1.1 膨胀土的概念
膨胀土是一种吸水膨胀、失水收缩开裂的特种黏性土。其矿物成分以强亲水性矿物蒙脱石和伊利石为主。在自然条件下，多呈硬塑或坚硬状态，裂隙较发育，常见光滑和擦痕，裂缝随气候变化张开和闭合，并具有反复胀缩的特性；多出露于二级及二级以上的阶地，山前丘陵和盆地边缘，地形坡度平缓，无明显自然陡坎。
1.2 膨胀土的分布
膨胀土在我国分布范围较广，分布于我国广西、云南、四川、陕西、贵州、广东、江苏、黑龙江和湖南等20多个省(区)的180多个市、县，总面积在10万km2以上。从地理位置来看，我国膨胀土主要集中分布在珠江、长江中下游、黄河中下游以及淮河、海河流域的广大平原、盆地、河谷阶段、河间地块以及平缓丘陵地带。常呈地毯式大面积覆盖于地表或地表下浅层，与路基建设关系极为密切。
1.3 问题的提出
膨胀土一直是困扰公路建设的重大工程问题。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公路建设中起到极大的破坏作用，并且构成的破坏是不易修复的。近年来，我国岩土工程界在膨胀土微观结构特征及其工程性质的研究中取得了丰硕的成果，对膨胀土产生工程病害的原因给予科学的解释，并提出许多切实可行的处理办法。随着我国高速公路建设的发展，许多公路路线不可避免会通过膨胀土地区。因此，解决膨胀土地区路基失稳破坏等现象成为了一个刻不容缓的问题。
1.4 膨胀土国内外研究现状
国外对膨胀土的研究开始于上世纪三十年代，研究开展的时间较长。上世纪 四五十年代，随着一些新兴国家的发展，工程建筑事业的突飞猛进，随之而来的膨胀土对结构物的损坏现象普遍增多，于是人们开始对膨胀土所造成的工程破坏现象进行初步分析，然后加以处理。之后人们开始对膨胀土的特性规律，病害原因、工程措施等作系统的理论与实践研究。六十年代以来，膨胀土研究受到生产实践的广泛重视而迅速发展，而且从一个国家或地区的研究逐渐发展成为世界性的共同课题。目前已召开过七次国际膨胀土研究和工程会议(第一届，1965年美国得克萨斯；第二届，1969年美国得克萨斯；第三届，1973年以色列海法；第四届，1980年美国科罗拉多；第五届，1984年澳大利亚；第六届，1987年印度新德里；第七届，1992年美国得克萨斯)，许多国家都制定了膨胀土地区建筑的规范和文件，使工程界对膨胀土有了深刻的认识，对膨胀土的概念和分析方法，膨胀土野外现场研究和环境影响，膨胀土地基处理以及膨胀土上基础的专门设计
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和施工方法等问题，进行了深入地研究。随着土力学的发展，特别是 Fredlund D.G 理论为代表的非饱和土理论提出来并较完善的形成一套理论体系以后，人们用它解释了许多膨胀土现象，揭示了一些规律。同黄土、残积土一样膨胀土是一种典型的非饱和土，膨胀土研究被归入非饱和土研究领域，因此在第七届膨胀土国际会议以后，不再单独有膨胀土国际会议，取而代之的是国际非饱和土会议，目前已经召开了两届，第二届国际非饱和土会议于1998年8月在北京召开，这次会议是由中国土木工程学会与国际土力学及岩土工程协会(国际土协)联合召开，并由中国土木工程学会土力学及岩土工程分会和国防土协非饱和土专门技术委员会共同承办。此次会议标志着非饱和土理论研究已达到了一个新的高度。
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2.1 主要工程特性
2.1.1 胀缩性
膨胀土吸水体积膨胀，使其上建筑物隆起，如膨胀受阻即产生膨胀力；失水体积收缩，造成土体开裂，并使其建筑物下沉。膨胀土在缩陷与液限含水率的收缩量与膨胀土，称为极限胀缩潜势。土中有效蒙脱石含量越多，胀缩潜势越大，膨胀力越大。土的初始含水率越低，膨胀量与膨胀力越大。影响膨胀土涨缩性的因素有矿物成分、颗粒组成、初始含水量、压实度及附加荷重等。其中除了矿物成分和颗粒组成的内因因素影响外，初始含水量、压实度及附加荷重的外因因素影响也很大。击实土的膨胀性远比原状土大，密实度越高，膨胀量与膨胀力越大，这是在膨胀土路基设计中特别值得注意的问题[1]。
2.1.2 崩解性
膨胀土浸水后体积膨胀，在无侧限条件下发生吸水湿化。不同类型的膨胀土其崩解性是不一样的，强膨胀土浸入水中后，几分钟内很快就完全崩解；弱膨胀土浸入水中后，则需经过较长时间才能逐步崩解，且有的崩解不完全。此外，膨胀土的崩解特性还与试样的起始湿度有关，一般干燥土试样崩解迅速且较完全，潮湿土试样崩解缓慢且不完全。
2.1.3 多裂隙性
膨胀土中的裂隙，可分垂直裂隙、水平裂隙与斜交裂隙三种类型。这些裂隙将土体分割成具有一定几何形态的块体，如棱块状、短柱状等，破坏了土体的完整性。裂隙面光滑有擦痕，且大多充填有灰白或灰绿色黏土薄膜、条状或斑块，其矿物成分主要为蒙脱石，有很强的亲水性，具有软化土体强度的显著特性。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所控制。
2.1.4 超固结性
膨胀土大多具有超固结性，天然孔隙比较小，干密度较大，初始结构强度较高。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载膨胀，并常在坡脚形成应力集中区和较大的塑性区，使边坡容易破坏。
2.1.5 强度衰减性
膨胀土的抗剪强度为经典的变动强度，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，一般现场开挖都很困难。然而，由于土中蒙脱石矿物的强亲水性以及多裂隙结构，随着土受胀缩效应和风化作用的时间增加，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。这一衰减过程有的是急剧的，但也有的比较缓慢。因而，有的膨胀土边坡开挖后，很快
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就出现滑动变形破坏；有的边坡则要几年，乃至几十年后才发生滑动。在大气风化作用带以内，由于土体湿胀干缩效应显著，抗剪强度变化比较大，经过多次湿胀干缩循环以后，粘聚力大幅度下降，而内摩擦角则变化不大。一般干湿反复循环2-3次以后强度即趋于稳定。
2.1.6 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1.0m～1.5m；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1.0m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1.0m～1.5m。
2.2 膨胀土的路基病害
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，由于前述的不良工程性质，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，成群发生。一般滑体厚为1～3m，多数小于6m。滑坡与大气风化作用层深度、土的类型、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，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，
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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2～4m，大多距路肩外缘0.5～1.0m。
5.坍肩。
路堤肩部土体压实不够，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1.0m以内，严重者可大于1.0m，常发生在雨季。
2.3 膨胀土路基常用处理方式
2.3.1 换填
即将膨胀土换成工程性质较好的土质，换填深度应根据膨胀土胀缩性的强弱和当地的气候条件确定。换土是膨胀土路基处理方法中最简单有效的方法。在一定深度以下的膨胀土含水量基本不受外界气候的影响，该深度称之为临界深度，该含水量称之为该膨胀土在该地区的临界含水量。由于各地的气候不同，各地膨胀土的临界深度和临界含水量也有所不同，换土深度要考虑受地面降水的影响而使土体含水量急剧变化的深度，基本上在1～2m，即强膨胀土为2m，中弱膨胀土为1～1.5m，具体换土深度要根据调查后的临界深度来确定。换土一般适用于小面积换土，对于土源紧张的膨胀上地区而言，在道路工程中大面积、大体积换土是不切实际的[2]。
2.3.2 湿度控制
由于膨胀土路基具有显著吸水膨胀和失水收缩的特性，因此，首先应考虑尽可能对路基边坡和路肩土体采取保湿防渗措施，防止土体干缩湿胀而导致路基强度下降。湿度控制包括预湿和保持含水量稳定。为控制由于膨胀土含水量变化而引起的胀缩变形，尽量减少路基含水量受外界大气的影响，需在施工中采取一定的措施。如利用土工布和粘土将膨胀土路基进行包封，避免膨胀土与外界大气有接触，尽量减少膨胀土内部的湿度变化。
2.3.3 改性处理
目前，国内外普遍采用石灰、粉煤灰、水泥等进行改良处治，亦可用其中的两种或三种进行综合处治。其中最常用的方法是掺石灰改良。石灰的固化作用是通过离子交换，次生碳酸钙胶结性、粘土颗粒与石灰相互作用形成新的含水硅酸钙、硅酸等新矿物而显现出来的。采用掺石灰改性膨胀土，石灰剂量为4%～l2%，掺石灰改性后应达到胀缩总率小于0.7，以接近零为最佳，根据不同路段膨胀土的具体情况，通过试验确定具体的掺灰率。另外，国内外也采用了一些化学外掺剂，如氢氧化钠、碳酸钠等。通常在加入外掺剂后，土的性能可得到较大改善，
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膨胀土的特性
