南水北調(diào)中線換填弱膨脹水泥改性土碾壓工藝試驗研究

□艾東鳳（河南省水利第二工程局）

一、引言

南水北調(diào)中線一期總干渠膨脹土試驗段工程(南陽段)是中線總干渠工程的一部分，位于陶岔～沙河南段南陽市境內(nèi)，全長2.05km，其中樁號100+500～101+850為弱膨脹土渠段，樁號101+850～102+550為中膨脹土渠段。渠道設計流量為340m3/s，加大流量為410m3/s，設計水深7.5m，加大水深8.23m。設計斷面為半挖半填渠道和挖方渠道，采用梯形斷面，縱坡比為1/25000，邊坡系數(shù)1：2.0，渠底寬22m，最大挖深約19.2m，最大填高約5.5m。試驗段布置有城-A級跨渠公路橋及公路-Ⅱ級生產(chǎn)橋各1座。

二、試驗目的

根據(jù)現(xiàn)場試驗方案，將試驗段劃分為：填方試驗區(qū)、弱膨脹土挖方試驗區(qū)和中膨脹土挖方試驗區(qū)，共分13個亞區(qū)。每個亞區(qū)長80～120m，根據(jù)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，研究適合膨脹土渠道開挖、回填碾壓、地基處理的施工技術(shù)與工藝，確定影響施工質(zhì)量的控制指標。

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(jié)構(gòu)和化學成分，從而改變了膨脹土的物理力學性質(zhì)，通過水泥與膨脹土的離子交換及團?；饔谩⒂材磻疤妓岱磻?，可以有效地改良土的膨脹性。

按照試驗研究要求和施工合同文件約定，選定試驗段“填Ⅱ區(qū)”至“臨時蓄水池”之間的渠道場區(qū)內(nèi)布置填筑碾壓施工工藝試驗場地，開展了弱膨脹水泥改性土土樣擊實、碾壓遍數(shù)、弱膨脹土水泥改性拌和、利用料復核等施工工藝試驗，并在邊坡填筑試驗場進行了渠坡?lián)Q填弱膨脹水泥改性土施工工藝試驗，取得用以指導渠道換填弱膨脹水泥改性土施工的填筑碾壓施工參數(shù)。

三、弱膨脹水泥改性土主要試驗

（一）試驗準備

首先在總干渠樁號Z100+760～Z101+110內(nèi)布置試驗場地，對場地進行清理和平整后，在其上攤鋪一層厚約30cm的弱膨脹土墊層料做試驗基層，并用20t振動平碾對其碾壓10遍。每區(qū)試驗面積均為6m×10m，試驗場布置區(qū)的平整度不超過5cm。從渠道弱膨脹土Ⅲ區(qū)試驗場開采試驗土料，運至試驗場堆土區(qū)，翻曬至最優(yōu)含水率后備用。水泥采用復合硅酸鹽水泥（P.C32.5）。

（二）弱膨脹土機械選型碾壓試驗

使用20t的凸塊碾和20t汽胎碾，分別對鋪填厚度為30cm，含水率約22%的弱膨脹土土料按照設計規(guī)定的碾壓遍數(shù)（8遍）進行碾壓試驗。根據(jù)碾壓后土料最大干密度大小，確定最佳碾壓機械，并用于后續(xù)試驗中。試驗結(jié)論如下：20t汽胎碾碾壓區(qū)Ⅱ-1-②試驗塊區(qū)的平均含水率為22.2%，平均干密度為1.47g/cm3；20t凸塊碾碾壓區(qū)Ⅱ-1-①試驗塊區(qū)的平均含水率為21.5%，平均干密度為1.59g/cm3。此次試驗檢測成果表明，在同樣的試驗條件下，對同一種土料使用20t凸塊碾進行壓實的效果較好。

（三）弱膨脹土水泥改性拌和工藝試驗

對水泥摻量嚴格控制在4%、拌和前含水率嚴格控制在20.8%的弱膨脹土，使用路拌機分別拌和2～6遍后，在試驗場區(qū)中部分別取樣6個(每次拌和后的取樣點在同一位置)，測定弱膨脹土水泥改性土中水泥摻量的均勻度。試驗結(jié)果如下：弱膨脹土水泥改性工藝試驗中，水泥在拌和2～3遍的均勻性較差；4～5遍拌和均勻性逐漸趨于穩(wěn)定，拌和6遍的與標準曲線上的水泥劑量較接近，水泥劑量檢測結(jié)果均＞設計4%摻和量。

（四）渠坡?lián)Q填弱膨脹土水泥改性土碾壓機械選型工藝試驗

對2組水泥摻量均嚴格控制在4%、采用設計要求的弱膨脹土土料分2個區(qū)鋪土，2組試驗使用路拌機分別拌和4遍、拌和3遍后根據(jù)拌和前含水率，考慮兩組試驗4個百分點的含水率損失，對2組試驗土料加水至水泥改性土設計要求的含水率范圍內(nèi)。測定2組3遍、4遍的弱膨脹土水泥改性土中水泥摻量的均勻度，4遍拌和全部完成后，用裝載機將拌和完成后的土料鏟至1：2的邊坡填筑試驗場。兩組鋪土厚度均為30cm，分別采用20t凸塊碾和20t振動平碾對兩組試驗碾壓8遍，測其含水率和水泥含量。試驗結(jié)論如下：本次兩組弱膨脹土水泥改性工藝試驗中，水泥3遍拌和均勻性逐漸趨于穩(wěn)定，拌和4遍的與標準曲線上的水泥劑量較接近，水泥劑量檢測結(jié)果平均大于設計4%摻和量，碾壓后水泥劑量檢測結(jié)果偏小。碾壓區(qū)弱膨脹土水泥改性土機械選型試驗塊區(qū)20t振動平碾碾壓區(qū)的壓實度為98%；20t凸塊碾碾壓區(qū)的壓實度為96%。

（五）渠坡?lián)Q填弱膨脹水泥改性土碾壓遍數(shù)工藝試驗其一

對三組水泥摻量均嚴格控制在4%、采用設計要求的弱膨脹土土料分三個區(qū)鋪土，三組試驗使用路拌機拌和4遍，路拌過程中，考慮土料含水率的損失，對三組試驗土料加水4～5個百分點。測定三組拌和4遍的弱膨脹水泥改性土中水泥摻量的均勻度。4遍拌和全部完成后，用裝載機將拌和完成后的土料鏟至1：2的邊坡填筑試驗場。三組鋪土厚度均為30±1cm，均采用20t凸塊碾對三組試驗分別碾壓6、8、10、12、14遍，測其干密度、含水率和水泥含量。試驗結(jié)論如下：本次三組弱膨脹水泥改性工藝試驗中，路拌4遍后的試樣測定的水泥劑量大于或接近于設計要求的4%的水泥摻量；碾壓6、8、10遍后的水泥劑量檢測結(jié)果均偏小，但碾壓6遍的檢測結(jié)果與設計要求的較接近。碾壓區(qū)弱膨脹土水泥改性土碾壓遍數(shù)試驗塊區(qū)Ⅲ區(qū)10遍碾壓區(qū)的平均干密度為1.594，壓實度為96.6%；Ⅱ區(qū)8遍碾壓區(qū)的平均干密度為1.572，壓實度為95.3%；Ⅰ區(qū)6遍碾壓區(qū)的平均干密度為1.567，壓實度為95.0%。碾壓區(qū)弱膨脹土水泥改性土碾壓遍數(shù)試驗塊區(qū)12遍碾壓的平均干密度為1.59，壓實度為96.4%；14遍碾壓的平均干密度為1.56，壓實度為94.5%。

（六）渠坡?lián)Q填弱膨脹水泥改性土碾壓遍數(shù)工藝試驗其二

對兩組水泥摻量均嚴格控制在3%、采用設計要求的弱膨脹土土料分2個區(qū)鋪土，兩組試驗使用路拌機拌和4遍，路拌過程中，考慮土料含水率的損失，對兩組試驗土料加水4～5個百分點。測定路拌4遍后的弱膨脹水泥改性土中水泥摻量的均勻度。4遍拌和全部完成后，用裝載機將拌和完成后的土料鏟至1：2的邊坡填筑試驗場。兩組鋪土厚度均為30±1cm，均采用20t凸塊碾對兩組試驗分別碾壓12、14遍，測其干密度、含水率。試驗結(jié)論如下：本次弱膨脹水泥改性工藝試驗中，路拌4遍后的試樣測定的水泥劑量均大于設計要求的3%的水泥摻量。碾壓區(qū)弱膨脹土水泥改性土碾壓遍數(shù)試驗塊區(qū)12遍碾壓區(qū)的平均干密度為1.60g/cm3，壓實度為97.0%；14遍碾壓區(qū)的平均干密度為1.62g/cm3，壓實度為98.2%；碾壓14遍的平均干密度較大。

（七）弱膨脹水泥改性土利用料復核工藝試驗

對水泥摻量嚴格控制在3%、采用設計要求的弱膨脹土土料鋪土，試驗使用路拌機拌和4遍，路拌過程中，考慮土料含水率的損失，對試驗土料加水3～4個百分點。測定路拌4遍的弱膨脹水泥改性土中水泥摻量的均勻度；4遍拌和全部完成后，首先,將其中一半水泥土料用裝載機運至1：2的邊坡填筑試驗場。鋪土厚度為30±1cm，采用20t凸塊碾碾壓12遍，測其干密度、含水率﹑自由膨脹率﹑無荷載膨脹率。7d、14d﹑28d分別測其自由膨脹率﹑無荷載膨脹率。其次，另外一半水泥土料放置14d重新加水拌和。拌和全部完成后用裝載機將土料鏟至1：2的邊坡填筑試驗場。鋪土厚度為30±1cm，采用20t凸塊碾碾壓12遍，測其干密度、含水率﹑自由膨脹率﹑無荷載膨脹率，14d分別測其自由膨脹率﹑無荷載膨脹率。試驗結(jié)論如下：次弱膨脹水泥改性工藝試驗中，路拌4遍后的試樣測定的水泥劑量接近于設計要求的3%的水泥摻量。從檢測的自由膨脹率和無荷載膨脹率結(jié)果看，本次弱膨脹土水泥改性試驗已達到改性目的。弱膨脹土水泥改性土利用料試驗塊區(qū)碾壓的平均干密度為1.60，壓實度為96%；14d碾壓的平均干密度為1.59，壓實度為95%。

四、渠坡?lián)Q填弱膨脹水泥改性土碾壓遍數(shù)工藝試驗過程

（一）測量基層高程

首先用推土機對碾壓場區(qū)內(nèi)選定的試驗塊進行整平壓實，試驗現(xiàn)場負責人在基層用石灰撒出試驗分區(qū)線，按照要求同監(jiān)理人員測量基層高差并記錄數(shù)據(jù)，滿足設計要求后進行土料鋪設。

（二）拌和

在兩組試驗塊區(qū)上滿鋪含水率符合設計要求的弱膨脹土土料，用推土機進行粗略整平后，再用人工帶線進行精確整平，兩組試驗嚴格按照設計厚度進行控制，并按設計要求水泥摻量3%計算出相應的水泥用量；在虛鋪土面上用白灰打上方格，準確算出每個方格上需要鋪設的水泥，再由人工進行袋裝水泥的鋪設工作，攤鋪水泥力求鋪設均勻。鋪水泥后路拌4遍，拌和過程中，對已拌和的水泥改性土進行加水，調(diào)至設計要求的含水率范圍內(nèi)。

（三）鋪料

兩組試驗土料拌和4遍全部完成后，用裝載機分別將拌和完成的兩組拌和后的土料鏟至1：2的試驗場鋪筑，鋪土厚度30±1cm。

（四）碾壓

按照要求，在兩組水泥改性土碾壓遍數(shù)試驗場區(qū)上，使用20t凸塊碾分別對土料碾壓12、14遍。

（五）取樣

兩組試驗土料攤鋪水泥拌和4次后，由現(xiàn)場試驗人員在試驗塊中下部取樣6個并用塑料袋封裝試驗樣品，同時將拌和遍數(shù)的記錄放在相應每個樣品塑料袋內(nèi)。裝載機把兩組已拌和好的水泥改性土土料鏟至1：2的試驗場內(nèi)，攤鋪平整后分別對其碾壓12、14遍，每組試驗碾壓完成后在其距內(nèi)邊坡約0.8m和1.86m處中下部各取6個土樣檢測含水率及干密度。

（六）檢測

在試驗室內(nèi)，分別對碾壓現(xiàn)場的取樣進行試驗，測其含水率和干密度。

五、試驗結(jié)論及推薦施工參數(shù)

一是弱膨脹土在摻入3%的水泥后，在摻入水泥初期，由于水化作用，膨脹土由粉質(zhì)粘土或粘土很快變成重粉質(zhì)壤土或中粉質(zhì)壤土，自由膨脹率及膨脹力均呈快速下降趨勢，膨脹性持續(xù)緩慢減弱，具有很好的改性效果。

二是開采的弱膨脹土料拌和前應破碎，保證攤鋪厚度均勻、平整。

三是在水泥改性土拌和前，應選用現(xiàn)場有代表性的弱膨脹土做室內(nèi)EDTA滴定試驗，測繪水泥含量標準曲線，以便檢測水泥改性土含量。

四是采用路拌機或穩(wěn)定土拌和機拌和，穩(wěn)定土拌和機拌和生產(chǎn)效率高，對環(huán)境影響小，大規(guī)模施工時推薦采用穩(wěn)定土拌和機方案。

五是采用弱膨脹土水泥改性時，弱膨脹土拌制前含水率宜控制在20%～22%（根據(jù)《土工試驗規(guī)程（Sl237-1999）》檢測），拌和過程中加水4～5個百分點。拌和完成后，每拌和場次在≯300m3水泥改性土中抽測≮6個樣，測定水泥含量（根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程（JTGE51—2009）》檢測），要求平均值≮設計摻水泥量，標準差≯0.7。

六是施工時鋪土厚度30cm（±2cm），采用進占法鋪料，20t凸塊振動碾碾壓，碾壓8～10遍。水泥改性土填筑壓實度控制在0.95～0.98范圍內(nèi)。

[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）.