低摻量水泥改性土在南水北調總干渠換填中試驗研究與應用

□趙 斌 □王洪現 □龔婦蓉（中國水利水電第十一工程局有限公司）

1.工程概述

南水北調中線一期工程總干渠鄭州2段工程第一施工標段，位于鄭州市管城區南曹鄉，設計樁號為SH(3)179+227.8～SH(3)185+220.3，標段長度5.993 km。渠道為梯形斷面，渠底寬度為18.5 m，渠底高程114.145～113.672 m，渠道縱比降為1/26000。其中 SH（3）179+835.5～SH（3）184+771.3、SH（3）185+120.3～SH（3）185+220.3段為高地下水位砂質渠坡。標段地層為粘砂多層結構段，渠坡土體主要為黃土狀中、輕壤土、重砂壤土、細砂等，渠道底部均位于細砂層中，對高地下水位砂質渠進行粘土換填處理，一級馬道及以下換填1.5 m厚的粘土，粘土下面做0.2 m厚砂墊層，砂墊層下設置自排水系統。砂質渠坡換填見圖1。

圖1 砂質渠坡處理圖

2.總干渠填筑土料技術指標要求

根據設計要求，填筑土料系利用本標段的開挖合格土料，填筑土料技術指標應該滿足：粘粒含量>10%，有機質含量<5%，土料含水率應為最優含水量的-3%～3%之間的粘性土，滲透系數≤1×10-4cm/S，填筑干密度>1.72 g/cm3，壓實度>98%。本標段共需填筑量91萬m3。

3.水泥改性土的試驗研究

3.1 水泥改性土的試驗研究緣由

根據對開挖土料的勘查復核發現，現場土料粘粒含量極不均勻，多為砂壤土，且不能滿足粘粒含量≥10%的要求。為了解決土料粘粒含量偏低且不均勻的問題，2011年4月15日-6月10日分階段對粘粒含量分別為5%～7%、7%～9%、9%～11%的土料摻入2%、3%、4%、5%的水泥，按照設計下發的鄭州2段渠道水泥土碾壓試驗技術要求，采用路拌法進行了現場施工試驗。并委托黃河勘測規劃設計有限公司實驗中心進行了取樣檢測和出具檢測報告。

3.2 水泥改性土的試驗研究

根據顆粒分析資料，選取平均粘粒含量為9%，其顆粒粒徑不大于15 mm，有機質含量不大于5%，不含雜質的土料，進行室內擊實試驗，含水率根據擊實試驗控制在最優含水率的±3%范圍內。

水泥采用檢驗合格的鄭州天瑞P·042.5普通硅酸鹽水泥。經檢測水泥初凝時間120 min，終凝時間240 min。

試驗場地選擇在左岸防護堤填筑作業面，共分7個區域進行試驗，其中鋪土厚度和水泥摻量組合6個區，素土料1個區，單個區域面積為30 m×10 m。試驗前對該場地基礎面進行壓實檢測，滿足壓實度98%的要求后方進行碾壓試驗，碾壓場區布置見圖2。

對粘粒含量5%～9%土料摻加水泥試驗以鋪土厚度30 cm組合如下：5%～7%土料摻加水泥4%、5%，粘粒含量7%-9%土料摻加水泥3%、4%進行碾壓試驗。

圖2 路拌法碾壓試驗施工場地布置圖

試驗時間:2011年5月4日-6月15日按審批的施工方案進行了現場碾壓試驗，試驗對3 d、7 d、14 d、28 d試驗成果進行了統計。

碾壓試驗過程:碾壓試驗在左岸正在填筑防護堤上進行，在試驗前對下層防護堤驗收合格并平整后，在進行碾壓試驗。

試料裝運：采用1.6m3挖掘機與20t自卸汽車進行試料裝運。

攤鋪攪拌：先在試驗區按照鋪土厚度采用TY-160推土機攤鋪30 cm、35 cm、40 cm厚合格土料，根據該層擬定攤鋪厚度計算水泥摻加量，采用人工攤鋪均勻，然后采用路拌機進行攪拌。

碾壓：采用20 t凸塊振動碾進行碾壓，搭接寬度>50 cm。行車速度控制在1.5-2.0 km/h內。振動碾在碾壓試驗區范圍2 m外起振，在專人指揮下進行碾壓，已鋪土料表面在壓實前被曬干時，應灑水濕潤，控制填筑土料的含水量，以利充分壓實。碾壓后測量試驗區高程與碾壓前測量高程比較，計算壓實后的厚度。

養生：對碾壓完成水泥土灑水后覆蓋塑料布進行養生，養生期間控制水泥土濕度。

取樣和試驗:委托黃河勘測規劃設計有限公司實驗中心進行了取樣和試驗，并提出相關技術成果報告。

干密度檢測取樣：在各小區范圍內碾壓3遍、5遍、7遍后分別隨機取樣，每層取樣12個。

3.3 試驗成果統計

根據檢測報告，實驗結果采用小值分析法進行統計分析如下：物理力學指標統計：對直剪試驗、壓縮試驗成果按照小值平均法進行了統計分析，統計成果表明：無論對現場不同粘粒含量的土料摻加2%、3%、4%、5%的水泥土，其凝聚力、摩擦角增加明顯，而壓縮指標變化較小。滲透系數統計：摻加水泥后土料的滲透系數為1.91×10-5～4.87×10-5cm/s之間，不摻加水泥的土料滲透系數為4.42×10-5～5.81×10-5cm/s之間。由此看出：摻加水泥土后，土的滲透性有一定的改變，均滿足滲透系數不大于1×10-4cm/s設計技術指標。

3.4 水泥改性土試驗研究成果分析和結論

根據試驗粘粒含量為5%～7%、7%～9%、9%～11%的土料摻加（2%、3%、4%、5%的配比）水泥填筑碾壓后，對碾壓完成后3 d齡期、7 d齡期、14 d齡期、28 d齡期試驗區進行取樣檢測；根據試驗檢測結果和現場開挖探坑情況來看，對換填土料摻加定量水泥是必要和可行的，且效果明顯。具體反映在以下方面：從試驗檢測結果分析：首先從填筑壓實指標來看：對總干渠換填土料摻加水泥后在鋪土厚度30 cm時填筑，采用20 t凸塊振動碾碾壓5遍后，干密度均大于1.74 g/cm3，可滿足壓實度為98%且干密度不低于1.72 g/cm3要求的控制指標；其次從改性土物理力學指標上來看：根據碾壓試驗完成3天、7天、14天、28天試驗成果來看，不摻加水泥自然快剪28.77 kPa，飽和固結快剪凝聚力19.227 kPa，摻入水泥后，齡期為28天時，自然快剪170.12 kPa，飽和固結快剪凝聚力141.42 kPa，分別比不摻加水泥土體凝聚力增加5.91倍、7.36倍；摩擦角增大至38.20度，從以上試驗結果對比情況來看，摻入定量水泥后，土體隨著齡期的增長凝聚力明顯提高，固結整體性明顯增強，土體內部結構得到改善，對渠道填筑邊坡穩定十分有利。

從壓縮試驗可以看出，以鋪土厚度30 cm為例：未摻加水泥時壓縮系數為0.094，摻入2%水泥后，齡期為28 d時，壓縮系數為0.062 MPa-1；摻入3%水泥后，齡期為28 d時，壓縮系數為0.073 MPa-1，土體壓縮系數減少0.03 MPa-1～0.21 MPa-1；土的壓縮性有少量改變，成為低壓縮性土，摻加水泥后可以改變原設計中對換填土的沉降期>6個月的要求，對工期相當有效。

從滲透試驗可以看出：對粘粒含量偏低和不均勻的土料通過摻加定量水泥后，滲透系數得到一定的改善，但改善較小。粘粒含量為6%-7%的土料摻加4%水泥進行施工，對粘粒含量為7%-9%的土料摻加3%水泥進行施工，對粘粒含量為9%-11%的土料摻加2%水泥進行施工碾壓后土料滲透系數<1×10-4cm/s的要求。

干密度結果：未摻加水泥土料最大干密度1.76 g/cm3，摻加水泥后土料最大干密度1.78 g/cm3。

素土鋪設25 cm、30 cm厚在碾壓5遍后干密度均>1.72 g/cm3，可滿足壓實度98%的指標要求，鋪設35 cm厚時部分壓實度不能滿足98%的指標要求。

水泥土鋪設30 cm厚在碾壓5遍均可達到干密度>1.73 g/cm3，可滿足壓實度>98%指標要求。

水泥土鋪設35 cm厚在碾壓5遍部分干密度達不到1.73 g/cm3，小部分滿足不了壓實度>98%指標要求。3.5設計參數的確定

根據試驗結論，摻加水泥后，土體性能發生了變化，可滿足砂質渠坡換填的施工要求。經與設計、監理、業主多方研究討論，并經專家咨詢，最終設計發文確定：對粘粒含量為6%～7%的土料摻加4%水泥，對粘粒含量為7%～9%的土料摻加3%水泥，對粘粒含量大于9%的土料摻加2%水泥；控制指標為：壓實度>98%、滲透系數<1×10-4cm/s，含水控制在最優含水率3%范圍內，鋪土厚度以30 cm為宜。

4.水泥改性土施工

4.1 水泥改性土施工情況

按照河南省水利勘測設計研究有限公司下發的《南水北調中線一期工程總干渠鄭州2段鄭2-1標段高地下水砂質渠道換填段水泥改性土換填設計變更報告》，于2011年6月20日開始組織施工。

施工工藝流程為渠道底部第一層采用集中拌制工藝：渠道底部第一層水泥改性土的填筑因受20 cm厚粗砂墊層影響，采用路拌法拌和有可能會破壞下部粗砂排水墊層，因此采用集中拌合的方式，即在料場摻加水泥后采用路拌機進行充分拌和后，用PC240反鏟裝車，20 t自卸汽車運到換填施工段，虛鋪厚度為30 cm，推土機進行攤鋪平整后，用20 t振動碾壓5遍，完成后進行干密度檢測。

路拌法施工方法為渠道底部第二層以上以及渠坡換填采用路拌法進行施工。路拌法現場拌制工藝：備土（灑水悶料）、攤鋪土→碎土→灑水悶料→整平→擺放攤鋪水泥→拌合→整形→碾壓→養生→邊坡刨毛、粗修、精修。

測量放線：放線內容主要包括控制點的設置、渠道的軸線及平面位置的放線、高程的控制。主要需要對換填水泥土的位置邊線進行準確定位。

土料裝運：土料的裝運采用挖掘機與20 t自卸汽車進行土料的裝運。

備土、攤鋪：填筑施工前，現場土料含水率根據擊實試驗得出的最優含水率進行調整，填筑土料含水率應滿足最優含水率±3%要求，以控制在高于最優含水率1.5%左右為宜。

渠道填筑分段分層進行，分段長度按照200 m控制，每層攤鋪厚度為30 cm。采用自卸汽車運輸卸料，攤鋪采用T220推土機平整，并人工輔助平整。

卸料采用進占法，并且邊卸料邊用推土機攤鋪平整，避免對已碾壓層面的擾動和剪切破壞。土料攤鋪時斜坡填筑邊線按照外側超出設計邊線50 cm控制，填筑總寬度為5.24 m

碎土、雜物清理：土料上至填筑面后對土塊進行人工碎土，將填筑斷面內大粒徑土料全部剔除。

灑水：攤鋪完成后，層面若出現長時間晾曬，表層含水率不滿足要求時應進行灑水。灑水應均勻，防止出現局部水分過多現象。

水泥攤鋪：水泥攤鋪采用路拌法施工。

路拌法施工工藝：在土料攤鋪平整后，首先計算出單位面積水泥用量，據此在填筑面上劃分網格，單個網格面積的大小以每格放置1袋（每袋水泥重50 kg）水泥。擺放水泥經確認無誤后將水泥倒在換填區然后人工用刮板或鐵鍬均勻攤開，水泥的攤鋪超出設計邊線10 cm即可，攤鋪均勻后，然后用輪式穩定土拌和機進行拌和。

土料拌和：拌和過程中設專人跟隨拌和機，隨時檢驗混后料含水率和拌和深度，為保證拌和層與下層的粘結，拌和深度宜深入下層至少3～5 cm。嚴禁在拌和層底部留有素土“夾層”。輪式拌和機拌和完成的標志是混合料應達到色澤一致，沒有灰條、灰團和花面，由于本工程土料均為砂性土，基本沒有土塊，拌合一遍即可拌合均勻。通過EDTA滴定試驗檢測，均勻性滿足要求。

整形：土料拌合完畢后采用推土機整平。

水泥改性土碾壓：拌合整形完成后碾壓采用20 t凸塊振動碾進行碾壓，振動碾壓5遍后進行取樣檢測。碾壓在本單元拌合平整完成后立即進行，保證在從攤鋪到碾壓完成4 h內完成。碾壓方式采用搭接法進行碾壓，振動碾平行于渠道方向行走。

取樣檢測:碾壓完成后，進行干密度檢測，檢測取樣采用環刀法進行干密度檢測，填筑水泥改性土料的壓實度按不小于98%控制。

養生:水泥改性土填料壓實后的強度增長與養生條件關系密切。分層施工時，在下層施工完成，經質檢監理驗收合格后應立即鋪筑上層土料，對于需要停止不能及時施工的，禁止施工車輛通行并經常進行灑水保濕養生7 d，不得使水泥改性土表面干燥，也不能忽干忽濕，水泥改性土養生方法宜采用灑水車或覆蓋薄膜的方式進行養生。

削坡:為保證碾壓密實，鋪料過程中邊坡側多填筑50 cm分兩次進行，第一次每填筑3層高左右使用人工輔助反鏟進行邊坡初步修整，第二次在渠道襯砌前使用反鏟對邊坡進行精修。由于超填部分受摻加水泥的影響，對超填筑的50 cm土料削坡后只能作為棄料運輸到JQ1-2渣場。

分段間有高差的連接，以斜面相接，坡度緩于1∶5，并隨填筑面上升進行削坡，并削至質量合格層。

4.2 水泥改性土施工質量檢測情況

目前已完成全部水泥改性土換填施工，經取樣檢測，干密度檢測值為1.83～1.87 g/cm3之間，壓實度全部達到0.98要求，質量合格，滿足設計要求。

5.結語

一是根據設計要求，水泥改性土需要在4 h內碾壓完成。路拌法施工土料的攤鋪時間不計入，施工中按照每段200 m施工強度，可滿足4 h內碾壓完畢的要求，施工進度快。二是由于路拌法在公路界已為成熟工藝，改性土拌合后均勻性較好，根據目測和EDTA-滴定試驗檢測，均勻性滿足要求。三是低摻量水泥對土料的改性效果明顯，且成本較低，用于高地下水位地區保護邊坡不被地下水侵蝕破壞，同時可以縮短沉降期，達到縮短工期、施工方便的目的。