫酸铝33％～70％，氯化铁5％～18％，十六烷基三甲基溴化铵8％～20％，聚丙烯酰胺0.1％～1％，聚合氯化铝8％～20％，九水合水玻璃3％～8％。本发明膨胀土改良剂能很好的抑制膨胀土的膨胀潜势，无侧限抗压强度有所增强，能满足《公路路基设计规范》(jtg？e30-2004)工程施工要求。且制备该改良剂的原料易得，价格低廉，无毒无害，对人体健康和环境没有影响。该改良剂渗透性好，施工简单，通过直接喷洒来改良膨胀土，进而完成对膨胀土的固化，大幅度降低施工成本及施工过程对人、环境的影响。但是考虑到成本高昂，现有技术就显得略有不足。

技术实现要素：

解决的技术问题：本申请主要是提出一种改良膨胀土地基、边坡的施工方法，解决现有技术中存在的强度不高、有污染等技术问题，使膨胀土的强度、韧性、膨胀性和水稳定性得到大幅改善，满足工程施工要求，同时避免了废弃物对环境造成污染，成本低廉，具有明显的环境效益和经济效益。

技术方案：

一种改良膨胀土地基、边坡的施工方法，包括如下步骤：

第一步，按质量份数配比膨胀土100份、硫酸铝1-3份、水玻璃2.5-10份称取膨胀土、硫酸铝和水玻璃；

第二步，将称量后的膨胀土、硫酸铝和水玻璃进行机械拌合，形成工程土填料；

第三步，将拌合好的工程土填料运输到目的场地，进行工程土填料堆填，保证其表面平整，以形成膨胀土地基毛坯；

第四步，对形成的膨胀土地基毛坯进行机械碾压，从而形成膨胀土地基成品。

作为本发明的一种优选技术方案：所述膨胀土、硫酸铝和水玻璃质量分数配比为膨胀土100份、硫酸铝1.2-2.8份、水玻璃3-9份。

作为本发明的一种优选技术方案：所述膨胀土、硫酸铝和水玻璃质量分数配比为膨胀土100份、硫酸铝1.5-2.5份、水玻璃4-8份。

作为本发明的一种优选技术方案：所述膨胀土、硫酸铝和水玻璃质量分数配比为膨胀土100份、硫酸铝1.7-2.3份、水玻璃5-7.5份。

作为本发明的一种优选技术方案：所述膨胀土、硫酸铝和水玻璃质量分数配比为膨胀土100份、硫酸铝2份、水玻璃6份。

有益效果：本申请所述改良膨胀土地基、边坡的施工方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、改良后的膨胀土膨胀特性显著降低。

2、经硫酸铝和水玻璃混合溶液改良后的膨胀土具有较高的无侧限抗压强度，塑性提高，抗剪强度指标明显增大。

3、经硫酸铝和水玻璃混合溶液改良后的膨胀土水稳定得到改善，再次添加改良剂溶液，改良效果再次的到加强。

4、本发明利用的改良材料廉价，实施成本低，施工工艺简单可行，可广泛应用于边坡、挡土墙、路基、地基、堤岸等岩土和水利工程领域。

附图说明：

图1为1％硫酸铝改掺量改良土的无侧限抗压强度变化图。

图2为2％硫酸铝改掺量改良土的无侧限抗压强度变化图。

图3为3％硫酸铝改掺量改良土的无侧限抗压强度变化图。

图4为1％硫酸铝改掺量改良土的抗剪强度与垂直压力关系图。

图5为2％硫酸铝改掺量改良土的抗剪强度与垂直压力关系图。

图6为3％硫酸铝改掺量改良土的抗剪强度与垂直压力关系图。

图7为改良土的粘聚力与硫酸铝和水玻璃混合溶液掺量的关系曲线图。

图8为1％硫酸铝掺量改良土的自由膨胀率与水玻璃掺量关系图。

图9为2％硫酸铝掺量改良土的自由膨胀率与水玻璃掺量关系图。

图10为3％硫酸铝改掺量改良土的自由膨胀率与水玻璃掺量关系图。

图11为1％硫酸铝改掺量改良土的无荷膨胀率与时间的关系图。

图12为2％硫酸铝改掺量改良土的无荷膨胀率与时间的关系图。

图13为3％硫酸铝改掺量良土的无荷膨胀率与时间的关系图。

图14为1％硫酸铝掺量改良土的体积变化与干湿循环次数的关系图。

图15为1％硫酸铝掺量改良土的体积变化与干湿循环次数的关系图。

图16为1％硫酸铝掺量改良土的体积变化与干湿循环次数的关系图。

图17为1％硫酸铝掺量改良土的抗剪强度与垂直压力的关系图。

图18为2％硫酸铝掺量改良土的抗剪强度与垂直压力的关系图。

图19为3％硫酸铝掺量改良土的抗剪强度与垂直压力的关系图。

图20为2％硫酸铝、2.5％水玻璃掺量改良土的抗剪强度与垂直压力的关系图。

图21为2％硫酸铝、5.0％水玻璃掺量改良土的抗剪强度与垂直压力的关系图。

图22为2％硫酸铝、7.5％水玻璃掺量改良土的抗剪强度与垂直压力的关系图。

图23为2％硫酸铝、10.0％水玻璃掺量改良土的抗剪强度与垂直压力的关系图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

实施例1

一种改良膨胀土地基、边坡的施工方法包括如下步骤：

第一步，按质量份数配比膨胀土100份、硫酸铝1-3份、水玻璃2.5-10份称取膨胀土、硫酸铝和水玻璃；

第二步，将称量后的膨胀土、硫酸铝和水玻璃进行机械拌合，形成工程土填料；

第三步，将拌合好的工程土填料运输到目的场地，进行工程土填料堆填，保证其表面平整，以形成膨胀土地基毛坯。

本发明的机理是：水玻璃是一种水溶性硅酸盐。在ph小于9时的水溶液环境下，能与土粒中的高价态阳离子发生胶化和凝集作用，形成沉淀以及硅胶颗粒，在土体表面铺成一层，从而加固土体。硫酸铝溶液中含高价态的的铝离子al³⁺，可与土体中低价的k+、na+发生阳离子置换作用，使土的扩散层变薄，渗透膨胀量变低，从而使土颗粒集聚起来，提高土的强度。且而al³⁺具有的胶化作用也能使土颗粒凝集起来，与土体生成复杂的铝硅酸盐矿物，增加土体的强度。

无侧限抗压强度是评价改良土性能的一个关键性的指标，它与土体类型、密度、含水率、养护龄期及受力条件等很多因素有关，能比较准确的反映试件的强度特征，在实际工程中有着重要的意义。

根据试验所得数据绘制素土及改良土在通以硫酸铝掺量条件下，无侧限抗压强度与水玻璃掺量关系图。如图1-3所示，从图中可以发现，当水玻璃掺量一定时，改良土的无侧限强度与硫酸铝掺量呈现正相关的关系，素土的无侧限强度为271.5kkpa，当硫酸铝含量为1％时，最大无侧限抗压强度为379kpa，当硫酸铝含量为3％时，最大无侧限抗压强度为399kpa，达到最大值。

图1-3中还可以发现，当硫酸铝掺量一定时，随着水玻璃的含量增加，改良土的无侧限抗压强度先增加缓慢增加后大幅度减小。当水玻璃含量到达7.5％时，无侧限抗压强度到达顶峰。改良效果最好。这是因为水玻璃与土体颗粒发生反应生成凝胶，胶结土体颗粒，调整土体颗粒级配，形成比较稳定的空间结构，增加土体的强度。而当水玻璃掺量过大时，形成的凝胶大量产生充斥土颗粒之间，导致土颗粒之间间距过大，降低了土颗粒之间的引力。

将实验所得数据画在直角坐标轴内，并将数据按摩尔库伦破坏准则τ＝c+σtanφ进行拟合，得到图4-6。同时得到各掺量下改良土的c、φ值，如表1所示。

表1

从图4-6及表1可以看出，掺入贝壳之后，改良土抗剪强度指标明显提高。土体的内摩擦角φ反映了土的摩擦特性，提供了土体的摩擦强度，摩擦强度分为咬合摩擦和滑动摩擦，两者共同概化为摩擦角。由于土体颗粒交错排列，当土体受到剪切作用时，剪应力迫使土体颗粒抬起越过相邻颗粒，这时所消耗的剪应力即为土体的摩擦强度。

改良土相比素土的内摩擦角有明显的增大，素土内摩擦角为9.6°，在土体中掺入改良剂后，当土体中掺入了改良剂后，土体的内摩擦角增大到17～21°。同一硫酸铝掺量下，内摩擦角随水玻璃的增加呈现先增大后减小的趋势，在7.5％水玻璃掺量下达到最大值。

土体在不受任何正应力作用下的抗剪强度就是土体的粘聚力。粘聚力是土体颗粒间相互胶结或粘结在一起的作用力。由于粘土矿物表面带有电荷，而水为极性分子，所以粘性土颗粒之间普遍存在土-水-电系统的相互作用，并由此产生引力和斥力，当土颗粒间的引力部分抵消斥力部分所剩余的那部分力就为土体的粘聚力。

改良剂的作用下，如图7所示，土体的粘聚力有了明显的提高，素土的粘聚力只有121.34kpa，而当水玻璃掺量达到7.5％时，土体粘聚力增加到138～159kpa，提高了14～31％。在同一硫酸铝掺量下，随着水玻璃掺量的增加，土体粘聚力呈先增大后减小的趋势。这是由于改良剂掺量较少时，改良剂能够与土颗粒可以很好的粘结在一起，通过改良剂与土颗粒的交织，改变了土体的结构性，当土样被剪切时，改良剂与土颗粒之间产生了拉应力，阻止了土体的剪切破坏，即提高了土体颗粒间的引力部分，从而使得土体的粘聚力变大，但是随着改良剂掺量的增加，改良剂大量填充于土颗粒之间的空隙，拉远了土颗粒之间的距离，隔离了土体颗粒，破坏了土体的结构性，使土体原有的引力降低，表现为粘聚力减小。

硫酸铝和水玻璃混合溶液对膨胀土膨胀率的影响。

根据《公路路基设计规范》规定的膨胀土判别标准：自由膨胀率大于或者等于40％的土称为膨胀土。按照自由膨胀率分类，40％≤fs＜65％为弱膨胀土，65％≤fs＜90％为中等膨胀土，fs＞90％为强膨胀土。由图8-10可知，从素土的自由膨胀率为63％，是弱膨胀土。掺加了改良剂的改良土，自由膨胀率明显小于素土。同时发现最小的自由膨胀率发生在改良剂掺量为2％硫酸铝和5.0％水玻璃时，此时自由膨胀率为30％，小于40％，可视为非膨胀土。

如图11-13所示，试验土样在试验中通过吸水膨胀，膨胀量经历了三个阶段，首先，第一阶段，在最初的5h内，膨胀土遇水后急剧膨胀变形，膨胀变形可达到总变形量60％。在这个阶段内，试验土样内充满孔隙，膨胀土吸水较多，从而土颗粒结合水膜变厚，颗粒之间间距增大，所以产生较大的体积变形。其次，第二阶段，随着膨胀时间的推移，在5h～24h内，膨胀变形的增长速度趋于平缓，膨胀变形占总变形量的20％～40％。此阶段内，随着土中孔隙被水充满，试验土样的吸水速率随之下降，因而土样膨胀率的增长幅度也随之变小最后，第三阶段，在浸水24h之后，试验土样几乎不再膨胀，膨胀变形不明显，逐渐稳定，达到最大变形，膨胀土的膨胀潜势在此阶段全部发挥。相比于素土土样，再添加了改良剂之后，土样的无荷膨胀率有明显的降低，说明改良剂有改良膨胀土膨胀性的作用

硫酸铝和水玻璃混合溶液对膨胀土水稳定性的影响。

土样从饱和状态到风干含水率状态发生的体积变形称为δv，δv是增湿过程的膨胀体积和脱湿过程的收缩体积之和，绘制δv和干湿循环次数关系图。由图14-16可知，随着干湿循环次数的增加，试样的体积变形量呈变小趋势，且趋势逐渐变缓，可以推断出随着干湿循环次数的增加，当试样胀缩性衰减到最弱，试样最终将达到一个稳定的体积变形量，即稳定的饱和和风干状态。掺加改良剂使体积变形量明显小于素土土样，说明改良剂能改良膨胀土的水稳定性。

从图17-19可以看出，总体上，经过干湿循环的土样的抗剪强度都有降低，且随干湿循环次数的增加，抗剪强度越来越低。改良土抗剪强度大于素土，随着干湿循环次数增加，改良土抗剪强度降幅均小于素土。第一次干湿循环抗剪强度降低最明显，随后干湿循环次数增加，抗剪强度虽有降低，但幅度很小，这表明膨胀土主要破坏是产生在第一次干湿循环过程中，后来的干湿循环只是加剧这种破坏，直至最后完全破坏，抗剪强度会达到一个稳定值。

如图20-23所示，在改良土中添加掺量相同，配比相同的改良剂溶液后，土体的抗剪强度相对素土有大幅度的增加，相比相同掺量、配比的改良土也有一定幅度的增加。可以预见，若再经过干湿循环，并掺加改良剂溶液，土体抗剪强度增加将达到极值，综合经济、强度角度考虑干湿循环后再掺加两次改良剂溶液为最佳。产生这种情况的原因是当改良土经过干湿循环左右后，改良剂与土体发生反应产生的薄膜破裂、凝胶经过水的冲刷难免有所损失，使改良剂改良效果降低。而此时再在土体中加入改良剂溶液能再次和土体颗粒发生新的反应，产生新的薄膜和凝胶，加固土体结构，相当于对改良效果的再次加强，从而增强土体强度和粘聚力。

实施例2

一种改良膨胀土地基、边坡的施工方法包括如下步骤：

第一步，按质量份数配比膨胀土100份、硫酸铝1.2-2.8份、水玻璃3-9份称取膨胀土、硫酸铝和水玻璃；

第二步，将称量后的膨胀土、硫酸铝和水玻璃进行机械拌合，形成工程土填料；

第三步，将拌合好的工程土填料运输到目的场地，进行工程土填料堆填，保证其表面平整，以形成膨胀土地基毛坯。

本发明的机理是：水玻璃是一种水溶性硅酸盐。在ph小于9时的水溶液环境下，能与土粒中的高价态阳离子发生胶化和凝集作用，形成沉淀以及硅胶颗粒，在土体表面铺成一层，从而加固土体。硫酸铝溶液中含高价态的的铝离子al3+，可与土体中低价的k+、na+发生阳离子置换作用，使土的扩散层变薄，渗透膨胀量变低，从而使土颗粒集聚起来，提高土的强度。且而al3+具有的胶化作用也能使土颗粒凝集起来，与土体生成复杂的铝硅酸盐矿物，增加土体的强度。

实施例3

一种改良膨胀土地基、边坡的施工方法包括如下步骤：

第一步，按质量份数配比膨胀土100份、硫酸铝1.5-2.5份、水玻璃4-8份称取膨胀土、硫酸铝和水玻璃；

第二步，将称量后的膨胀土、硫酸铝和水玻璃进行机械拌合，形成工程土填料；

第三步，将拌合好的工程土填料运输到目的场地，进行工程土填料堆填，保证其表面平整，以形成膨胀土地基毛坯。

本发明的机理是：水玻璃是一种水溶性硅酸盐。在ph小于9时的水溶液环境下，能与土粒中的高价态阳离子发生胶化和凝集作用，形成沉淀以及硅胶颗粒，在土体表面铺成一层，从而加固土体。硫酸铝溶液中含高价态的的铝离子al3+，可与土体中低价的k+、na+发生阳离子置换作用，使土的扩散层变薄，渗透膨胀量变低，从而使土颗粒集聚起来，提高土的强度。且而al3+具有的胶化作用也能使土颗粒凝集起来，与土体生成复杂的铝硅酸盐矿物，增加土体的强度。

实施例4

一种改良膨胀土地基、边坡的施工方法包括如下步骤：

第一步，按质量份数配比膨胀土100份、硫酸铝1.7-2.3份、水玻璃5-7.5份称取膨胀土、硫酸铝和水玻璃；

第二步，将称量后的膨胀土、硫酸铝和水玻璃进行机械拌合，形成工程土填料；

第三步，将拌合好的工程土填料运输到目的场地，进行工程土填料堆填，保证其表面平整，以形成膨胀土地基毛坯。

本发明的机理是：水玻璃是一种水溶性硅酸盐。在ph小于9时的水溶液环境下，能与土粒中的高价态阳离子发生胶化和凝集作用，形成沉淀以及硅胶颗粒，在土体表面铺成一层，从而加固土体。硫酸铝溶液中含高价态的的铝离子al3+，可与土体中低价的k+、na+发生阳离子置换作用，使土的扩散层变薄，渗透膨胀量变低，从而使土颗粒集聚起来，提高土的强度。且而al3+具有的胶化作用也能使土颗粒凝集起来，与土体生成复杂的铝硅酸盐矿物，增加土体的强度。

实施例5

一种改良膨胀土地基、边坡的施工方法包括如下步骤：

第一步，按质量份数配比膨胀土100份、硫酸铝2份、水玻璃6份称取膨胀土、硫酸铝和水玻璃；

第二步，将称量后的膨胀土、硫酸铝和水玻璃进行机械拌合，形成工程土填料；

第三步，将拌合好的工程土填料运输到目的场地，进行工程土填料堆填，保证其表面平整，以形成膨胀土地基毛坯。

本发明的机理是：水玻璃是一种水溶性硅酸盐。在ph小于9时的水溶液环境下，能与土粒中的高价态阳离子发生胶化和凝集作用，形成沉淀以及硅胶颗粒，在土体表面铺成一层，从而加固土体。硫酸铝溶液中含高价态的的铝离子al3+，可与土体中低价的k+、na+发生阳离子置换作用，使土的扩散层变薄，渗透膨胀量变低，从而使土颗粒集聚起来，提高土的强度。且而al3+具有的胶化作用也能使土颗粒凝集起来，与土体生成复杂的铝硅酸盐矿物，增加土体的强度。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。