低掺量水泥改性土在南水北调总干渠换填中试验研究与应用

□赵 斌 □王洪现 □龚妇蓉（中国水利水电第十一工程局有限公司）

1.工程概述

南水北调中线一期工程总干渠郑州2段工程第一施工标段，位于郑州市管城区南曹乡，设计桩号为SH(3)179+227.8～SH(3)185+220.3，标段长度5.993 km。渠道为梯形断面，渠底宽度为18.5 m，渠底高程114.145～113.672 m，渠道纵比降为1/26000。其中 SH（3）179+835.5～SH（3）184+771.3、SH（3）185+120.3～SH（3）185+220.3段为高地下水位砂质渠坡。标段地层为粘砂多层结构段，渠坡土体主要为黄土状中、轻壤土、重砂壤土、细砂等，渠道底部均位于细砂层中，对高地下水位砂质渠进行粘土换填处理，一级马道及以下换填1.5 m厚的粘土，粘土下面做0.2 m厚砂垫层，砂垫层下设置自排水系统。砂质渠坡换填见图1。

图1 砂质渠坡处理图

2.总干渠填筑土料技术指标要求

根据设计要求，填筑土料系利用本标段的开挖合格土料，填筑土料技术指标应该满足：粘粒含量>10%，有机质含量<5%，土料含水率应为最优含水量的-3%～3%之间的粘性土，渗透系数≤1×10-4cm/S，填筑干密度>1.72 g/cm3，压实度>98%。本标段共需填筑量91万m3。

3.水泥改性土的试验研究

3.1 水泥改性土的试验研究缘由

根据对开挖土料的勘查复核发现，现场土料粘粒含量极不均匀，多为砂壤土，且不能满足粘粒含量≥10%的要求。为了解决土料粘粒含量偏低且不均匀的问题，2011年4月15日-6月10日分阶段对粘粒含量分别为5%～7%、7%～9%、9%～11%的土料掺入2%、3%、4%、5%的水泥，按照设计下发的郑州2段渠道水泥土碾压试验技术要求，采用路拌法进行了现场施工试验。并委托黄河勘测规划设计有限公司实验中心进行了取样检测和出具检测报告。

3.2 水泥改性土的试验研究

根据颗粒分析资料，选取平均粘粒含量为9%，其颗粒粒径不大于15 mm，有机质含量不大于5%，不含杂质的土料，进行室内击实试验，含水率根据击实试验控制在最优含水率的±3%范围内。

水泥采用检验合格的郑州天瑞P·042.5普通硅酸盐水泥。经检测水泥初凝时间120 min，终凝时间240 min。

试验场地选择在左岸防护堤填筑作业面，共分7个区域进行试验，其中铺土厚度和水泥掺量组合6个区，素土料1个区，单个区域面积为30 m×10 m。试验前对该场地基础面进行压实检测，满足压实度98%的要求后方进行碾压试验，碾压场区布置见图2。

对粘粒含量5%～9%土料掺加水泥试验以铺土厚度30 cm组合如下：5%～7%土料掺加水泥4%、5%，粘粒含量7%-9%土料掺加水泥3%、4%进行碾压试验。

图2 路拌法碾压试验施工场地布置图

试验时间:2011年5月4日-6月15日按审批的施工方案进行了现场碾压试验，试验对3 d、7 d、14 d、28 d试验成果进行了统计。

碾压试验过程:碾压试验在左岸正在填筑防护堤上进行，在试验前对下层防护堤验收合格并平整后，在进行碾压试验。

试料装运：采用1.6m3挖掘机与20t自卸汽车进行试料装运。

摊铺搅拌：先在试验区按照铺土厚度采用TY-160推土机摊铺30 cm、35 cm、40 cm厚合格土料，根据该层拟定摊铺厚度计算水泥掺加量，采用人工摊铺均匀，然后采用路拌机进行搅拌。

碾压：采用20 t凸块振动碾进行碾压，搭接宽度>50 cm。行车速度控制在1.5-2.0 km/h内。振动碾在碾压试验区范围2 m外起振，在专人指挥下进行碾压，已铺土料表面在压实前被晒干时，应洒水湿润，控制填筑土料的含水量，以利充分压实。碾压后测量试验区高程与碾压前测量高程比较，计算压实后的厚度。

养生：对碾压完成水泥土洒水后覆盖塑料布进行养生，养生期间控制水泥土湿度。

取样和试验:委托黄河勘测规划设计有限公司实验中心进行了取样和试验，并提出相关技术成果报告。

干密度检测取样：在各小区范围内碾压3遍、5遍、7遍后分别随机取样，每层取样12个。

3.3 试验成果统计

根据检测报告，实验结果采用小值分析法进行统计分析如下：物理力学指标统计：对直剪试验、压缩试验成果按照小值平均法进行了统计分析，统计成果表明：无论对现场不同粘粒含量的土料掺加2%、3%、4%、5%的水泥土，其凝聚力、摩擦角增加明显，而压缩指标变化较小。渗透系数统计：掺加水泥后土料的渗透系数为1.91×10-5～4.87×10-5cm/s之间，不掺加水泥的土料渗透系数为4.42×10-5～5.81×10-5cm/s之间。由此看出：掺加水泥土后，土的渗透性有一定的改变，均满足渗透系数不大于1×10-4cm/s设计技术指标。

3.4 水泥改性土试验研究成果分析和结论

根据试验粘粒含量为5%～7%、7%～9%、9%～11%的土料掺加（2%、3%、4%、5%的配比）水泥填筑碾压后，对碾压完成后3 d龄期、7 d龄期、14 d龄期、28 d龄期试验区进行取样检测；根据试验检测结果和现场开挖探坑情况来看，对换填土料掺加定量水泥是必要和可行的，且效果明显。具体反映在以下方面：从试验检测结果分析：首先从填筑压实指标来看：对总干渠换填土料掺加水泥后在铺土厚度30 cm时填筑，采用20 t凸块振动碾碾压5遍后，干密度均大于1.74 g/cm3，可满足压实度为98%且干密度不低于1.72 g/cm3要求的控制指标；其次从改性土物理力学指标上来看：根据碾压试验完成3天、7天、14天、28天试验成果来看，不掺加水泥自然快剪28.77 kPa，饱和固结快剪凝聚力19.227 kPa，掺入水泥后，龄期为28天时，自然快剪170.12 kPa，饱和固结快剪凝聚力141.42 kPa，分别比不掺加水泥土体凝聚力增加5.91倍、7.36倍；摩擦角增大至38.20度，从以上试验结果对比情况来看，掺入定量水泥后，土体随着龄期的增长凝聚力明显提高，固结整体性明显增强，土体内部结构得到改善，对渠道填筑边坡稳定十分有利。

从压缩试验可以看出，以铺土厚度30 cm为例：未掺加水泥时压缩系数为0.094，掺入2%水泥后，龄期为28 d时，压缩系数为0.062 MPa-1；掺入3%水泥后，龄期为28 d时，压缩系数为0.073 MPa-1，土体压缩系数减少0.03 MPa-1～0.21 MPa-1；土的压缩性有少量改变，成为低压缩性土，掺加水泥后可以改变原设计中对换填土的沉降期>6个月的要求，对工期相当有效。

从渗透试验可以看出：对粘粒含量偏低和不均匀的土料通过掺加定量水泥后，渗透系数得到一定的改善，但改善较小。粘粒含量为6%-7%的土料掺加4%水泥进行施工，对粘粒含量为7%-9%的土料掺加3%水泥进行施工，对粘粒含量为9%-11%的土料掺加2%水泥进行施工碾压后土料渗透系数<1×10-4cm/s的要求。

干密度结果：未掺加水泥土料最大干密度1.76 g/cm3，掺加水泥后土料最大干密度1.78 g/cm3。

素土铺设25 cm、30 cm厚在碾压5遍后干密度均>1.72 g/cm3，可满足压实度98%的指标要求，铺设35 cm厚时部分压实度不能满足98%的指标要求。

水泥土铺设30 cm厚在碾压5遍均可达到干密度>1.73 g/cm3，可满足压实度>98%指标要求。

水泥土铺设35 cm厚在碾压5遍部分干密度达不到1.73 g/cm3，小部分满足不了压实度>98%指标要求。3.5设计参数的确定

根据试验结论，掺加水泥后，土体性能发生了变化，可满足砂质渠坡换填的施工要求。经与设计、监理、业主多方研究讨论，并经专家咨询，最终设计发文确定：对粘粒含量为6%～7%的土料掺加4%水泥，对粘粒含量为7%～9%的土料掺加3%水泥，对粘粒含量大于9%的土料掺加2%水泥；控制指标为：压实度>98%、渗透系数<1×10-4cm/s，含水控制在最优含水率3%范围内，铺土厚度以30 cm为宜。

4.水泥改性土施工

4.1 水泥改性土施工情况

按照河南省水利勘测设计研究有限公司下发的《南水北调中线一期工程总干渠郑州2段郑2-1标段高地下水砂质渠道换填段水泥改性土换填设计变更报告》，于2011年6月20日开始组织施工。

施工工艺流程为渠道底部第一层采用集中拌制工艺：渠道底部第一层水泥改性土的填筑因受20 cm厚粗砂垫层影响，采用路拌法拌和有可能会破坏下部粗砂排水垫层，因此采用集中拌合的方式，即在料场掺加水泥后采用路拌机进行充分拌和后，用PC240反铲装车，20 t自卸汽车运到换填施工段，虚铺厚度为30 cm，推土机进行摊铺平整后，用20 t振动碾压5遍，完成后进行干密度检测。

路拌法施工方法为渠道底部第二层以上以及渠坡换填采用路拌法进行施工。路拌法现场拌制工艺：备土（洒水闷料）、摊铺土→碎土→洒水闷料→整平→摆放摊铺水泥→拌合→整形→碾压→养生→边坡刨毛、粗修、精修。

测量放线：放线内容主要包括控制点的设置、渠道的轴线及平面位置的放线、高程的控制。主要需要对换填水泥土的位置边线进行准确定位。

土料装运：土料的装运采用挖掘机与20 t自卸汽车进行土料的装运。

备土、摊铺：填筑施工前，现场土料含水率根据击实试验得出的最优含水率进行调整，填筑土料含水率应满足最优含水率±3%要求，以控制在高于最优含水率1.5%左右为宜。

渠道填筑分段分层进行，分段长度按照200 m控制，每层摊铺厚度为30 cm。采用自卸汽车运输卸料，摊铺采用T220推土机平整，并人工辅助平整。

卸料采用进占法，并且边卸料边用推土机摊铺平整，避免对已碾压层面的扰动和剪切破坏。土料摊铺时斜坡填筑边线按照外侧超出设计边线50 cm控制，填筑总宽度为5.24 m

碎土、杂物清理：土料上至填筑面后对土块进行人工碎土，将填筑断面内大粒径土料全部剔除。

洒水：摊铺完成后，层面若出现长时间晾晒，表层含水率不满足要求时应进行洒水。洒水应均匀，防止出现局部水分过多现象。

水泥摊铺：水泥摊铺采用路拌法施工。

路拌法施工工艺：在土料摊铺平整后，首先计算出单位面积水泥用量，据此在填筑面上划分网格，单个网格面积的大小以每格放置1袋（每袋水泥重50 kg）水泥。摆放水泥经确认无误后将水泥倒在换填区然后人工用刮板或铁锹均匀摊开，水泥的摊铺超出设计边线10 cm即可，摊铺均匀后，然后用轮式稳定土拌和机进行拌和。

土料拌和：拌和过程中设专人跟随拌和机，随时检验混后料含水率和拌和深度，为保证拌和层与下层的粘结，拌和深度宜深入下层至少3～5 cm。严禁在拌和层底部留有素土“夹层”。轮式拌和机拌和完成的标志是混合料应达到色泽一致，没有灰条、灰团和花面，由于本工程土料均为砂性土，基本没有土块，拌合一遍即可拌合均匀。通过EDTA滴定试验检测，均匀性满足要求。

整形：土料拌合完毕后采用推土机整平。

水泥改性土碾压：拌合整形完成后碾压采用20 t凸块振动碾进行碾压，振动碾压5遍后进行取样检测。碾压在本单元拌合平整完成后立即进行，保证在从摊铺到碾压完成4 h内完成。碾压方式采用搭接法进行碾压，振动碾平行于渠道方向行走。

取样检测:碾压完成后，进行干密度检测，检测取样采用环刀法进行干密度检测，填筑水泥改性土料的压实度按不小于98%控制。

养生:水泥改性土填料压实后的强度增长与养生条件关系密切。分层施工时，在下层施工完成，经质检监理验收合格后应立即铺筑上层土料，对于需要停止不能及时施工的，禁止施工车辆通行并经常进行洒水保湿养生7 d，不得使水泥改性土表面干燥，也不能忽干忽湿，水泥改性土养生方法宜采用洒水车或覆盖薄膜的方式进行养生。

削坡:为保证碾压密实，铺料过程中边坡侧多填筑50 cm分两次进行，第一次每填筑3层高左右使用人工辅助反铲进行边坡初步修整，第二次在渠道衬砌前使用反铲对边坡进行精修。由于超填部分受掺加水泥的影响，对超填筑的50 cm土料削坡后只能作为弃料运输到JQ1-2渣场。

分段间有高差的连接，以斜面相接，坡度缓于1∶5，并随填筑面上升进行削坡，并削至质量合格层。

4.2 水泥改性土施工质量检测情况

目前已完成全部水泥改性土换填施工，经取样检测，干密度检测值为1.83～1.87 g/cm3之间，压实度全部达到0.98要求，质量合格，满足设计要求。

5.结语

一是根据设计要求，水泥改性土需要在4 h内碾压完成。路拌法施工土料的摊铺时间不计入，施工中按照每段200 m施工强度，可满足4 h内碾压完毕的要求，施工进度快。二是由于路拌法在公路界已为成熟工艺，改性土拌合后均匀性较好，根据目测和EDTA-滴定试验检测，均匀性满足要求。三是低掺量水泥对土料的改性效果明显，且成本较低，用于高地下水位地区保护边坡不被地下水侵蚀破坏，同时可以缩短沉降期，达到缩短工期、施工方便的目的。