水泥改性土施工技术应用

□李红炉（河南省水利第二工程局）

一、引言

南水北调中线一期工程总干渠膨胀土试验段工程（南阳段）（以下简称南阳试验段）是研究南水北调工程中膨胀土地区渠坡处理方案的试验性项目，根据现场试验方案，将试验段划分为：填方试验区、弱膨胀土挖方试验区和中膨胀土挖方试验区，共分13个亚区。每个亚区长80～120m，根据试验目的布置不同的试验方案。渠坡处理试验方案采用有非膨胀土换填、水泥改性土换填、土工格栅膨胀土换填、土工袋膨胀土换填及砂砾料铺设等形式，水泥改性土换填是膨胀土渠坡处理主要试验方案之一。

膨胀土中含有较多的粘粒及亲水性较强的蒙脱石或伊利石等粘土矿物成分，是一种遇水膨胀、强度骤减、失水干缩、坚硬而又常有收缩裂隙的高塑性粘土。膨胀土渠坡易产生溜坍、坍塌、滑坡等严重事故，还会产生收缩开裂、膨胀、松散、剥落等病害，对工程建设潜在着严重的破坏性。

二、水泥与膨胀土作用机理

膨胀土的液限、塑限和塑性指数较大，压缩性偏低，在天然含水率的情况下处于较坚硬的状态，具有晶层结构的蒙脱石或蒙脱石混层矿物在电解质溶液作用下，土中的水分子受到层间交换阳离子的静电势、组成晶层的正负离子的静电作用，氢键、渗透压、层间相互作用力、层间阳离子与晶层间作用力、范德华力和同处于非饱和状态下的基质吸力等共同作用，具有溢出层间的收缩势和使空隙水分进入层间的膨胀势，使得膨胀土失水收缩、吸水膨胀。

掺加一定比例的水泥对膨胀土进行改性是目前处理膨胀土的主要方法之一，水泥的掺入改变了膨胀土的结构和化学成分，从而改变了膨胀土的物理力学性质，通过水泥与膨胀土的离子交换及团粒化作用、硬凝反应及碳酸反应，可以有效地改良土的膨胀性。

三、水泥土拌制

（一）工艺原理

因膨胀土具有遇水膨胀、失水干缩的特性，采用路拌机、稳定土拌和机等掺拌设备，在膨胀土料中掺入适量的水泥，使二者充分拌和并发生物理及化学反应，包括离子交换、凝硬反应、碳化、胶结等作用，改变膨胀土的力学性质，使其强度和水稳定性大大提高，膨胀性得到控制。换填后，一方面可隔离大气与膨胀土基础的直接作用;另一方面吸收其膨胀潜能，降低原膨胀土基础自身因含水量变化而产生的胀缩应力，防止膨胀土边坡产生滑坡。

（二）工艺流程

（三）路拌机拌制水泥土

1.拌和场地面采用推土机平整后，用平碾碾压，每次碾压均测定沉降，直至连续两次碾压的沉降量之差在1mm以内为止，场内高差≯50mm。

2.将土料用轮式装载机装车、自卸车运输至拌和场内摊铺平整。一般情况下，拌和场至少要划出3个区才能满足路拌机拌制流水作业的要求。

3.摊铺平整的土料使用摊铺机进行碎土2遍，使用Φ14钢筋制作插钎，并在插钎上标出长度标记，检查铺土厚度，局部采用人工平整，保证摊铺厚度均匀。

4.土料摊铺后根据铺料厚度的不同，计算每平米掺加的水泥量，一般情况下松铺厚度为25～30cm。用50m钢尺在土料上面定出网格，一般以一袋水泥的掺入量来控制网格面积，用石灰做出标记，将水泥倒在网格中心，用刮板将水泥均匀摊开，使每袋水泥的摊铺面积相同，做到土料表面没有空白位置，亦无水泥集中点。

5.采用路拌机拌制混合，在拌制时，将水管直接接至后压斗顶部，在路拌机行走过程中，由专人配合挪动水管进行洒水。拌制时必须做到拌和均匀、不留死角，一般拌制3～4遍。

6.拌和完成后，分不同部位（至少6处）取样，根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTGE51—2009）》检测其拌和均匀性，根据《土工试验规程（SL237-1999）》检测含水率，合格后拢堆，临时覆盖保湿或直接运至填筑工作面；对于滴定检测不合格的土料，主要原因是拌和不均匀，需要重新进行拌和并检测。

（四）稳定土拌和机拌制

1.土料使用自卸汽车直接运至拌和场，使用有排石功能的液压碎土机进行碎土，剔除膨胀土土料内粒径＞5cm的钙质结核块体，采用塑料布临时覆盖。

2.水泥掺量按比例在稳定土拌和机控制系统上进行设定，并根据自然土的含水率设定需要掺加的用水量。

3.把已破碎的土料使用装载机装入稳定土拌和机集料斗，使用拌和机进行拌和，拌和时应每隔4小时取样，根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTGE51—2009）》检测其拌和均匀性，根据《土工试验规程（SL237-1999）》检测含水率，根据检测结果调整水泥量及掺加用水量。

4.拌和好的水泥土应及时使用自卸汽车运至填筑工作面进行铺填，做到随伴随用，避免含水量损失。

四、填筑施工

（一）工艺试验

1.根据水泥改性土设计水泥掺量，在室内进行击实试验，确定其最优含水率及最大干密度。

2.根据室内试验取得的参数，进行现场碾压施工工艺试验，确定水泥的掺加方法、碎土工艺、铺土厚度、碾压遍数、压实机械等参数。

（二）施工程序

（三）施工方法

1.基面清理，按照施工图要求开挖边坡（本工程设计坡度1：2），清除坡面及渠基浮土表层应湿润无杂物，经监理工程师验收后开始下步工序施工。

2.测量放线，为保证边坡压实，结合机械作业安全等因素，在施工放样时需考虑水平向≮90cm的超填宽度。每层填筑前，先放出填筑土料的铺料（加超宽）边线，并撒上白灰线加以标示。

3.土料运输，采用自卸汽车装运至通过监理工程师验收的施工工作面，采用“进占法”卸料。

4.铺料前采用推土机在坡面上推出台阶以保证与边坡土体的结合，台阶高度与铺土厚度相同。用推土机铺料和平土，在铺料过程中，严格按照碾压试验的参数控制铺料厚度，采用插钎检查厚度。

5.采用20t凸块振动碾进行碾压，碾压结束后，环刀法取样检测压实度，合格后进行下一层的填筑。

6.在换填完成后，人工配合挖掘机进行渠坡整理。挖掘机操作人员按样槽进行削坡，削坡方向垂直于渠道轴线，由上至下顺坡进行。土料拢集于坡下后，装车运至拌和场再次进行拌和，使削坡余料得到最大限度的利用。削坡时应预留5～10cm的薄土层，采用人工或削坡机进行精修。施工过程分解见下图。

渠道边坡水泥改性土施工图解

循环“（二）～（四）”

循环“(二)～(四)”

五、质量控制要点

（一）填筑时采用进占法施工，由于换填的厚度小，填土时运输车辆在同一工作面反复碾压，易造成土料剪切破坏及弹簧土。在边坡换填时，为减少运输车辆对填筑面的反复碾压，可用推土机适当推送。

（二）结合面处理。在碾压时，由于受天气影响，填筑层表面风干很快，为保证层间结合，在进行上一层铺土施工之前，需要对结合面进行洒水。同时，边坡结合面也是关键部位之一。填筑前在原渠坡上逐层进行开蹬处理，台阶高为每一层铺土的厚度（虚铺），需用推土机进行施工。

（三）水泥掺量、拌和均匀度、土料含水量、粒径、拌和用水量、拌和遍数直接影响水泥改性土的质量。在制备水泥土时必须严格按照试验参数进行拌制，严格进行检测。

（四）水泥改性土拌制完成后，需要在现场取样检测拌和质量，检测时主要检测拌和均匀度以及水泥含量、含水量是否满足要求。

（五）摊铺时水泥改性土的含水率宜高于最佳含水率的1.0﹪～2.0﹪，以补偿在摊铺及碾压过程中的水分损失。

（六）雨季施工应特别注意天气变化，避免使水泥和混合料受到雨淋。降雨时应停止施工，已经摊铺的水泥土应快速碾压、封面并覆盖。

六、结论分析

（一）路拌机拌制的工效较低，产量低，程序复杂，一般要3～4遍才能保证水泥土的均匀性；稳定土拌和机功效较高，施工时机械化程度高，但投入机械较多，一次性投入较大。

（二）路拌机拌制时水泥拌和的均匀性及水泥改性土的含水率波动较大，控制难度大；稳定土拌和机拌和使各项指标易于控制，波动较小，更利于整体质量控制。

（三）换填厚度对工效影响较大，换填厚度较小时，为保证填筑质量、满足碾压机械的工作面要求，超填量所占比例较大，在削坡时投入的机械和人工量较多，土料损耗较大，效率降低。

（四）南阳膨胀土试验段共有4个亚区使用水泥改性土换填方案，换填厚度0.6～1.0m，经历了近一年半的渠道模拟运行试验，效果比其他换填措施均好，说明水泥改性土在合理的换填厚度下对膨胀土边坡起到很好的加固、补强作用，能有效地防止、抑制膨胀土边坡溜坍、坍塌、滑坡等事故。

[1]吴新明，巫锡勇，周明波.水泥改良膨胀土试验研究[J].路基工程，2007，2（131）.

[2]王年香.高液限土路基设计与施工技术[M].北京：中国水利水电出版社.2005.