富水山區水泥改性膨脹土施工關鍵技術研究

黃朱盛 許康 龍一平

1.北京市政路橋股份有限公司 工程總承包一部 北京 100067

2.貴州省天柱公路管理段 貴州 黔東南州 556600

膨脹土是一種具有顯著脹縮性的非飽和土，在我國有著廣泛的分布[1]，遍布鄂、川、桂、豫等多個省，導致工程建設中出現極大的經濟、資源損失，所以，其工程問題一直很受關注。我國高等級公路建設及路網連接線等提級改造越來越多，為保證高等級公路道路指標，公路路線不得不通過有膨脹土的地區，富水山區膨脹土的病害尤其突出，諸如坍肩、沉陷、坍滑、溜塌等。公路工程建設中，國內常用的方法有水泥、摻灰等化學改性法、土工膜法、換填法、漿砌圬工支擋法等，應結合工程經驗因地制宜的選用具體方法。其中，化學改性法因可以就地取材、施工條件的限制較小等優點[2]，同時有對水體污染小的特性，廣泛應用于公路工程的建設中。化學改性法是通過在膨脹土內摻入有效的固化劑，使其與膨脹土內部顆粒進行作用，能降低膨脹土的膨脹性以及膨脹土的吸水性，提高膨脹土的強度，從而達到施工需要的條件[3]，其中以水泥摻入膨脹土的水泥改性法是改良膨脹土最常用的方法。

本文以地處富水山區的鄂西北某公路工程的弱膨脹土水泥改性填筑施工為例，對富水山區的水泥改性施工過程中室內試驗、現場碾壓試驗段、分層填筑施工技術等關鍵施工技術進行研究與總結。

1 水泥改性膨脹土機理

當水泥摻入到膨脹土中后，會引起水泥的水解和水化反應，產生水泥水化物。一部分水泥水化物與黏土顆粒發生相互作用，水泥水化物中的氫氧化鈣又與二氧化碳發生碳化作用，經過這些反應與相互作用后，改變了膨脹土的原有性質[4]，使膨脹土的脹縮性能及水穩定性得到改善，從而達到路基填料的要求。這是因為隨著水泥摻入量增加，水化反應產生更多的水化產物與土顆粒發生團聚，土顆粒之間逐漸黏聯形成體積較大的絮狀物或者絮狀體，土顆粒間的孔隙被絮狀物逐漸填充，孔隙體積減小[5]。

2 工程概況

本項目有全挖方段、半挖半填及全填方段，均位于弱膨脹土區，山體河道常年有水，降雨較多，地下富水，線路依山傍水修建，水泥改性土回填工程量約20萬立方米。因此，富水的特點對富水山區路基填筑施工質量提出了更高的要求。

依據設計要求，改性材料選擇P.O42.5水泥，摻水泥比例參考3%-4%，原土采用弱膨脹土自由膨脹率（40%≤δef＜65%），不可采用中或強膨脹原土，改性后要求的自由膨脹率（δef＜40%）。

本文將通過室內試驗確定合理的水泥摻入量，通過現場碾壓試驗，優化施工壓實參數，結合實際施工過程，介紹水泥改性膨脹土分層填筑施工等施工關鍵技術。

3 水泥改性膨脹土室內試驗

3.1 試驗目的

在工地實驗室進行室內試驗的主要目的是確定相關技術參數，為改性土拌合施工提供合理指導意見。

3.2 試驗過程及成果整理

在室內，在膨脹土中摻入不同含量的水泥，研究水泥改性膨脹土最大干密度和自由膨脹率的變化與水泥摻入量的關系。試驗土樣采用現場工作面土樣，進行了原土樣自由膨脹率試驗，得到自由膨脹率為64%，依據規范要求屬于弱膨脹土。

水泥采用三峽P.O42.5普通硅酸鹽水泥，本次試驗在室內測定土樣的天然含水率，其天然含水率為25.8%，本次試驗在室內采用篩分法對土樣顆粒進行分析。

本次試驗在室內測定土樣的界限含水率，測定結果分別為：液限55.9，塑限25.9，塑性指數30。依據該土樣界限含水率與顆粒分析判定其屬于含礫高液限粘土。

在水泥作為固化劑改性膨脹土時，水泥的摻入比例應控制在4%～10%之間[6]，試驗過程中，室內對土樣分別摻入0%、3.0%、3.5%、4.0%水泥進行擊實試驗，得出技術指標如下表1。

表1 技術指標

在工地試驗室配置摻水泥量分別為1%、2%、3%、4%、5%的水泥改性土土樣，采用EDTA滴定法進行試驗檢測。

在室內對土樣按最佳含水率分別摻入3.0%、3.5%、4.0%水泥，用擊實儀分別制作試樣各3個，脫模后分別裝入塑料袋養護，在擊實成型后第7天，分別取每組試樣中的1個試樣，整個放入烘箱烘干后碾碎，再通過過0.5mm篩，然后參照SL237-024-1999中自由膨脹率試驗方法操作。在擊實成型后第28天，分別取每組剩余的2個試樣檢測自由膨脹率。

檢測試樣7天與28天的自由膨脹率，試驗結果如下表2。

表2 7天與28天的自由膨脹率試驗結果

在室內對土樣按最佳含水率分別摻入3.0%、3.5%、4.0%水泥，制備給定密度的環刀試樣，做變水頭滲透試驗，現經過7天試樣均未出現滲水現象。

3.3 試驗結論

通過上述試驗得出結論：取土場土樣為弱膨脹土，當土樣分別摻入3.0%、3.5%、4.0%三峽牌P.O42.5水泥后，其改性后各項試驗結果均符合規范及設計要求，可用于回填碾壓。考慮到富水山區特殊氣候、經濟合理和節約成本等，現推薦摻入3.0%的水泥，施工時土體的天然含水率控制在最佳含水率±2%范圍。

4 現場碾壓試驗選定合理壓實參數

通過現場碾壓試驗，選定合理施工壓實參數：松鋪厚度多少、壓實方法和壓實遍數多少、最佳含水率多少。

現場碾壓試驗施工工藝選擇30㎝、40㎝、50㎝三種不同的松鋪厚度，碾壓時采用進退錯距法進行施工，如下表3。

表3 松鋪厚度及碾壓遍數一覽表

根據碾壓試驗成果分析，松鋪厚度40cm時，采用碾壓四或六遍，所檢測的壓實度均超過96%，壓實度合格率為100%，達到設計規定值。40cm碾壓四或六遍成果見下表4。

表4 0cm碾壓4、6遍成果表

根據上述成果分析可知，從天然含水率、施工工期及填筑壓實度要求方面綜合考慮，推薦選擇以下兩種方案進行現場回填施工：

1、松鋪厚度40㎝，先靜壓兩遍，再振動碾壓四遍。

2、松鋪厚度40㎝，先靜壓兩遍，再振動碾壓六遍。

以上兩種施方案均要求將現場含水率控制在20%～23%，推薦現場回填碾壓參數詳見下表5。

表5 現場回填碾壓參數表

5 分層填筑施工關鍵技術

按設計和相關規范要求，對開挖基礎面進行大小尺寸、填前高程、平整度以及基底壓實度等有關內容的檢查，經項目自檢合格并通過監理單位驗收合格后方可進行水泥改性膨脹土的填筑施工，施工中注意事項如下：

5.1 備料

水泥改性膨脹土原土料備料來源于現場開挖運至渣場的可利用土，渣場內存放有大量滿足填筑強度的土料。同時采取防雨措施遮擋晾曬、粗碎粒徑合格的土料，在摻入水泥攪拌生產且含水率滿足要求的水泥改性碎土堆料倉搭建遮雨棚。

5.2 土料旋耕破碎及晾曬

目前由于富水山區原料土粒徑較大、水分較多，一般需經晾曬、粗碎合格。首先使用裝載機結合定制的網篩（間距100mm）將原狀土進行篩分，再用推土機在旋耕場內將簡單篩分后的土料進行攤鋪（厚度400mm），然后用旋耕耙在攤鋪料上行走，將粒徑較大的土塊破碎至較小土塊，并晾曬。待土料表層稍干后繼續用旋耕耙旋耕破碎和繼續晾曬，如此反復，直至土料的含水率降低到略高于施工控制含水率范圍為止[7]。

5.3 水泥改性土的拌制與檢測

根據試驗參數來控制土料、水泥的重量并進行充分地攪拌，水泥改性土拌制料檢測合格后，直接裝車運至現場填筑。摻水泥量平均值不得小于設計值（3%），不合格的改性土混合料不得施工。

5.4 運輸

施工時，自卸汽車在拌和站出料口裝滿料后覆蓋防塵布，然后運輸至填筑部位進行施工；水泥改性土檢測合格后的應盡快回填，從出料到回填碾壓結束，時間不宜超過4個小時。

5.5 鋪料

采用“進占法”鋪料，以減少機械對已壓實基礎面或已填筑面碾壓破壞；水泥改性土的含水率宜控制在最佳含水率的±2%，松鋪厚度為40cm。

5.6 碾壓

本項目采用26t凸塊振動壓路機壓，先靜壓兩遍，再振動碾壓四至六遍，碾壓采用進退錯距法，碾跡重疊0.3～0.5m，碾壓速度控制在2～4km/h范圍內，碾壓時，按照“先慢后快，先靜壓、后振動”的操作進行。

為保證碾壓機械的工作面及行走安全、確保邊坡壓實度，路基每側需加寬填筑，邊坡部分與主體一并施工和壓實；需根據天氣和層面干燥情況對層間進行灑水濕潤；用層厚標尺來控制鋪料厚度，每一層進行高程測量。

6 富水山區水泥改性膨脹土填筑施工關鍵技術

富水山區地形起伏溝壑縱橫，且水流水系較豐富，降雨較多，干濕交替頻繁，對工期進度影響較大，同時嚴重影響到施工質量，因此，必須從設計、施工環節綜合考慮合理采用具體措施。

施工線路或場址選擇時，宜選擇地形條件比較簡單，且土質比較均勻、脹縮性較弱的地段，或宜具有排水通暢或易于進行排水處理的地形條件，或宜避開地裂、沖溝發育和可能發生淺層滑坡等地段，或宜避開地下溶溝、溶槽發育、地下水變化劇烈的地段[8]。

應完善排水系統，做到坡腳排水通暢，積水及時清排，避免浸泡，坡頂截水溝優先施工，按設計修整邊坡坡面后，應立即做好邊坡坡面防護施工，防止雨水直接侵蝕坡面，如無法及時施工因在雨前用雨篷布覆蓋坡面。

施工用水應加強管理，并防止管線漏水，水池、水溝、化糞池等滲水，水池、水溝等水工構筑物應符合防漏、防滲要求。

避開雨天施工，來不及回填時應覆蓋防水。路側綠化地帶澆水應控制水量。

宜選用非膨脹土或經改良的弱膨脹土來作為填筑路肩或至路床的填料，回填壓實度不少于96%，填筑高度不足1米的填方路堤，必須填筑非膨脹土，并進行壓實。

路塹邊坡不要按設計線一次開挖到位，沿坡面宜留一層300～500mm厚土體，待路塹開挖施工完畢后再挖除，并及時封閉防水。

7 結語

本項目水泥改性技術的順利實施，為富水山區的水泥改性膨脹土填筑施工提供了一定的借鑒，通過以本項目水泥改性弱膨脹土填筑施工為研究對象，對比、分析試驗結果，可得出結論如下：

1.水泥改性土較素膨脹土的自由膨脹率有明顯降低，自由膨脹率下降最多達44%。2.加大水泥的摻入量能加強膨脹土的改性效果，但當水泥摻量到達一定程度之后，改性效果不好不再明顯，改性土的性質隨著水泥摻量的增大逐漸趨向于穩定[9]。本項目弱膨脹土試驗最佳水泥摻量為3%。3.為保證水泥改性膨脹土填筑施工質量，試驗段得出的合理壓實參數為：松鋪40cm，先靜壓兩遍，再振動碾壓四至六遍。4.實踐證明，水泥處理膨脹土作為回填土可以解決膨脹土邊坡的淺層失穩問題[10]。