南水北调中线工程辉县段水泥改性膨胀土工程特性的试验研究

赵凯选

【摘 要】本次试验研究采用掺加水泥改性膨胀土的方法，依托河南水利建筑工程有限公司承建的南水北调中线工程辉县段进行工艺性试验，采用三种不同水泥掺量的膨胀土进行碾压试验研究。通过碾压试验，结果显示随着水泥掺量的增加，渗透系数、抗压强度并不随着水泥掺量的增加而增加，笔者认为弱膨胀土的水泥掺量在3%～5%范围内较为合理，具体掺量应在施工前通过工艺性碾压试验确定。

【关键词】水泥掺量；改性膨胀土；试验研究

0 引言

膨胀土既是一种吸水膨胀，失水收缩和往复胀缩变形的粘土，膨胀土的这些性质对工程建筑的危害极大，公路、挡土墙、边坡、地下洞室、隧道围堰和建筑等常常因为膨胀土的胀缩、软化及裂隙而产生开裂、倾斜甚至破坏，造成很大的经济损失。

膨胀土的有效治理非常困难，在工程界，人们往往称之为“难对付的土”。目前对于膨胀土灾害的防治主要采取土质改造与置换、表面防护、变形防护等措施。在土质改造方法中，工程中应用最广的是在膨胀土中掺加石灰、水泥加以改性。南水北调中线工程辉县段拟采用掺入一定量的水泥对具有弱膨胀潜势的膨胀土进行改性，消除其胀缩变形对渠坡和渠基稳定不利影响。

1 水泥改性膨胀土试验

本试验研究拟采用掺入4%、5%、6%三种掺量的水泥对弱膨胀土进行改性，通过现场试验的方法确定水泥的合适掺量，从而达到对该段膨胀土改性的最佳效果，为设计水泥掺量提供重要依据，同时也为现场施工提供依据，

1.1 场地平整、测量放线

测量人员对拟定试验区进行测量放样，定出试验区边桩位置，每10m设一高程控制桩，桩高1.5m。采取SD160推土机清除试验区基面杂草、乱石、树根等杂物，清理范围超出试验区边线50cm以上。基础清理完成后，采用PY180刮平机对基面进行平整，平整完毕后，采用18t光轮振动碾碾压6遍，基面压实处理后，平整、密实。

1.2 土料准备

土料为备土场渠道换填土料，经检测备土场土料含水率ω在19～21%之间，当进行水泥土ωop+2%时需要补水，当进行水泥土ωop-2%时需要进行翻晒。试验室对现场铺筑的土料取样检测含水量，使每段的土料含水率控制在设定的含水率，如果含水率偏大，则进行翻晒，如果含水率偏低，则补水。

1.3 摊铺平整

土料开挖采用1m3挖掘机开挖，15t自卸汽车运输，采用全断面进占法施工，边角部位人工用铁锹铺平。在土料摊铺过程中，人工将大土块、杂物捡除。由于气温较高，试验土层铺土厚度较薄，水分蒸发量较大，土料含水量损失较快，为保证水泥土含水量在设定试验含水量范围内。在摊铺水泥前，对已平整的土料在进行含水量测定，对含水量偏小的，在土层上洒水闷料，洒水采用雾化喷淋，洒水均匀，避免局部水分过多。

1.4 水泥摊铺

水泥存放在现场仓库，在试验过程中采用人工搬运至预先划分好的分布地点。为保证水泥掺量，在水泥摊铺前，对整平后的土层进行干密度检测，通过试验测定出素土干密度，根据素土干密度计算每平方米水泥土中水泥的用量，根据每平方米水泥用量，计算出每袋水泥摊铺的面积。根据每袋水泥摊铺面积，划分方格，人工将水泥倒在网格中心，用刮板将水泥均匀摊开，水泥摊铺完成后，表面均匀、无空白。

1.5 水泥土拌和

在WBY2300E型路拌机进场后，经过对素土拌和试验，WBY2300E型路拌机拌和深度30～35cm，能够满足试验需要。在水泥土拌和时，拌和2遍，拌和轮迹搭接50cm以上，拌和过程中设专人跟随拌和机，检查拌和深度，根据实测深度调整拌和深度，确保拌和深度进入下层3cm，以利于上下层结合，同时也避免留有素土夹层。水泥土拌和均匀后目测观察色泽基本一致，没有灰条、灰团和花面，颗粒粒径在5cm以下。

1.6 碾压

拌和完成后，及时采用平地机整形。碾压采用18t光轮振动碾碾压。碾压时先静压2遍，然后在动压。静压时以1.5～1.7km/h行走，动压时以2.0～1.7km/h行走，由一侧边线顺轴线方向平行顺次碾压，碾压过程中由施工员负责记录碾压遍数和行驶速度，碾压时重叠50cm以上，碾压均匀，无漏压。施工人员随时检验碾压作业面的情况，发现问题及时处理。在试验过程中，通过对碾压作业面的跟踪观察，水泥土碾压在不同含水量时，均未出现弹簧现象。

1.7 维护养生

碾压完成后，洒水养生采用雾化喷淋措施，洒水完毕后及时用塑料薄膜覆盖养生，养生期间控制水泥土湿度。由于试验期间雨水较多，雨水过后，及时派人排除塑料薄膜上面的积水，避免雨水进入工作面。

1.8 试验检测

土料摊铺前，检测土料含水率，如果土料含水率偏大，则进行翻晒，翻晒在备土场进行；如果偏小，则进行洒水补水。通过试验，土场现有土料，在ωop+2%试验时，需要补水；在ωop-2%时，需要翻晒。

水泥土拌和完成后，及时进行取样，送试验室进行水泥剂量检测，水泥剂量检测采用EDTA滴定法，每层检测6组。经检测水泥剂量滴定平均值为：4%水泥土滴定数值在3.9～4.0%，5%水泥滴定数值在5.0～5.4%，6%水泥滴定数值在6.0～6.5%；水泥含量标准差（4%水泥土滴定标准差在0.2～0.5，5%水泥滴定标准差在0.3～0.6，6%水泥滴定标准差在0.1～0.3）均不大于0.7。

碾压完成后，进行环刀取样及高程数据采集，检测压实度及沉降量。在各个试验块范围内碾压3遍、5遍、7遍后分别取样，每层按照碾压试验方案确定取样点均匀分布进行取样，以检测干密度和压实度。

在合格的层面进行渗透系数检测，同时根据3天、7天和28天不同的龄期，进行软化系数检测，每个龄期取样不少于2组；渗透系数、软化系数选择压实度合格的层面进行检测。[1]

2 水泥改性膨胀土试验研究分析

2.1 碾压遍数与压实度

通过对试验数据的整理分析及3种碾压遍数组合结束后对压实层表面的观察，当采用4%的水泥掺量，铺土厚度28cm，碾压遍数为静2动3，含水率控制在16.5%～18.5%时，土层压实度能够满足0.98的压实度要求，且不会对压实层表面产破坏。

2.2 水泥土松铺系数的确定

通过对高程数据整理、计算，在特定水泥掺量时，不同铺土厚度、含水率时的不同碾压遍数的松铺系数为1.04～1.09。

2.3 渗透系数、软化系数

根据不同水泥掺量、不同含水率的渗透系数、软化系数（3d、7d、28d）进行了测定，掺入水泥后，土体随着龄期的增长强度提高，土体结构得到改善，对渠道填筑边坡稳定十分有利。在相同养护天数下，随着水泥掺量的提高，土体强度、渗透系数并无明显变化。

2.4 路拌机的性能检验

本次试验采用WBY2300E路拌机，拌和宽度2300mm，与轮宽一致；在拌和深度上，实际拌和深度30～35cm，本次试验为28cm、25cm，能够满足深入下层3cm的技术要求。

2.5 压实遍数与沉降量关系

4%、5%、6%不同的三种水泥掺量，在碾压遍数相同时，沉降量相差不大，总沉降量随碾压遍数的增加而增加，但沉降趋势减小。在静2动5、静2动7碾压遍数时，4%掺量的沉降量最大。

2.6 素土、水泥土含水量变化值

在拌和水泥土前应对素土含水量进行测定，在素土含水量高出水泥土最优含水量1.9～3.2%进行拌制易满足压实度要求，当素土含水量低于水泥土最优含水量时，应该对土料进行补水，避免盲目拌和水泥土，造成浪费。

3 结语

通过对4%、5%、6%三种水泥掺量膨胀土的改性试验研究，最终确定了当水泥掺量为4%、铺土厚度为25cm、28cm时，压实度能够满足设计要求，实现了对膨胀土的有效治理，而且便于现场施工控制，该项成果被最终用于工程实体。南水北调中线工程运行1年以来，膨胀土处理渠段运行平稳，为一渠清水千里北送提供了强有力的保证。

【参考文献】

[1]侯永峰，龚晓南.水泥土的渗透特性[J].浙江大学学报（工学版），2000，34（2）：189-193.

[责任编辑：杨玉洁]