淺談水泥改性土法在南水北調中線膨脹土渠段處理中的應用

姬永立 王 宇

淺談水泥改性土法在南水北調中線膨脹土渠段處理中的應用

姬永立 王 宇

南水北調中線干線工程全長1400多千米，干渠沿線經(jīng)過膨脹土（巖）、黃土、易振動液化砂土區(qū)域，工程地質極其復雜，處理難度、工程量及投資較大。本文結合南水北調中線一期工程沙河南～黃河南滎陽段膨脹土渠段水泥改性土法施工處理工藝，淺談水泥改性土法在南水北調中線干線工程膨脹土渠段處理中的應用。

一、膨脹性巖土特點及水泥改性土法的應用

南水北調中線一期總干渠滎陽段渠線所處地貌單元為黃（河）淮（河）沖積平原，其上分布有河谷和崗地，沿渠線范圍內地勢總體呈西高東低、南高北低。沿線地表至渠底下5m范圍內地層主要由黃土狀粉質壤土及重粉質壤土構成，僅在樁號XYD0+003～XYD1+828段下部分布有粉質粘土、卵石及上第三系砂巖。結構類型有黃土狀土均一結構、粘性土均一結構和上粘性土為主下軟弱巖結構三種，并以黃土狀土均一結構為主。樁號XYD0+003～XYD1+343段粉質粘土（dlplQ2）具中等膨脹性，多位于渠底以上，部分位于渠底，其脹縮變形將導致渠道破壞、邊坡失穩(wěn)。

膨脹性巖土主要有強親水粘土礦物組成，是膨脹結構、多裂隙性、強脹縮性和強度衰減性的高塑性土。在天然狀態(tài)下處于相對飽和狀態(tài)，對氣候和水文因素有較強敏感性，最主要表現(xiàn)為“遇水膨脹，失水收縮”，在南水北調中線工程中主要有以下危害：影響渠坡穩(wěn)定，產(chǎn)生牽引式淺層滑坡或形成由結構面控制的深層滑坡；膨脹土巖變形時對渠道襯砌和其他結構產(chǎn)生破壞，造成渠道漏水，進一步危害渠坡穩(wěn)定。

水泥改性土是將一定比例的水泥摻入膨脹土土料中以改善膨脹土的性質和結構，使其喪失膨脹潛能，并在一定程度上提高土體強度和承載能力。在南水北調中線工程施工中可以直接將水泥摻入弱、中膨脹土渠道開挖料進行拌制，就地取材方便，廣泛應用于南水北調中線干線膨脹土渠段處理。

南水北調中線一期總干渠沙河南～黃河南滎陽段工程范圍內膨脹土渠段采用水泥改性土法進行施工處理，主要技術指標為：水泥改性土采用42.5級普通硅酸鹽水泥與非膨脹土渠段開挖料摻和拌制，水泥摻入量參考量為3%，具體現(xiàn)場根據(jù)試驗情況確定，水泥土換填壓實指標不小于93%。

二、水泥改性土施工工藝

1.填筑前渠段開挖施工

膨脹土渠段開挖施工前在施工范圍內修筑防洪堤并在堤頂設截流溝，集中抽排，防止坡頂雨水下滲或沖刷開挖坡面，保證作業(yè)面干地施工。

開挖過程中盡量減少外部因素對渠道基面的影響，開挖時預留保護層，保護層開挖采用人工配合挖掘機進行。用挖掘機在坡面上每隔10m開挖出樣槽然后按樣槽進行保護層開挖，挖掘機開挖方向垂直于渠道軸線，由上至下順坡進行開挖，土料攏集于坡下后，裝車運至指定地點。

每一段保護層剝離后、下道工序施工前，需對坡面進行覆蓋防護。覆蓋時，采取上部膜壓下部膜的方法，相鄰塊的搭接不小于1.0m，用土袋壓蓋，要做到全面覆蓋不留死角。坡頂?shù)姆雷o范圍較坡腳的防護范圍適當加大，坡頂盡量覆蓋至周邊排水溝邊。

2.水泥改性土填筑施工

現(xiàn)場生產(chǎn)性碾壓試驗是確定水泥改性土填筑相關施工技術參數(shù)的關鍵，目的在于核查土料壓實干密度、查壓實機具的性能、鋪土方式、鋪土厚度、填筑含水率、壓實方法和碾壓遍數(shù)以及有關質量控制的技術要求和檢測方法。

通過生產(chǎn)性試驗確定該段工程采用進占法卸料，推土機攤鋪，鋪土厚度為30cm（±2cm），20t凸塊振動碾碾壓10遍（靜壓2遍、強振8遍），平行于渠軸線方向碾壓，行車速度控制在2～4km/h以內。

施工程序：選擇土料→碎土→水泥土拌制→運輸→攤鋪→碾壓→取樣檢測→削坡。

（1）土料選擇及碎土

對用于填筑的原渠道開挖土料場進行復勘，查明料源工程力學特性，包括抗剪強度指標、天然含水量、粘粒含量、塑性指數(shù)、自由膨脹率、最優(yōu)含水量、最大干密度等。根據(jù)料源及水泥摻量進行室內標準擊實試驗，測定水泥改性土的最優(yōu)含水率及最大干密度，用于水泥改性土拌制的土料自由膨脹率應不大于65%，土料最大粒徑不大于10cm,10～15cm粒徑含量不大于5%，5～10cm顆粒含量不大于50%。土料的最優(yōu)含水率由試驗確定，含水率變化控制范圍在+1%～+3%之間。

使用穩(wěn)定土拌和機拌制水泥改性土時需要將土料破碎，碎土設備選在土源拌和場內進行，碎土前剔除土料內粒徑大于10cm的鈣質結核或土塊。碎好的土料最大粒徑不大于10cm，采用裝載機上料碎土、攏堆，塑料布臨時覆蓋。

（2）水泥土拌制

通過試驗測定，一般情況下弱膨脹土摻3%水泥量、中膨脹土摻6%水泥可滿足改性要求。結合該工程實際，水泥采用河南太陽石水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5散裝普通硅酸鹽水泥，水泥摻入量為3%。

水泥改性土采用廠拌法施工，配置WBZ500型穩(wěn)定土拌合站。

碎好的土料用裝載機送至穩(wěn)定土拌合機集料斗。為保證土料質量，在集料斗上口設置篩網(wǎng)，每個小網(wǎng)格邊長不大于10cm，以過濾掉粒徑不合格的土料。充分拌合，出料后，取樣進行均勻性檢測。均勻性采用水泥含量標準差控制，用EDTA滴定法測定水泥含量，平均值不得小于設計摻量。水泥改性土水泥含量標準差不得大于0.7。

（3）水泥土運輸、填筑前準備工作

用ZL50裝載機裝料、20t自卸車運輸至填筑工作面，采用“進占法”卸料。

水泥土填筑施工前要進行基面清理和驗收，表層樹木、草皮、樹根、垃圾、棄土、淤泥、腐殖質土、廢渣、泥炭土等不合格土全部清除。檢測基面的坡面，驗收后，回填前需用20t凸塊碾進行基面拋毛處理，按規(guī)定要求不少于5遍，并灑水濕潤。

填筑首先對填料進行含水率的檢測，若填料含水率大于最優(yōu)含水率，則采取翻挖晾曬的方法，采用旋耕犁將填筑土料進行翻挖、晾曬，待達到最優(yōu)含水率時再進行碾壓；若填料含水率小于最優(yōu)含水率，應及時對填筑面和填筑層進行灑水養(yǎng)護，防止水泥改性土砂化，按照檢測的實際含水率推算出補水量，然后采取灑水車補水的辦法調整含水率至最優(yōu)含水率，然后進行碾壓。通過以上措施對填料的含水率進行控制，保證填筑的施工質量達到設計及規(guī)范要求。

渠底的寬度為18～20m，每100m一段，采用填一條帶碾壓一條帶取樣一條帶連環(huán)作業(yè)法進行施工，用20t凸塊振動碾碾壓。

渠坡填筑每層填筑前，先用推土機開蹬，然后用裝載機把余料裝運出現(xiàn)場；每一層測量放樣一次，每5～10m釘一木樁，填筑邊線按設計邊線超填0.7～0.9m，對邊角接頭處大型機械碾壓不到、易漏壓的地帶由人工采用硅夯或小型振動碾設備夯實。

（4）水泥土攤鋪、碾壓及檢測

采用推土機鋪料、整平。為保證碾壓機械的工作面、確保邊角壓實度，鋪土邊線在水平距離上要進行超填。

采用20t凸塊振動碾進行碾壓。振動碾沿渠道軸線方向前進、后退全振錯距法碾壓，碾跡重疊不小于20cm。碾壓速度控制在2～4km/h范圍內，開始碾壓時宜用慢速。

為確保外坡腳壓實度，并考慮碾壓機械工作面，水泥改性土鋪料時需超填，超填土料按1∶1.5坡比放坡，超填部分作為填筑層的保護層，在渠道襯砌施工前削坡修整至設計邊坡輪廓。

改性土填筑施工超填的余料用自卸汽車運輸至指定位置堆存，不再用于任何渠坡?lián)Q填部位及堤外包填筑體部位的回填。

水泥改性土壓實度采用環(huán)刀法在試坑中下部取樣檢驗，每層填土完成碾壓后，宜在4h完成質量檢測，水泥改性土壓實度應不小于95%，取樣最小值應不小于設計值，不合格樣不得集中在局部范圍內。

（5）水泥土削坡

在換填完成后，人工配合挖掘機進行削坡。由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，裝車運至拌和場進行再次拌和，用于設計或有關技術要求允許使用的部位，使削坡余料得到最大限度的利用。削坡時預留5～10cm的薄土層。預留的薄土層削坡時，將挖掘機斗齒前焊接一塊厚約20mm的鋼板作為“刮板”，長度同挖掘機斗寬，寬度約為15cm，前緣與斗齒齊平，開挖方向垂直于渠道軸線，沿坡長自上而下的將預留的薄土層刮除，人工用平頭鐵鍬將坡面遺留的松土清至挖掘機附近，隨“刮板”攏堆。在坡面上釘木樁，每5m作為一個斷面，按坡度放樣，在樁位上固定尼龍線，掛線后進行釘樁加密，人工進行坡面整理，直至坡面平整度和坡度符合規(guī)范要求。

3.雨季施工

水泥改性土應盡量避免雨季施工，確需在雨季進行水泥改性土換填施工的，應特別注意天氣變化，對已攤鋪的工作面應盡快碾壓密實、封面并進行防雨覆蓋，以防表面積水。下雨時用彩條布遮蓋防雨，并及時疏導雨水，防止浸泡。如出現(xiàn)滑坡區(qū)域，應及時挖除，防止二次滑坡的出現(xiàn)及滑坡范圍的進一步擴展。

雨后恢復施工，填筑面應經(jīng)晾曬、復壓處理，必要時對表層進行清理，待填筑面含水量調整至合格范圍內，才能復工；雨季停工前，土體表面設置松土保護層，復工前予以清除。

三、水泥改性土施工控制要點

水泥改性土換填過程中，填筑時采用進占法施工，渠坡?lián)Q填時，為減少運輸車輛對填筑面的反復碾壓。每層填土完成碾壓后，宜在4h完成質量檢測，在6～8h內完成上層土覆蓋。如不能及時進行跟進的，要對填筑面和建基面做好防雨和保濕施工期的保護措施，并禁止大型施工機械設備行駛。

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。填筑前在原渠坡上逐層進行開蹬處理。

在制備水泥改性土時應嚴格按照試驗參數(shù)進行拌制，嚴格進行檢測。水泥改性土拌制完成后，需要在現(xiàn)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。

水泥改性土最優(yōu)含水率根據(jù)各區(qū)土料的相應數(shù)值，攤鋪時水泥改性土的含水率宜高于最佳含水率的+1.0%～+3.0%，以補償在攤鋪及碾壓過程中的水分損失。

銜接部位填筑應在渠道斷面方向超填土料削除之前完成，填筑時應清除較早填筑體沿渠道方向的超填土料；被改性土和改性土水泥摻量相同的渠段之間結合面坡度不應小于1∶6；不同改性土料、不同水泥摻量的改性土結合面坡度不應小于1∶10。

四、結語

水泥改性土法相對于粉煤灰改性、土工格柵、土工袋加筋及土工膜封閉覆蓋技術，水泥改性土能很好地降低膨脹土的脹縮性，提高膨脹土的強度和壓縮模量，是一種較好的膨脹土改性劑；隨著水泥摻量的提高，其膨脹性減小，且就地取材方便，在膨脹土渠段可以快速、大規(guī)模地開展水泥改性土法施工

（作者單位：河南省水利第一工程局450000 中水淮河工程有限責任公司230000）