水泥改性土施工技術應用

□李紅爐（河南省水利第二工程局）

一、引言

南水北調中線一期工程總干渠膨脹土試驗段工程（南陽段）（以下簡稱南陽試驗段）是研究南水北調工程中膨脹土地區渠坡處理方案的試驗性項目，根據現場試驗方案，將試驗段劃分為：填方試驗區、弱膨脹土挖方試驗區和中膨脹土挖方試驗區，共分13個亞區。每個亞區長80～120m，根據試驗目的布置不同的試驗方案。渠坡處理試驗方案采用有非膨脹土換填、水泥改性土換填、土工格柵膨脹土換填、土工袋膨脹土換填及砂礫料鋪設等形式，水泥改性土換填是膨脹土渠坡處理主要試驗方案之一。

膨脹土中含有較多的粘粒及親水性較強的蒙脫石或伊利石等粘土礦物成分，是一種遇水膨脹、強度驟減、失水干縮、堅硬而又常有收縮裂隙的高塑性粘土。膨脹土渠坡易產生溜坍、坍塌、滑坡等嚴重事故，還會產生收縮開裂、膨脹、松散、剝落等病害，對工程建設潛在著嚴重的破壞性。

二、水泥與膨脹土作用機理

膨脹土的液限、塑限和塑性指數較大，壓縮性偏低，在天然含水率的情況下處于較堅硬的狀態，具有晶層結構的蒙脫石或蒙脫石混層礦物在電解質溶液作用下，土中的水分子受到層間交換陽離子的靜電勢、組成晶層的正負離子的靜電作用，氫鍵、滲透壓、層間相互作用力、層間陽離子與晶層間作用力、范德華力和同處于非飽和狀態下的基質吸力等共同作用，具有溢出層間的收縮勢和使空隙水分進入層間的膨脹勢，使得膨脹土失水收縮、吸水膨脹。

摻加一定比例的水泥對膨脹土進行改性是目前處理膨脹土的主要方法之一，水泥的摻入改變了膨脹土的結構和化學成分，從而改變了膨脹土的物理力學性質，通過水泥與膨脹土的離子交換及團粒化作用、硬凝反應及碳酸反應，可以有效地改良土的膨脹性。

三、水泥土拌制

（一）工藝原理

因膨脹土具有遇水膨脹、失水干縮的特性，采用路拌機、穩定土拌和機等摻拌設備，在膨脹土料中摻入適量的水泥，使二者充分拌和并發生物理及化學反應，包括離子交換、凝硬反應、碳化、膠結等作用，改變膨脹土的力學性質，使其強度和水穩定性大大提高，膨脹性得到控制。換填后，一方面可隔離大氣與膨脹土基礎的直接作用;另一方面吸收其膨脹潛能，降低原膨脹土基礎自身因含水量變化而產生的脹縮應力，防止膨脹土邊坡產生滑坡。

（二）工藝流程

（三）路拌機拌制水泥土

1.拌和場地面采用推土機平整后，用平碾碾壓，每次碾壓均測定沉降，直至連續兩次碾壓的沉降量之差在1mm以內為止，場內高差≯50mm。

2.將土料用輪式裝載機裝車、自卸車運輸至拌和場內攤鋪平整。一般情況下，拌和場至少要劃出3個區才能滿足路拌機拌制流水作業的要求。

3.攤鋪平整的土料使用攤鋪機進行碎土2遍，使用Φ14鋼筋制作插釬，并在插釬上標出長度標記，檢查鋪土厚度，局部采用人工平整，保證攤鋪厚度均勻。

4.土料攤鋪后根據鋪料厚度的不同，計算每平米摻加的水泥量，一般情況下松鋪厚度為25～30cm。用50m鋼尺在土料上面定出網格，一般以一袋水泥的摻入量來控制網格面積，用石灰做出標記，將水泥倒在網格中心，用刮板將水泥均勻攤開，使每袋水泥的攤鋪面積相同，做到土料表面沒有空白位置，亦無水泥集中點。

5.采用路拌機拌制混合，在拌制時，將水管直接接至后壓斗頂部，在路拌機行走過程中，由專人配合挪動水管進行灑水。拌制時必須做到拌和均勻、不留死角，一般拌制3～4遍。

6.拌和完成后，分不同部位（至少6處）取樣，根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程（JTGE51—2009）》檢測其拌和均勻性，根據《土工試驗規程（SL237-1999）》檢測含水率，合格后攏堆，臨時覆蓋保濕或直接運至填筑工作面；對于滴定檢測不合格的土料，主要原因是拌和不均勻，需要重新進行拌和并檢測。

（四）穩定土拌和機拌制

1.土料使用自卸汽車直接運至拌和場，使用有排石功能的液壓碎土機進行碎土，剔除膨脹土土料內粒徑＞5cm的鈣質結核塊體，采用塑料布臨時覆蓋。

2.水泥摻量按比例在穩定土拌和機控制系統上進行設定，并根據自然土的含水率設定需要摻加的用水量。

3.把已破碎的土料使用裝載機裝入穩定土拌和機集料斗，使用拌和機進行拌和，拌和時應每隔4小時取樣，根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程（JTGE51—2009）》檢測其拌和均勻性，根據《土工試驗規程（SL237-1999）》檢測含水率，根據檢測結果調整水泥量及摻加用水量。

4.拌和好的水泥土應及時使用自卸汽車運至填筑工作面進行鋪填，做到隨伴隨用，避免含水量損失。

四、填筑施工

（一）工藝試驗

1.根據水泥改性土設計水泥摻量，在室內進行擊實試驗，確定其最優含水率及最大干密度。

2.根據室內試驗取得的參數，進行現場碾壓施工工藝試驗，確定水泥的摻加方法、碎土工藝、鋪土厚度、碾壓遍數、壓實機械等參數。

（二）施工程序

（三）施工方法

1.基面清理，按照施工圖要求開挖邊坡（本工程設計坡度1：2），清除坡面及渠基浮土表層應濕潤無雜物，經監理工程師驗收后開始下步工序施工。

2.測量放線，為保證邊坡壓實，結合機械作業安全等因素，在施工放樣時需考慮水平向≮90cm的超填寬度。每層填筑前，先放出填筑土料的鋪料（加超寬）邊線，并撒上白灰線加以標示。

3.土料運輸，采用自卸汽車裝運至通過監理工程師驗收的施工工作面，采用“進占法”卸料。

4.鋪料前采用推土機在坡面上推出臺階以保證與邊坡土體的結合，臺階高度與鋪土厚度相同。用推土機鋪料和平土，在鋪料過程中，嚴格按照碾壓試驗的參數控制鋪料厚度，采用插釬檢查厚度。

5.采用20t凸塊振動碾進行碾壓，碾壓結束后，環刀法取樣檢測壓實度，合格后進行下一層的填筑。

6.在換填完成后，人工配合挖掘機進行渠坡整理。挖掘機操作人員按樣槽進行削坡，削坡方向垂直于渠道軸線，由上至下順坡進行。土料攏集于坡下后，裝車運至拌和場再次進行拌和，使削坡余料得到最大限度的利用。削坡時應預留5～10cm的薄土層，采用人工或削坡機進行精修。施工過程分解見下圖。

渠道邊坡水泥改性土施工圖解

循環“（二）～（四）”

循環“(二)～(四)”

五、質量控制要點

（一）填筑時采用進占法施工，由于換填的厚度小，填土時運輸車輛在同一工作面反復碾壓，易造成土料剪切破壞及彈簧土。在邊坡換填時，為減少運輸車輛對填筑面的反復碾壓，可用推土機適當推送。

（二）結合面處理。在碾壓時，由于受天氣影響，填筑層表面風干很快，為保證層間結合，在進行上一層鋪土施工之前，需要對結合面進行灑水。同時，邊坡結合面也是關鍵部位之一。填筑前在原渠坡上逐層進行開蹬處理，臺階高為每一層鋪土的厚度（虛鋪），需用推土機進行施工。

（三）水泥摻量、拌和均勻度、土料含水量、粒徑、拌和用水量、拌和遍數直接影響水泥改性土的質量。在制備水泥土時必須嚴格按照試驗參數進行拌制，嚴格進行檢測。

（四）水泥改性土拌制完成后，需要在現場取樣檢測拌和質量，檢測時主要檢測拌和均勻度以及水泥含量、含水量是否滿足要求。

（五）攤鋪時水泥改性土的含水率宜高于最佳含水率的1.0﹪～2.0﹪，以補償在攤鋪及碾壓過程中的水分損失。

（六）雨季施工應特別注意天氣變化，避免使水泥和混合料受到雨淋。降雨時應停止施工，已經攤鋪的水泥土應快速碾壓、封面并覆蓋。

六、結論分析

（一）路拌機拌制的工效較低，產量低，程序復雜，一般要3～4遍才能保證水泥土的均勻性；穩定土拌和機功效較高，施工時機械化程度高，但投入機械較多，一次性投入較大。

（二）路拌機拌制時水泥拌和的均勻性及水泥改性土的含水率波動較大，控制難度大；穩定土拌和機拌和使各項指標易于控制，波動較小，更利于整體質量控制。

（三）換填厚度對工效影響較大，換填厚度較小時，為保證填筑質量、滿足碾壓機械的工作面要求，超填量所占比例較大，在削坡時投入的機械和人工量較多，土料損耗較大，效率降低。

（四）南陽膨脹土試驗段共有4個亞區使用水泥改性土換填方案，換填厚度0.6～1.0m，經歷了近一年半的渠道模擬運行試驗，效果比其他換填措施均好，說明水泥改性土在合理的換填厚度下對膨脹土邊坡起到很好的加固、補強作用，能有效地防止、抑制膨脹土邊坡溜坍、坍塌、滑坡等事故。

[1]吳新明，巫錫勇，周明波.水泥改良膨脹土試驗研究[J].路基工程，2007，2（131）.

[2]王年香.高液限土路基設計與施工技術[M].北京：中國水利水電出版社.2005.