南水北调中线换填弱膨胀水泥改性土碾压工艺试验研究

□艾东凤（河南省水利第二工程局）

一、引言

南水北调中线一期总干渠膨胀土试验段工程(南阳段)是中线总干渠工程的一部分，位于陶岔～沙河南段南阳市境内，全长2.05km，其中桩号100+500～101+850为弱膨胀土渠段，桩号101+850～102+550为中膨胀土渠段。渠道设计流量为340m3/s，加大流量为410m3/s，设计水深7.5m，加大水深8.23m。设计断面为半挖半填渠道和挖方渠道，采用梯形断面，纵坡比为1/25000，边坡系数1：2.0，渠底宽22m，最大挖深约19.2m，最大填高约5.5m。试验段布置有城-A级跨渠公路桥及公路-Ⅱ级生产桥各1座。

二、试验目的

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，研究适合膨胀土渠道开挖、回填碾压、地基处理的施工技术与工艺，确定影响施工质量的控制指标。

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。

按照试验研究要求和施工合同文件约定，选定试验段“填Ⅱ区”至“临时蓄水池”之间的渠道场区内布置填筑碾压施工工艺试验场地，开展了弱膨胀水泥改性土土样击实、碾压遍数、弱膨胀土水泥改性拌和、利用料复核等施工工艺试验，并在边坡填筑试验场进行了渠坡换填弱膨胀水泥改性土施工工艺试验，取得用以指导渠道换填弱膨胀水泥改性土施工的填筑碾压施工参数。

三、弱膨胀水泥改性土主要试验

（一）试验准备

首先在总干渠桩号Z100+760～Z101+110内布置试验场地，对场地进行清理和平整后，在其上摊铺一层厚约30cm的弱膨胀土垫层料做试验基层，并用20t振动平碾对其碾压10遍。每区试验面积均为6m×10m，试验场布置区的平整度不超过5cm。从渠道弱膨胀土Ⅲ区试验场开采试验土料，运至试验场堆土区，翻晒至最优含水率后备用。水泥采用复合硅酸盐水泥（P.C32.5）。

（二）弱膨胀土机械选型碾压试验

使用20t的凸块碾和20t汽胎碾，分别对铺填厚度为30cm，含水率约22%的弱膨胀土土料按照设计规定的碾压遍数（8遍）进行碾压试验。根据碾压后土料最大干密度大小，确定最佳碾压机械，并用于后续试验中。试验结论如下：20t汽胎碾碾压区Ⅱ-1-②试验块区的平均含水率为22.2%，平均干密度为1.47g/cm3；20t凸块碾碾压区Ⅱ-1-①试验块区的平均含水率为21.5%，平均干密度为1.59g/cm3。此次试验检测成果表明，在同样的试验条件下，对同一种土料使用20t凸块碾进行压实的效果较好。

（三）弱膨胀土水泥改性拌和工艺试验

对水泥掺量严格控制在4%、拌和前含水率严格控制在20.8%的弱膨胀土，使用路拌机分别拌和2～6遍后，在试验场区中部分别取样6个(每次拌和后的取样点在同一位置)，测定弱膨胀土水泥改性土中水泥掺量的均匀度。试验结果如下：弱膨胀土水泥改性工艺试验中，水泥在拌和2～3遍的均匀性较差；4～5遍拌和均匀性逐渐趋于稳定，拌和6遍的与标准曲线上的水泥剂量较接近，水泥剂量检测结果均＞设计4%掺和量。

（四）渠坡换填弱膨胀土水泥改性土碾压机械选型工艺试验

对2组水泥掺量均严格控制在4%、采用设计要求的弱膨胀土土料分2个区铺土，2组试验使用路拌机分别拌和4遍、拌和3遍后根据拌和前含水率，考虑两组试验4个百分点的含水率损失，对2组试验土料加水至水泥改性土设计要求的含水率范围内。测定2组3遍、4遍的弱膨胀土水泥改性土中水泥掺量的均匀度，4遍拌和全部完成后，用装载机将拌和完成后的土料铲至1：2的边坡填筑试验场。两组铺土厚度均为30cm，分别采用20t凸块碾和20t振动平碾对两组试验碾压8遍，测其含水率和水泥含量。试验结论如下：本次两组弱膨胀土水泥改性工艺试验中，水泥3遍拌和均匀性逐渐趋于稳定，拌和4遍的与标准曲线上的水泥剂量较接近，水泥剂量检测结果平均大于设计4%掺和量，碾压后水泥剂量检测结果偏小。碾压区弱膨胀土水泥改性土机械选型试验块区20t振动平碾碾压区的压实度为98%；20t凸块碾碾压区的压实度为96%。

（五）渠坡换填弱膨胀水泥改性土碾压遍数工艺试验其一

对三组水泥掺量均严格控制在4%、采用设计要求的弱膨胀土土料分三个区铺土，三组试验使用路拌机拌和4遍，路拌过程中，考虑土料含水率的损失，对三组试验土料加水4～5个百分点。测定三组拌和4遍的弱膨胀水泥改性土中水泥掺量的均匀度。4遍拌和全部完成后，用装载机将拌和完成后的土料铲至1：2的边坡填筑试验场。三组铺土厚度均为30±1cm，均采用20t凸块碾对三组试验分别碾压6、8、10、12、14遍，测其干密度、含水率和水泥含量。试验结论如下：本次三组弱膨胀水泥改性工艺试验中，路拌4遍后的试样测定的水泥剂量大于或接近于设计要求的4%的水泥掺量；碾压6、8、10遍后的水泥剂量检测结果均偏小，但碾压6遍的检测结果与设计要求的较接近。碾压区弱膨胀土水泥改性土碾压遍数试验块区Ⅲ区10遍碾压区的平均干密度为1.594，压实度为96.6%；Ⅱ区8遍碾压区的平均干密度为1.572，压实度为95.3%；Ⅰ区6遍碾压区的平均干密度为1.567，压实度为95.0%。碾压区弱膨胀土水泥改性土碾压遍数试验块区12遍碾压的平均干密度为1.59，压实度为96.4%；14遍碾压的平均干密度为1.56，压实度为94.5%。

（六）渠坡换填弱膨胀水泥改性土碾压遍数工艺试验其二

对两组水泥掺量均严格控制在3%、采用设计要求的弱膨胀土土料分2个区铺土，两组试验使用路拌机拌和4遍，路拌过程中，考虑土料含水率的损失，对两组试验土料加水4～5个百分点。测定路拌4遍后的弱膨胀水泥改性土中水泥掺量的均匀度。4遍拌和全部完成后，用装载机将拌和完成后的土料铲至1：2的边坡填筑试验场。两组铺土厚度均为30±1cm，均采用20t凸块碾对两组试验分别碾压12、14遍，测其干密度、含水率。试验结论如下：本次弱膨胀水泥改性工艺试验中，路拌4遍后的试样测定的水泥剂量均大于设计要求的3%的水泥掺量。碾压区弱膨胀土水泥改性土碾压遍数试验块区12遍碾压区的平均干密度为1.60g/cm3，压实度为97.0%；14遍碾压区的平均干密度为1.62g/cm3，压实度为98.2%；碾压14遍的平均干密度较大。

（七）弱膨胀水泥改性土利用料复核工艺试验

对水泥掺量严格控制在3%、采用设计要求的弱膨胀土土料铺土，试验使用路拌机拌和4遍，路拌过程中，考虑土料含水率的损失，对试验土料加水3～4个百分点。测定路拌4遍的弱膨胀水泥改性土中水泥掺量的均匀度；4遍拌和全部完成后，首先,将其中一半水泥土料用装载机运至1：2的边坡填筑试验场。铺土厚度为30±1cm，采用20t凸块碾碾压12遍，测其干密度、含水率﹑自由膨胀率﹑无荷载膨胀率。7d、14d﹑28d分别测其自由膨胀率﹑无荷载膨胀率。其次，另外一半水泥土料放置14d重新加水拌和。拌和全部完成后用装载机将土料铲至1：2的边坡填筑试验场。铺土厚度为30±1cm，采用20t凸块碾碾压12遍，测其干密度、含水率﹑自由膨胀率﹑无荷载膨胀率，14d分别测其自由膨胀率﹑无荷载膨胀率。试验结论如下：次弱膨胀水泥改性工艺试验中，路拌4遍后的试样测定的水泥剂量接近于设计要求的3%的水泥掺量。从检测的自由膨胀率和无荷载膨胀率结果看，本次弱膨胀土水泥改性试验已达到改性目的。弱膨胀土水泥改性土利用料试验块区碾压的平均干密度为1.60，压实度为96%；14d碾压的平均干密度为1.59，压实度为95%。

四、渠坡换填弱膨胀水泥改性土碾压遍数工艺试验过程

（一）测量基层高程

首先用推土机对碾压场区内选定的试验块进行整平压实，试验现场负责人在基层用石灰撒出试验分区线，按照要求同监理人员测量基层高差并记录数据，满足设计要求后进行土料铺设。

（二）拌和

在两组试验块区上满铺含水率符合设计要求的弱膨胀土土料，用推土机进行粗略整平后，再用人工带线进行精确整平，两组试验严格按照设计厚度进行控制，并按设计要求水泥掺量3%计算出相应的水泥用量；在虚铺土面上用白灰打上方格，准确算出每个方格上需要铺设的水泥，再由人工进行袋装水泥的铺设工作，摊铺水泥力求铺设均匀。铺水泥后路拌4遍，拌和过程中，对已拌和的水泥改性土进行加水，调至设计要求的含水率范围内。

（三）铺料

两组试验土料拌和4遍全部完成后，用装载机分别将拌和完成的两组拌和后的土料铲至1：2的试验场铺筑，铺土厚度30±1cm。

（四）碾压

按照要求，在两组水泥改性土碾压遍数试验场区上，使用20t凸块碾分别对土料碾压12、14遍。

（五）取样

两组试验土料摊铺水泥拌和4次后，由现场试验人员在试验块中下部取样6个并用塑料袋封装试验样品，同时将拌和遍数的记录放在相应每个样品塑料袋内。装载机把两组已拌和好的水泥改性土土料铲至1：2的试验场内，摊铺平整后分别对其碾压12、14遍，每组试验碾压完成后在其距内边坡约0.8m和1.86m处中下部各取6个土样检测含水率及干密度。

（六）检测

在试验室内，分别对碾压现场的取样进行试验，测其含水率和干密度。

五、试验结论及推荐施工参数

一是弱膨胀土在掺入3%的水泥后，在掺入水泥初期，由于水化作用，膨胀土由粉质粘土或粘土很快变成重粉质壤土或中粉质壤土，自由膨胀率及膨胀力均呈快速下降趋势，膨胀性持续缓慢减弱，具有很好的改性效果。

二是开采的弱膨胀土料拌和前应破碎，保证摊铺厚度均匀、平整。

三是在水泥改性土拌和前，应选用现场有代表性的弱膨胀土做室内EDTA滴定试验，测绘水泥含量标准曲线，以便检测水泥改性土含量。

四是采用路拌机或稳定土拌和机拌和，稳定土拌和机拌和生产效率高，对环境影响小，大规模施工时推荐采用稳定土拌和机方案。

五是采用弱膨胀土水泥改性时，弱膨胀土拌制前含水率宜控制在20%～22%（根据《土工试验规程（Sl237-1999）》检测），拌和过程中加水4～5个百分点。拌和完成后，每拌和场次在≯300m3水泥改性土中抽测≮6个样，测定水泥含量（根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTGE51—2009）》检测），要求平均值≮设计掺水泥量，标准差≯0.7。

六是施工时铺土厚度30cm（±2cm），采用进占法铺料，20t凸块振动碾碾压，碾压8～10遍。水泥改性土填筑压实度控制在0.95～0.98范围内。

[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）.