水泥改性土作业面存在的问题及工程处理措施

强鲁斌，徐 萍

(1.长江岩土工程总公司(武汉) ,武汉 430010; 2.湖北长江工程设计有限公司,武汉 430010)

水泥改性土作业面存在的问题及工程处理措施

强鲁斌1，徐 萍2

(1.长江岩土工程总公司(武汉) ,武汉 430010; 2.湖北长江工程设计有限公司,武汉 430010)

在南水北调中线工程膨胀土地区，挖方渠道边坡设计一般要求采用一定掺量、一定厚度的水泥改性土换填进行保护。对膨胀土边坡进行水泥改性土换填时，常常会遇到作业面换填工作中止、边坡土体风化干裂、换填层冲刷破坏及地下水导排不畅等问题。若对上述问题处理不当，有可能对边坡换填质量产生影响，较严重时可能引起渠坡发生变形破坏危及渠道安全。针对水泥改性土作业面在施工中存在的问题进行了深入分析研究，提出了相应的工程处理措施，并总结出施工过程的要点,对今后的膨胀土工程建设具有一定的指导意义。

膨胀土；水泥改性土；作业面；风化干裂；南水北调中线工程

南水北调中线工程总干渠渠线较长，沿线跨越不同的流域，工程建设区地质条件复杂，存在的工程问题较多，其中较为突出的也最难解决的是膨胀土岩渠坡稳定问题。膨胀土岩渠道长占总干渠长的近1/4，因其自身特有的3个工程特性膨胀性、多裂隙性和超固结性，开挖的边坡极易产生变形破坏。对挖方段膨胀土岩渠坡及填方段(回填土料为弱膨胀土时)渠坡，工程处理上多采用水泥改性土换填及其它加固处理措施来保护[1]。

在南水北调中线工程深挖方膨胀土渠道建设中，本文针对性地对施工过程中水泥改性土作业面存在的问题进行了分析研究，并提出其处理措施及施工要点。对开挖形成的膨胀土渠坡，没有及时采取水泥改性土换填保护时，施工期因水泥改性土换填不及时引发了几十处渠坡变形破坏现象。

1 水泥改性土的概念及换填厚度

水泥改性土是指在黏性土中掺一定量的水泥，经拌和的一种建筑材料，渗量>10%叫水泥土，渗量<0%叫改性土。南水北调中线工程所使用的水泥改性土渗量一般在3%～5%[1]。

“十一五”南阳膨胀土试验段研究中，在划分的十几个试验工程区，选取了多种方案对膨胀土渠坡进行保护，主要有非膨胀土、土工袋、土工格栅及不同渗量的水泥改性土换填等，同时还试验了裸坡直接衬砌混凝土板。试验成果表明并确定采用一定渗量的水泥改性土换填为最好的方案。通过试验，水泥改性土换填厚度主要是根据膨胀土渠坡膨胀性等级及裂隙发育情况来确定，对弱、中膨胀土岩、裂隙不甚发育渠坡换填厚度一般控制在1.0～1.5 m；对裂隙发育的中膨胀土岩、强膨胀土岩渠坡换填厚度为2.0～2.5 m[1]。

2 水泥改性土换填的作用

膨胀土渠坡设计采用一定厚度的水泥改性土换填处理，换填断面示意见图1。水泥改性土换填层的主要功能如下。

图1 水泥改性土换填断面示意

2.1 保护渠坡

采用水泥改性土换填后，对膨胀土渠坡来说，其土体含水量变化受到限制[2]，膨胀特性无法表现，制约了或大大减小了膨胀土特性之一的胀缩性。土体没有反复膨胀，渠坡土体原始结构就不会改变。

膨胀土渠坡换填一定厚度的水泥改性土，是根据土体膨胀等级及裂隙发育情况来决定。对渠坡稳定来说，水泥改性土换填层除了保护渠坡土体含水量不变外，还起到了一定的抗滑作用。水泥改性土经碾压后较为密实，水泥与土料在拌和碾压过程中发生化学反应，旱季呈坚硬状，限制了渠坡的变形，达到稳定渠坡的目的。

2.2 隔水防渗

水泥改性土换填后的膨胀土渠坡，因水泥改性土碾压较密实，且有一定厚度，避免了渠坡土体直接受降雨入渗、浸泡及冲刷的影响。通过试验研究，换填碾压的水泥改性土渗透性小于改性前的黏性土，起到了隔水、阻挡雨水冲刷的作用。水泥改性土渗透系数一般为10-5～10-7m/s，具微透水性，抗冲刷性较改性前的原始土体性能好[1]。

2.3 柔性保护

对膨胀土渠坡来说，比较适合的保护措施是采用水泥改性土换填处理。水泥改性土换填层会随着季节湿度的变化同膨胀土渠坡土体一起变化。此种同步性的变化，调整并消除了因土体含水量的变化引起的渠坡胀缩变形[1]。也就是说渠坡土体发生水平膨胀变化时，水泥改性土会陪同着近于相同的节拍变化，起到了对膨胀土渠坡的柔性保护作用。

3 作业面存在的问题

工程建设实现机械化施工后，对土方渠道来说开挖速度较快，形成渠坡回填作业面较多或较长，势必造成水泥改性土料源跟不上回填需求，最终导致作业面空闲。在作业面空闲这段时间里，水泥改性土填筑面及渠坡坡面土本均存在下列问题。

3.1 换填层风化问题

工作面回填作业中止后，形成的水泥改性土填筑面土体受天气影响较大，易受雨水浸泡、日晒风吹等。填筑体最后回填的几层土体遭受风化破坏，水泥改性土受影响后失去部分效用。同时，填筑体削坡后，外坡面水泥改性土可能受雨水的冲刷，形成顺坡向冲蚀雨淋沟，坡面完整性受到破坏。改性土换填面受降雨影响破坏，见图2。最后导致换填保护层有效厚度变薄，进而在变薄部位形成低凹处，与两侧坡面呈错台状凹凸。因水泥改性土碾压板结后，坡面凸凹不平的冲蚀现象不易补救，难于还原。

图2 改性土换填面受降雨影响

针对一段渠道来说，渠坡换填完成后，在该回填渠段与上下游未换填渠段间的交汇处形成2个斜坡。若上下游渠段换填工作滞后，且时间较长，2个斜坡就会被放置一段时间。此间，2个斜坡面水泥改性土遭受风化破坏，主要受季节影响，易风干砂化、冻融碎裂。暴露时间过长的话，可见坡面布满杂草。

3.2 坡面土体风化问题

因中线渠道工程属线性建筑物，在建设期间，换填渠段形成的上述斜坡属不可避免，且随处可见。在水泥改性土填筑过程中，上下游斜坡与膨胀土渠坡间形成一“三角区”地块，见图3。该“三角区”膨胀土渠坡换填封闭基本上较晚，坡面土体裸露经历时间长，天气影响带来的风化破坏较严重。放置时间越长，渠坡基面土体结构破坏现象会越来越深。在经历多次的季节变化后，受雨水浸泡、风吹日晒、冻融及植被生长，坡面土体反复胀缩，土体结构破坏深度不断增大[2]。根据相关技术要求，需要对“三角区”渠坡进行再次削坡处理，若处理不到位，会出现水泥改性土与渠坡土体界面部位碾压不实或结合不良的现象。

图3 “三角区”地块

3.3 地下水导排不畅问题

渠坡有地下水渗出时，多采用盲沟导排，使地下水汇入渠道排水系统[3]。

在盲沟处理地下水后，渠坡换填水泥改性土到一定高度时，因导排不畅，地下水渗浸入改性土填筑面，软化渠坡土体及破坏水泥改性土，导致碾压不实。地下水浸湿水泥改性土换填作业面见图4。

图4 地下水浸湿水泥改性土换填作业面

3.4 水泥改性土滩铺问题

在膨胀土渠坡用水泥改性土换填中，作业面上一般采用大型装载车运输水泥改性土，连续性顺渠道方向自动卸载，并用推土机进行滩铺。卸载和滩铺过程中，在渠坡与换填面之间存在大颗粒集中部位，见图5，该部位碾压难于碾压密实，多达不到设计要求。

图5 水泥改性土卸载滩铺大颗粒部位

3.5 建筑物基坑问题

南水北调中线膨胀土渠道穿渠建筑物施工中，部分在渠坡上形成基坑。基坑改性土换填存在作业范围狭小不能采用大型设备进行碾压及周边坡较陡问题，见图6。

图6 建筑物基坑

4 工程处理措施

在水泥改性土施工技术规定中，一般对水泥改性土的生产、运输和碾压提出了详细的规定和要求。通过南水北调中线工程建设的实践，作者清楚地认识到水泥改性土填筑施工过程中存在的问题。

本文重点对填筑作业面上存在的问题进行分析研究，指出具体的工程处理措施，并总结施工要点，可提高水泥改性土填筑质量。

4.1 工程处理措施

4.1.1 时间要求

水泥改性土换填料生产完成后，技术规定要求4 h内运送到回填面上进行碾压[4]。但实际在换填作业面上存在一定时间段内无法进行碾压，如受换班、天气等因素影响。若放置时间过长，随着含水量的降低，水泥改性土就会砂化，即成散粒状，无法碾压到最佳状态，因此，水泥改性土换填时间控制很重要。

4.1.2 渠坡坡面要求

膨胀土渠坡回填水泥改性土前要求开蹬处理，开蹬高度同铺土厚度。对边坡开蹬产生的大颗粒土块需人工清除，避免混入回填层。因水泥改性土换填需花费一段时间，在此期间坡面表层土体换水风干碎裂或松动，需做好坡面保护工作。

4.1.3 坡面与换填面接合部位要求

在渠坡坡面土体与作业换填面接合部位，每辆装载的水泥改性土卸载滩铺过程，较大颗粒的水泥改性土料会集中滚落在该部位，要求人工配合对其进行散铺处理，并补平碾压作业面。

4.1.4 上、下游两侧斜坡要求

换填水泥改性土过程中，在换填渠段上、下游侧形成2个斜坡。斜坡经重型车辆往返时的反复碾压，一定深度的水泥改性土体扰动破坏，即碾压过度，呈坚硬状。回填前要求清除斜坡面表层破坏土体，并按照设计要求放坡并开蹬。

4.1.5 作业面的保护要求

水泥改性土作业面包括3个部位:一是改性土填筑面；二是分段填筑后在上下游侧形成的斜坡面；三是水泥改性土填筑体的外坡面。

填筑过程中3个部位都要求进行必要的、有效的防护,一般多采用彩条布进行纵向覆盖。对不同部位的防护有所不同，填筑面的防晒、回填前的洒水保湿，防护斜坡面的过度碾压及改性土填筑体削坡后外坡面的防暴晒、防冲刷等[5]。

4.1.6 地下水处理要求

对有地下水沿水泥改性土填筑面渗出的渠坡，处理分2方面:一方面是在水泥改性土换填面上铺设排水管与坡面盲沟连通，排于水泥改性土外坡面排水板系统内；二是水泥改性土换填后，在改性土换填层外坡面仍然有地下水渗出时，应按照相关要求采取工程处理措施。一般在渗水部位底部打一定仰角的斜孔，安装PVC排水管，对地下水进行导排，引入水泥改性土填筑层外侧坡面的排水系统。

4.1.7 建筑物基坑要求

中线工程跨渠建筑物较多，且类型多样。渠坡上开挖形成的基坑大小、形状各有不同，开挖深浅差异较大。该类基坑在回填水泥改性土时，因基坑作业面受场地限制，无法进行机械化作业。此时应采取人工滩铺，使用小型蛙式打夯机进行分层夯实，每层铺土厚度一般小于10 cm。同时，基坑四周边坡要求采用人工放坡并开蹬，确保回填土与原基面结合良好。

4.2 施工要点

(1) 换填的作业面不要太长，且作业面不要过多。在对膨胀土渠坡进行水泥改性土换填时，水泥改性土料源生产要及时跟上，且要连续不间断地对一作业面进行填筑。

若存在水泥改性土回填跟不上、填筑速度较慢或中断时，应及时采取有效措施，对未换填的膨胀土渠坡及换填面进行覆盖保护。

(2) 工程建设的机械化，施工速度较快，土方开挖的膨胀土渠坡成形也快，过多的基面成型，相应的渠坡受天气影响也较大，最易受降雨的影响而破坏。因此，务必做好渠坡作业面的保护工作。

(3) 渠坡保护层开挖削坡验收后，总会被放置一段时间。在进行水泥改性土填筑前，对渠坡表层结构已破坏的土体要求重新削坡处理。

(4) 对膨胀土渠坡务必实施开蹬、洒水保湿这道工序。有利于换填土与原状土的结合，有利于填筑体的整体稳定，膨胀对土渠坡起到了更好的保护。

5 结 语

通过实际工程经验总结，为了充分发挥水泥改性土换填层保护膨胀土渠坡的作用，本文作者对水泥改性土作业面存在的问题及工程处理进行了分析研究。从文中可知，在水泥改性土填筑施工中，关键是要做好以下4个方面，并安排合理施工工艺和工序。

(1) 水泥改性土换填过程，时间衔接上要紧凑、连贯。从开始生产水泥改性土到运送到填筑面，以及回填碾压过程都要控制好时间；

(2) 渠坡面、换填面要做好保护、防护措施。开挖揭露的膨胀土基面土体不能受到日晒、雨淋的影响，换填过程若中断时，要妥善保护好换填面；

(3) 做好每一填筑层水泥改性土的滩铺、坡面土体开蹬以及失水后的洒水保湿工作；

(4) 地下水盲沟导排要畅通。对有地下含水层或上层滞水存在的坡面换填时，一定要认真做好排水措施，使膨胀土和水泥改性土不受水的影响。

在膨胀土地区进行的工程建设，因施工开挖改变了膨胀土的天然环境条件，使之暴露在大气中，造成土体在含水量变化过程中产生干湿交潜，进而土体的工程特性向不利方向发展。为了保护土体不受破坏或抑制土体含水量的改变，在工程建中得到以水泥改性土为防护材料，进行柔性保护膨胀土的最佳方法。

[1] 长江勘测规划设计研究有限公司，国家十一五科技支撑计划课题课题编号: 2006BAB04A10专题四膨胀土(岩)渠坡的设计与施工研究[R].武汉：长江勘测规划设计研究有限公司，2010：48-54. (Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research. Design and Construction of Expansive Soil (Rock) Canal Slope: Eleventh Five-Year Science and Technology Support Program Project Number: 2006BAB04A10[R]. Wuhan: Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research, 2010: 48-54. (in Chinese))

[2] 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，2008，6(1)：163-166. (CAI Yao-jun, ZHAO Min, YANG Yun-hua. Research on Engineering Properties of Expansive Soil in Nanyang Basin[J]. South-to-North Water and Water Science Technology, 2008, 6(1): 163-166. (in Chinese))

[3] 《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)[S].北京：南水北调中线干线工程建设管理局，2010：9-11. (Requirements of the Construction of Expansive Soil Treatment for the Main Canal of South-to-North Water Transfer Project (NSBD-ZXJ-2-01)[S]. Beijing: Construction and Administration Bureau of South-to-North Water Diversion Middle Route Project,2010：9-11.(in Chinese))[4] 《南水北调中线一期工程总干渠渠道水泥改性土施工技术规定》(NSBD-ZXJ-2-37)[S].北京：南水北调中线干线工程建设管理局，2011:16-19. (Technical Requirements for Cement Modified Soil of the Main Canal of South-to-North Water Transfer Project(NSBD-ZXJ-2-37)[S]. Beijing: Construction and Administration Bureau of South-to-North Water Diversion Middle Route Project,2011: 16-19. (in Chinese))

[5] 龚壁卫，包承纲，周欣华.总干渠膨胀土渠坡处理措施探讨[J].长江科学院院报，2002, 19(增1): 108-110. (GONG Bi-wei, BAO Cheng-gang, ZHOU Xin-hua. Probe into Treatment Measures for Main Channel Slope in Expansive Soil Region[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2002, 19(Sup.1): 108-110. (in Chinese))

(编辑：王 慰)

Problems and Engineering Treatment Measures in the Operationof Cement Modified Soil

QIANG Lu-bin1, XU Ping2

(1.Changjiang Geotechnical Engineering Corporation, Wuhan 430010, China; 2. Hubei Yangtze River Engineering Design Co., Wuhan 430010, China)

In the expansive soil region of the middle route of south-to-north water transfer project, cement modified soil with certain content and thickness is required to replace expansive soil in order to protect the canal slope. In the process of soil exchanging and filling, problems are often encountered, including suspension of exchanging-filling operation, weathering and cracking of slope soil, scour damage of filled layer and mal-draining of groundwater. If the above problems are mishandled, the quality of soil exchanging and filling will be affected, and may even cause the slope deformation failure. In this paper, these problems are analysed in depth, and corresponding engineering treatment measures are put forward, and crucial points of the construction process are also given. It is of guiding significance for the engineering construction of expansive soil.

expansive soil; cement modified soil; operation plane; weathering and cracking; middle route of south-to-north water transfer project

2014-04-30;

2014-06-16

国家“十二五”科技支撑计划课题(2011BAB10B03)

强鲁斌(1974-)，男，陕西合阳人，高级工程师，主要从事水利水电工程地质勘察工作，(电话)18502772152(电子信箱)shine-qlb@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.05.019

2015,32(05):100-104

TU7

A

1001-5485(2015)05-0100-05