水泥改性土换填施工技术在南水北调中线工程中的应用

□ 张维国 □ 董珍妮

（1南水北调中线干线工程建设管理局；2中国水利水电第一工程局有限公司）

1 水泥改性膨胀土机理

膨胀土是一种典型的非饱和土，主要由强亲水性黏土矿物成分组成，具有较强的胀缩特性，当水泥掺入到膨胀土中后，会引起水泥的水解和水化反应，产生水泥水化物。一部分水泥水化物与黏土颗粒发生相互作用，水泥水化物中的氢氧化钙又与二氧化碳发生碳化作用。经过这些反应与相互作用后，改变了膨胀土的原有性质，土的塑性减小而抗剪强度大大提高，水泥水化物和新生成的化合物在水中和空气中逐渐硬化，增大了水泥改性膨胀土的强度，而且由于其结构比较致密，水分不易侵入，从而使水泥改性膨胀土具有足够的水稳定性。

2 工程案例

南水北调中线总干渠全长1432km，渠道沿线地质条件复杂，穿越膨胀土渠段累计长约387km，其处理技术难度、处理工程量和投资都比较大，是南水北调工程面临的关键问题之一。淅川1标段位于南水北调中线工程的起始段，上接中线工程的源头陶岔渠首枢纽工程，主渠道总长8.10km，设计水深8.00m，底宽10.50～13.50m。渠道过水断面为梯形断面，采用混凝土衬砌，衬砌板下铺设土工膜，用于加强防渗，土工膜下布置排水系统，排除地下水，保证衬砌稳定。淅川1标段8.10km主渠均穿越膨胀土，对膨胀土进行换填，是保证渠道稳定的主要措施之一，施工中采用的换填材料均为水泥改性土，水泥改性土换填工程量约93.45万m3。以下对淅川1标段水泥改性土换填施工技术进行简要介绍，供参考。

3 水泥改性土换填施工工艺

在水泥改性土填筑之前，根据施工现场料源及水泥掺量进行室内水泥改性土击实实验，以确定水泥改性土的水泥掺量、最优含水量及最大干密度，并通过现场水泥改性土碾压工艺试验验证，最终确定水泥掺量5%，铺土厚度28cm（±2cm）厚，压实后的厚度23cm，碾压机械采用20t凸块振动碾，行进速度为2 km/h，碾压遍数静压2遍、振压8遍，压实度0.98以上，含水率21.90%（+1%～+3%），干密度达到1.62g/cm3以上,为渠道填筑的最优碾压组合，能满足设计要求。水泥改性土换填的主要施工工艺流程见图1。

图1 水泥改性土换填施工工艺流程图

3.1 基面清理

所有填筑基面和接触面均按设计要求作好相应清理，清除基础表面腐植土、杂物，填平压实沟、槽坑，确保基础表面平整。地面横坡陡于1:5时，原地面应挖成台阶后填筑，地面横坡陡于1:2.50时，应作特殊处理，防止渠堤沿基底滑动。基础清理完毕后，应及时进行测量放样确定填筑边线、桩号、高程等样点。建基面开挖成型，在验收前、后均利用土工膜对渠底及边坡进行覆盖防护。

3.2 土料翻晒

土料集中堆放至三角洲渣场及水寨西渣场内，位于改性土拌和站附近，改性土拌和前需对土料进行翻晒，翻晒前估算拌和用土量及各土总量，采用l.20m3液压反铲下挖50cm深，进行翻晒调整含水率（因天然含水率略大于最优含水率），含水量偏低时应适当洒水湿润。

3.3 土料预破碎

土料晾晒后，采用YWB210型路拌机进行碎土，大规模碎土宜采用液压碎土机进行。在进行碎土施工前,需现场进行碎土工艺试验，采用筛分法检测碎土级配，根据试验结果调整碎土控制参数。预破碎后土料粒径≤10cm。

3.4 集料倒运堆存

由于三角洲及水寨西渣场面积较大，取土区域距离改性土拌和站最远处约500m左右，土料预破碎后，采用装载机装20t自卸汽车将土料运输至拌和站附近区域堆存，待二次破碎、拌和使用，储料堆采用土工膜（一布一膜）进行覆盖。

3.5 二次破碎

拌和前需对预破碎后堆存土料进行再次破碎，采用装载机倒运至碎土机进行再次破碎，破碎后的土料粒径≤10cm，其中10～5cm粒径含量≤5%，5～0.50cm粒径含量≤50%（不计姜石含量）的要求，将破碎好后的土料用装载机倒运至拌和机进行拌和。

3.6 拌和

大规模的水泥改性土施工采用厂拌法施工，采用的机械为WBZ-600型和WBZ-300型改性土拌和站，其特点为:操做简便、工效高、可以连续拌和。厂拌法由稳定土拌和站、计量传送系统、拌制系统、水泥罐体四部分组成。拌和前，必须先调试所有设备，使混合料的组成和含水率达到规定的要求。为保证土料质量，集料斗上口加工成带坡度的型式，并在上口设置筛网，每个小网格边长≤10cm，以过滤掉粒径不合格的土料。拌和称量系统按试验参数控制土料、水泥和水的重量。充分拌和，取样进行均匀性检测。检测合格的水泥改性土，由装载机拢堆并覆盖或直接运至填筑工作面。

3.7 运输

水泥改性土采用自卸车运输，将拌和好的水泥改性土尽快送到填筑现场，在运输过程覆盖土工膜减少水分损失，运输至填筑工作面后采用“进占法”进行卸料。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，可适当采用推土机推送。

3.8 摊铺

水泥改性土摊铺采用推土机铺料和平土，上料前应及时对填筑面及填筑边坡进行洒水养护以防止水泥改性土砂化，同时边坡结合面也是关键，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，并根据松铺厚度计算出每车水泥改性土的摊铺面积，确定堆放密度。需要推土机进行摊铺时水泥改性土的含水率宜高于最佳含水率的1%～2%，以补偿在摊铺及碾压过程中的水分损失。为确保边角压实度，铺土边线在水平距离上要进行超填，以保证碾压机械有足够的碾压空间。渠道回填摊铺施工方法见图2。

图2 渠道回填摊铺施工示意图

3.9 碾压

当水泥改性土接近最佳含水率时，采用20t凸块振动碾进行碾压至要求的压实密度。在碾压时，由于受天气的影响，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，边坡结合面也是关键部位之一。水泥改性土换填过程中，从加水拌和到碾压完成的延续时间，不宜超过4h。在碾压过程中表面要始终保持湿润，严禁“弹簧土”、松散土、起皮等现象产生。

3.10 削坡

在换填完成后，人工配合挖掘机进行削坡。由有经验的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。削坡时应预留5～10cm的薄土层，预留薄土层削坡时将挖掘机斗齿前焊接一块厚约20mm的钢板作为“刮板”，长度同挖掘机斗宽，宽度约15cm，前缘与斗齿齐平，开挖方向垂直于渠道轴线，沿渠坡自上而下将预留的薄土层刮除，再用人工将坡面遗留的松土清至挖掘机附近，随“刮板”拢堆。随后在坡面上钉木桩，每5m作为一个断面，按坡度放样，在桩位上固定尼龙线，挂线后进行钉桩加密，人工进行坡面整理，直至坡面平整度和坡度符合规范要求。土料拢集于坡下后，装车运至拌和场进行再次拌和，用于设计要求允许使用的部位，使削坡余料得到最大限度的利用。

4 结语

使用水泥作为固化剂已经成为一种得到广泛认可的膨胀土改性方法，水泥作为固化剂掺入到膨胀土中能有效改善膨胀土的膨胀性，提高土体的强度。

水泥的掺量比直接影响到膨胀土的改性效果，加大水泥的掺入量能加强膨胀土的改性效果，但当水泥掺量到达一定程度之后，改性效果变化不再明显，改性土的性质随水泥掺量的增大逐渐趋于稳定，确定不同性质膨胀土的最佳水泥掺量比对于工程质量尤为重要。

[1]蔡耀军，赵旻，阳云华.南阳盆地膨胀土工程特性研究［J］.南水北调与水利科技，2008，1（2）:163-166.