南水北調(diào)中線工程輝縣段水泥改性膨脹土工程特性的試驗(yàn)研究

趙凱選

【摘 要】本次試驗(yàn)研究采用摻加水泥改性膨脹土的方法，依托河南水利建筑工程有限公司承建的南水北調(diào)中線工程輝縣段進(jìn)行工藝性試驗(yàn)，采用三種不同水泥摻量的膨脹土進(jìn)行碾壓試驗(yàn)研究。通過碾壓試驗(yàn)，結(jié)果顯示隨著水泥摻量的增加，滲透系數(shù)、抗壓強(qiáng)度并不隨著水泥摻量的增加而增加，筆者認(rèn)為弱膨脹土的水泥摻量在3%～5%范圍內(nèi)較為合理，具體摻量應(yīng)在施工前通過工藝性碾壓試驗(yàn)確定。

【關(guān)鍵詞】水泥摻量；改性膨脹土；試驗(yàn)研究

0 引言

膨脹土既是一種吸水膨脹，失水收縮和往復(fù)脹縮變形的粘土，膨脹土的這些性質(zhì)對(duì)工程建筑的危害極大，公路、擋土墻、邊坡、地下洞室、隧道圍堰和建筑等常常因?yàn)榕蛎浲恋拿浛s、軟化及裂隙而產(chǎn)生開裂、傾斜甚至破壞，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

膨脹土的有效治理非常困難，在工程界，人們往往稱之為“難對(duì)付的土”。目前對(duì)于膨脹土災(zāi)害的防治主要采取土質(zhì)改造與置換、表面防護(hù)、變形防護(hù)等措施。在土質(zhì)改造方法中，工程中應(yīng)用最廣的是在膨脹土中摻加石灰、水泥加以改性。南水北調(diào)中線工程輝縣段擬采用摻入一定量的水泥對(duì)具有弱膨脹潛勢(shì)的膨脹土進(jìn)行改性，消除其脹縮變形對(duì)渠坡和渠基穩(wěn)定不利影響。

1 水泥改性膨脹土試驗(yàn)

本試驗(yàn)研究擬采用摻入4%、5%、6%三種摻量的水泥對(duì)弱膨脹土進(jìn)行改性，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法確定水泥的合適摻量，從而達(dá)到對(duì)該段膨脹土改性的最佳效果，為設(shè)計(jì)水泥摻量提供重要依據(jù)，同時(shí)也為現(xiàn)場(chǎng)施工提供依據(jù)，

1.1 場(chǎng)地平整、測(cè)量放線

測(cè)量人員對(duì)擬定試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行測(cè)量放樣，定出試驗(yàn)區(qū)邊樁位置，每10m設(shè)一高程控制樁，樁高1.5m。采取SD160推土機(jī)清除試驗(yàn)區(qū)基面雜草、亂石、樹根等雜物，清理范圍超出試驗(yàn)區(qū)邊線50cm以上?；A(chǔ)清理完成后，采用PY180刮平機(jī)對(duì)基面進(jìn)行平整，平整完畢后，采用18t光輪振動(dòng)碾碾壓6遍，基面壓實(shí)處理后，平整、密實(shí)。

1.2 土料準(zhǔn)備

土料為備土場(chǎng)渠道換填土料，經(jīng)檢測(cè)備土場(chǎng)土料含水率ω在19～21%之間，當(dāng)進(jìn)行水泥土ωop+2%時(shí)需要補(bǔ)水，當(dāng)進(jìn)行水泥土ωop-2%時(shí)需要進(jìn)行翻曬。試驗(yàn)室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鋪筑的土料取樣檢測(cè)含水量，使每段的土料含水率控制在設(shè)定的含水率，如果含水率偏大，則進(jìn)行翻曬，如果含水率偏低，則補(bǔ)水。

1.3 攤鋪平整

土料開挖采用1m3挖掘機(jī)開挖，15t自卸汽車運(yùn)輸，采用全斷面進(jìn)占法施工，邊角部位人工用鐵鍬鋪平。在土料攤鋪過程中，人工將大土塊、雜物撿除。由于氣溫較高，試驗(yàn)土層鋪土厚度較薄，水分蒸發(fā)量較大，土料含水量損失較快，為保證水泥土含水量在設(shè)定試驗(yàn)含水量范圍內(nèi)。在攤鋪水泥前，對(duì)已平整的土料在進(jìn)行含水量測(cè)定，對(duì)含水量偏小的，在土層上灑水悶料，灑水采用霧化噴淋，灑水均勻，避免局部水分過多。

1.4 水泥攤鋪

水泥存放在現(xiàn)場(chǎng)倉(cāng)庫(kù)，在試驗(yàn)過程中采用人工搬運(yùn)至預(yù)先劃分好的分布地點(diǎn)。為保證水泥摻量，在水泥攤鋪前，對(duì)整平后的土層進(jìn)行干密度檢測(cè)，通過試驗(yàn)測(cè)定出素土干密度，根據(jù)素土干密度計(jì)算每平方米水泥土中水泥的用量，根據(jù)每平方米水泥用量，計(jì)算出每袋水泥攤鋪的面積。根據(jù)每袋水泥攤鋪面積，劃分方格，人工將水泥倒在網(wǎng)格中心，用刮板將水泥均勻攤開，水泥攤鋪完成后，表面均勻、無空白。

1.5 水泥土拌和

在WBY2300E型路拌機(jī)進(jìn)場(chǎng)后，經(jīng)過對(duì)素土拌和試驗(yàn)，WBY2300E型路拌機(jī)拌和深度30～35cm，能夠滿足試驗(yàn)需要。在水泥土拌和時(shí)，拌和2遍，拌和輪跡搭接50cm以上，拌和過程中設(shè)專人跟隨拌和機(jī)，檢查拌和深度，根據(jù)實(shí)測(cè)深度調(diào)整拌和深度，確保拌和深度進(jìn)入下層3cm，以利于上下層結(jié)合，同時(shí)也避免留有素土夾層。水泥土拌和均勻后目測(cè)觀察色澤基本一致，沒有灰條、灰團(tuán)和花面，顆粒粒徑在5cm以下。

1.6 碾壓

拌和完成后，及時(shí)采用平地機(jī)整形。碾壓采用18t光輪振動(dòng)碾碾壓。碾壓時(shí)先靜壓2遍，然后在動(dòng)壓。靜壓時(shí)以1.5～1.7km/h行走，動(dòng)壓時(shí)以2.0～1.7km/h行走，由一側(cè)邊線順軸線方向平行順次碾壓，碾壓過程中由施工員負(fù)責(zé)記錄碾壓遍數(shù)和行駛速度，碾壓時(shí)重疊50cm以上，碾壓均勻，無漏壓。施工人員隨時(shí)檢驗(yàn)?zāi)雺鹤鳂I(yè)面的情況，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。在試驗(yàn)過程中，通過對(duì)碾壓作業(yè)面的跟蹤觀察，水泥土碾壓在不同含水量時(shí)，均未出現(xiàn)彈簧現(xiàn)象。

1.7 維護(hù)養(yǎng)生

碾壓完成后，灑水養(yǎng)生采用霧化噴淋措施，灑水完畢后及時(shí)用塑料薄膜覆蓋養(yǎng)生，養(yǎng)生期間控制水泥土濕度。由于試驗(yàn)期間雨水較多，雨水過后，及時(shí)派人排除塑料薄膜上面的積水，避免雨水進(jìn)入工作面。

1.8 試驗(yàn)檢測(cè)

土料攤鋪前，檢測(cè)土料含水率，如果土料含水率偏大，則進(jìn)行翻曬，翻曬在備土場(chǎng)進(jìn)行；如果偏小，則進(jìn)行灑水補(bǔ)水。通過試驗(yàn)，土場(chǎng)現(xiàn)有土料，在ωop+2%試驗(yàn)時(shí)，需要補(bǔ)水；在ωop-2%時(shí)，需要翻曬。

水泥土拌和完成后，及時(shí)進(jìn)行取樣，送試驗(yàn)室進(jìn)行水泥劑量檢測(cè)，水泥劑量檢測(cè)采用EDTA滴定法，每層檢測(cè)6組。經(jīng)檢測(cè)水泥劑量滴定平均值為：4%水泥土滴定數(shù)值在3.9～4.0%，5%水泥滴定數(shù)值在5.0～5.4%，6%水泥滴定數(shù)值在6.0～6.5%；水泥含量標(biāo)準(zhǔn)差（4%水泥土滴定標(biāo)準(zhǔn)差在0.2～0.5，5%水泥滴定標(biāo)準(zhǔn)差在0.3～0.6，6%水泥滴定標(biāo)準(zhǔn)差在0.1～0.3）均不大于0.7。

碾壓完成后，進(jìn)行環(huán)刀取樣及高程數(shù)據(jù)采集，檢測(cè)壓實(shí)度及沉降量。在各個(gè)試驗(yàn)塊范圍內(nèi)碾壓3遍、5遍、7遍后分別取樣，每層按照碾壓試驗(yàn)方案確定取樣點(diǎn)均勻分布進(jìn)行取樣，以檢測(cè)干密度和壓實(shí)度。

在合格的層面進(jìn)行滲透系數(shù)檢測(cè)，同時(shí)根據(jù)3天、7天和28天不同的齡期，進(jìn)行軟化系數(shù)檢測(cè)，每個(gè)齡期取樣不少于2組；滲透系數(shù)、軟化系數(shù)選擇壓實(shí)度合格的層面進(jìn)行檢測(cè)。[1]

2 水泥改性膨脹土試驗(yàn)研究分析

2.1 碾壓遍數(shù)與壓實(shí)度

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理分析及3種碾壓遍數(shù)組合結(jié)束后對(duì)壓實(shí)層表面的觀察，當(dāng)采用4%的水泥摻量，鋪土厚度28cm，碾壓遍數(shù)為靜2動(dòng)3，含水率控制在16.5%～18.5%時(shí)，土層壓實(shí)度能夠滿足0.98的壓實(shí)度要求，且不會(huì)對(duì)壓實(shí)層表面產(chǎn)破壞。

2.2 水泥土松鋪系數(shù)的確定

通過對(duì)高程數(shù)據(jù)整理、計(jì)算，在特定水泥摻量時(shí)，不同鋪土厚度、含水率時(shí)的不同碾壓遍數(shù)的松鋪系數(shù)為1.04～1.09。

2.3 滲透系數(shù)、軟化系數(shù)

根據(jù)不同水泥摻量、不同含水率的滲透系數(shù)、軟化系數(shù)（3d、7d、28d）進(jìn)行了測(cè)定，摻入水泥后，土體隨著齡期的增長(zhǎng)強(qiáng)度提高，土體結(jié)構(gòu)得到改善，對(duì)渠道填筑邊坡穩(wěn)定十分有利。在相同養(yǎng)護(hù)天數(shù)下，隨著水泥摻量的提高，土體強(qiáng)度、滲透系數(shù)并無明顯變化。

2.4 路拌機(jī)的性能檢驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用WBY2300E路拌機(jī)，拌和寬度2300mm，與輪寬一致；在拌和深度上，實(shí)際拌和深度30～35cm，本次試驗(yàn)為28cm、25cm，能夠滿足深入下層3cm的技術(shù)要求。

2.5 壓實(shí)遍數(shù)與沉降量關(guān)系

4%、5%、6%不同的三種水泥摻量，在碾壓遍數(shù)相同時(shí)，沉降量相差不大，總沉降量隨碾壓遍數(shù)的增加而增加，但沉降趨勢(shì)減小。在靜2動(dòng)5、靜2動(dòng)7碾壓遍數(shù)時(shí)，4%摻量的沉降量最大。

2.6 素土、水泥土含水量變化值

在拌和水泥土前應(yīng)對(duì)素土含水量進(jìn)行測(cè)定，在素土含水量高出水泥土最優(yōu)含水量1.9～3.2%進(jìn)行拌制易滿足壓實(shí)度要求，當(dāng)素土含水量低于水泥土最優(yōu)含水量時(shí)，應(yīng)該對(duì)土料進(jìn)行補(bǔ)水，避免盲目拌和水泥土，造成浪費(fèi)。

3 結(jié)語

通過對(duì)4%、5%、6%三種水泥摻量膨脹土的改性試驗(yàn)研究，最終確定了當(dāng)水泥摻量為4%、鋪土厚度為25cm、28cm時(shí)，壓實(shí)度能夠滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)膨脹土的有效治理，而且便于現(xiàn)場(chǎng)施工控制，該項(xiàng)成果被最終用于工程實(shí)體。南水北調(diào)中線工程運(yùn)行1年以來，膨脹土處理渠段運(yùn)行平穩(wěn)，為一渠清水千里北送提供了強(qiáng)有力的保證。

【參考文獻(xiàn)】

[1]侯永峰，龔曉南.水泥土的滲透特性[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2000，34（2）：189-193.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]