时间因素对水泥改性膨胀土压实度影响的试验研究

李 幻，张玉敏，贾景超，毕庆涛

(华北水利水电大学 资源与环境学院，河南 郑州 450045)

膨胀土是一种特殊土体，其含有较多的黏粒及亲水性较强的蒙脱石或伊利石等黏土矿物成分，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黏土，具有超固结性、裂隙性和膨胀性的特点，处理不当经常给工程带来极大的危害.南水北调中线一期工程南阳段共有明渠渠段长近92 km，其中近81 km 为膨胀土渠段.膨胀土渠段的设计、施工是南阳段工程建设的重点和难点.天然土体的性质并不符合工程要求，工程上采用很多方法对土体进行改性，以提高土体的强度、抗渗性、耐久性和降低自由膨胀率等工程特性，以保证工程质量.而对改性土的研究是科研的热点之一.对改性土的研究主要集中在以下4 个方面:①新的改性材料的研制.孙树林等［1］对掺绿砂的改良土做了重金属浸出试验研究.赫文秀等［2］在水泥掺量一定的条件下，掺入一定量的砂，可以明显提高水泥土的强度.王文军等［3］将性能优异的纳米硅粉作为外掺剂应用于水泥土改性研究.②改性土(又称改良土)的力学、水力学性质研究.赵明龙等［4］在试验室内模拟不同的失水饱和过程，初步得到了不同失水率下水泥土疲劳强度变化的趋势.雷胜友等［5］发现膨胀土的静应力－应变曲线呈硬化型，改良土的静应力－应变曲线呈软化型，改良土的静强度和黏聚力比膨胀土的大.③复杂环境条件下，改性土的力学特性.王天亮等［6］对水泥改良土进行了冻融循环研究，针对季节性冻土区的特殊环境对冻融循环后的水泥改良土进行系列动静试验，研究土体的物理性状、力学特性与冻融次数、冷冻温度的关系.赵明龙等［7］通过振动三轴试验，研究干湿循环过程对水泥改良粉质黏土和水泥改良粉土疲劳强度的影响.④改性土在工程中的施工方法的研究.王保田等［8］采用二次掺灰法对膨胀土进行改良研究发现，该方法可以有效提高土体的强度，降低土体的胀缩性.易耀林等［9］提出了以变径水泥土搅拌桩加固软土层位于中间的多层软弱地基的方法.黄志全等针对膨胀土抗剪强度、边坡稳定性等问题进行了大量研究，对膨胀土现场剪切试验的试样制备及试验方法进行了探讨，并对膨胀土边坡的稳定性评价理论进行了探索，在室内及现场试验的基础上，提出了膨胀土抗剪强度的改进计算公式，并结合实际工程做了进一步应用研究［10－12］.

南水北调中线一期工程南阳段主要采用弱膨胀土添加水泥改性换填的方法来处理膨胀土渠坡(底).对于渠道中的换填水泥改性土，采用压实度作为质量控制指标.在《南水北调中线一期工程总干渠渠道膨胀土处理施工技术要求》(NSBD－ZXJ－2－01)中，要求水泥改性土填筑压实度不小于0.98，并防止过压.但是由于水泥土拌合时，水泥与水发生反应，使得在不同时间点测得的水泥土中的含水量和水泥含量并不相同，使得技术要求中的压实度测定方法在实际检测中产生系统误差.

1 水泥改性膨胀土中含水量变化机理分析

1.1 水泥改性土击实试验流程［13］

1)将水泥、干土按照比例混合，并按照5 个不同的含水量添加水分(令此时土样中的含水量分别为W1a，W1b，W1c，W1d，W1e).

2)将水泥改性土拌合均匀.

3)将拌合好的水泥改性土进行击实试验，击实试验的过程按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)规定的方法进行.

4)量测试样含水量，获得干密度值.

5)比对几组试验，确定最大干密度和相应的最优含水量(设为W2，此时对应步骤1 中土样的含水量为W1).

6)将所得的最优含水量W2作为施工参数.

1.2 碾压工艺及压实度测定

1)水泥和土与水按比例拌合(含水量W3).

2)将拌合好的水泥改性土进行碾压.

3)取样测试改性土的干密度(含水量W4).

4)计算水泥改性土的压实度.

1.3 一般土体碾压试验中含水量变化情况分析

现场的碾压工艺应该使得W4=W2，而为了达到这一效果，应使W3=W1.

而一般的土体碾压工艺(一般土体指的是非改性土，包括弱膨胀土原土翻压与渠道填筑碾压)，施工单位为了施工方便，以W2为控制指标，造成了W3＞W2＞W4，即碾压后土体的含水量偏离最优含水量.有经验的施工单位会考虑到施工过程中水量的损耗，拌制时控制W3略大于W2，以便使得W4=W2.实际施工过程中的蒸发损耗量受气候(温度和风力)条件的影响，具体影响关系目前尚没有绝对的数值参考，在施工中往往会忽略不计.

水泥改性膨胀土中，水泥与水反应生成水泥水化物，造成水泥改性膨胀土中拌合前的含水量W1大于拌合后的含水量W2，使得水泥改性膨胀土中的含水量变化规律与一般土体的含水量变化规律并不相同.这一点值得深入研究.

2 水泥改性膨胀土含水量和水泥含量随时间变化规律的室内试验验证

试验所用土样取自南水北调中线一期工程南阳段土料场，室内试验得到土体的物理指标见表1.

表1 水泥改性膨胀土试验结果

由于水泥改性土中，水与水泥发生反应生成水泥水化物，造成改性土中含水量下降.为研究水泥改性土含水量随时间的变化规律，对水泥改性膨胀土拌和过程中和拌和后的含水量进行了检测对比.

图1 为水泥改性膨胀土含水量随时间变化规律.图中－3 h 对应的是拌和前含水率，0，2，…，24 h对应的是拌和后含水率.根据图1 分析，水泥改性膨胀土中的含水量在拌和后会明显下降，在4 h 后，含水量趋于稳定，水泥改性土拌和24 h 后含水量较拌和前含水量降低约3.5%～4.0%.

图1 水泥改性膨胀土含水率随时间变化曲线

图2 为水泥改性膨胀土中水泥掺量随时间变化规律.由图可知，弱膨胀土中的水泥含量在拌合后2 h会产生较大的下降，其后逐步下降至稳定状态.这一点与上述的水泥改性膨胀土含水率随时间的变化曲线在趋势上是一致的.

图2 水泥改性膨胀土水泥掺量随时间变化曲线

由以上分析，施工方案制定过程容易出现以下问题.

1)实验室对于不同时期4 个含水量的意义和区别都不是很清楚.如果施工单位继续将最优含水量的控制指标W2作为拌合时掺水的控制指标，即令W3=W2，那么就没有考虑到拌合中的蒸发和水泥水化造成的含水量损失，造成最终压实土中的含水量比最优含水量小4%以上.如果施工单位考虑到这个问题，那就必须使得W3略大于W2，而这个略大于的量究竟应该是多少，没有明确.

2)技术要求中，并未明确碾压后取样的时间.而由图1、图2 可知，在拌合后4 h 内，含水量和水泥含量会随着时间变化而变化.如果施工单位为了抓紧时间，在碾压完成后立即取样做干密度试验，那么会出现偏差，拌合1，2，4 h 后的压实度检测结果会相差较大，失去了作为控制标准的意义.

3)对于水泥改性膨胀土击实试验，如果在含水量并未稳定的情况下进行了含水量的测定，那么所测得的压实度将出现较大的系统误差，但是在技术要求中，并未明确指出含水量的测定时间.

3 结语

分析了在膨胀土改性过程中含水量随着拌合时间延长而降低的问题，进行了水泥改性膨胀土含水率随时间变化检测试验和水泥改性膨胀土水泥掺量随时间变化检测试验.试验结果表明，水泥改性膨胀土的含水量和水泥含量随着水化过程会不断降低.而这一过程会对改性土的压实度检测带来一定的影响，使得检测结果与水泥改性膨胀土的真实压实情况存在偏差.以后将对这一问题继续研究，并找出合理、可靠的修正方法.

［1］孙树林，盘霞，张鑫.掺绿砂改良土的重金属浸出试验研究［J］.岩土工程学报，2010，32(2):225－230.

［2］赫文秀，申向东.掺砂水泥土的力学特性研究［J］.岩土力学，2011，32(增1):392－396.

［3］王文军，朱向荣.纳米硅粉水泥土的强度特性及固化机理研究［J］.岩土力学，2004，25(6):922－926.

［4］赵明龙，王建华，梁爱华.环境变化对改良土疲劳强度影响的试验研究［J］.勘察科学技术，2004(6):11－12.

［5］雷胜友，惠会清.膨胀土及其改良土静动力特性对比分析［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(17):3003－3008.

［6］王天亮，刘建坤，彭丽云，等.冻融循环作用下水泥改良土的力学性质研究［J］.中国铁道科学，2010，31(6):7－13.

［7］赵明龙，王建华，梁爱华.干湿循环对水泥改良土疲劳强度影响的试验研究［J］.中国铁道科学，2005，26(2):25－28.

［8］王保田，张福海，张文慧.改良膨胀土施工技术与改良土的性质研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，26(增1):3157－3161.

［9］易耀林，刘松玉，杜延军.变径水泥土搅拌桩单桩承载力试验研究［J］.东南大学学报:自然科学版，2010，40(2):352－356.

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［11］黄志全，陈宇，宋日英，等.三门峡地区黄土状粉质黏土非饱和性质试验研究［J］.岩土力学，2010，31(6):1759－1762.

［12］黄志全，吴林峰，王安明，等.基于原位剪切试验的膨胀土边坡稳定性研究［J］.岩土力学，2008，29(7):1764－1768.

［13］中华人民共和国水利部.SL 237—1999 土工试验规程［S］.北京:中国水利水电出版社，2002.