低摻量水泥改性土在南水北調(diào)總干渠換填中試驗研究與應(yīng)用

□趙 斌 □王洪現(xiàn) □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(diào)中線一期工程總干渠鄭州2段工程第一施工標(biāo)段，位于鄭州市管城區(qū)南曹鄉(xiāng)，設(shè)計樁號為SH(3)179+227.8～SH(3)185+220.3，標(biāo)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(zhì)渠坡。標(biāo)段地層為粘砂多層結(jié)構(gòu)段，渠坡土體主要為黃土狀中、輕壤土、重砂壤土、細(xì)砂等，渠道底部均位于細(xì)砂層中，對高地下水位砂質(zhì)渠進(jìn)行粘土換填處理，一級馬道及以下?lián)Q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(shè)置自排水系統(tǒng)。砂質(zhì)渠坡?lián)Q填見圖1。

圖1 砂質(zhì)渠坡處理圖

2.總干渠填筑土料技術(shù)指標(biāo)要求

根據(jù)設(shè)計要求，填筑土料系利用本標(biāo)段的開挖合格土料，填筑土料技術(shù)指標(biāo)應(yīng)該滿足：粘粒含量>10%，有機(jī)質(zhì)含量<5%，土料含水率應(yīng)為最優(yōu)含水量的-3%～3%之間的粘性土，滲透系數(shù)≤1×10-4cm/S，填筑干密度>1.72 g/cm3，壓實度>98%。本標(biāo)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(jù)對開挖土料的勘查復(fù)核發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)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(shè)計下發(fā)的鄭州2段渠道水泥土碾壓試驗技術(shù)要求，采用路拌法進(jìn)行了現(xiàn)場施工試驗。并委托黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司實驗中心進(jìn)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(jù)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(jī)質(zhì)含量不大于5%，不含雜質(zhì)的土料，進(jìn)行室內(nèi)擊實試驗，含水率根據(jù)擊實試驗控制在最優(yōu)含水率的±3%范圍內(nèi)。

水泥采用檢驗合格的鄭州天瑞P·042.5普通硅酸鹽水泥。經(jīng)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(hù)堤填筑作業(yè)面，共分7個區(qū)域進(jìn)行試驗，其中鋪土厚度和水泥摻量組合6個區(qū)，素土料1個區(qū)，單個區(qū)域面積為30 m×10 m。試驗前對該場地基礎(chǔ)面進(jìn)行壓實檢測，滿足壓實度98%的要求后方進(jìn)行碾壓試驗，碾壓場區(qū)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(jìn)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(jìn)行了現(xiàn)場碾壓試驗，試驗對3 d、7 d、14 d、28 d試驗成果進(jìn)行了統(tǒng)計。

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

試料裝運：采用1.6m3挖掘機(jī)與20t自卸汽車進(jìn)行試料裝運。

攤鋪攪拌：先在試驗區(qū)按照鋪土厚度采用TY-160推土機(jī)攤鋪30 cm、35 cm、40 cm厚合格土料，根據(jù)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(jī)進(jìn)行攪拌。

碾壓：采用20 t凸塊振動碾進(jìn)行碾壓，搭接寬度>50 cm。行車速度控制在1.5-2.0 km/h內(nèi)。振動碾在碾壓試驗區(qū)范圍2 m外起振，在專人指揮下進(jìn)行碾壓，已鋪土料表面在壓實前被曬干時，應(yīng)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(qū)高程與碾壓前測量高程比較，計算壓實后的厚度。

養(yǎng)生：對碾壓完成水泥土灑水后覆蓋塑料布進(jìn)行養(yǎng)生，養(yǎng)生期間控制水泥土濕度。

取樣和試驗:委托黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司實驗中心進(jìn)行了取樣和試驗，并提出相關(guān)技術(shù)成果報告。

干密度檢測取樣：在各小區(qū)范圍內(nèi)碾壓3遍、5遍、7遍后分別隨機(jī)取樣，每層取樣12個。

3.3 試驗成果統(tǒng)計

根據(jù)檢測報告，實驗結(jié)果采用小值分析法進(jìn)行統(tǒng)計分析如下：物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計：對直剪試驗、壓縮試驗成果按照小值平均法進(jìn)行了統(tǒng)計分析，統(tǒng)計成果表明：無論對現(xiàn)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(biāo)變化較小。滲透系數(shù)統(tǒng)計：摻加水泥后土料的滲透系數(shù)為1.91×10-5～4.87×10-5cm/s之間，不摻加水泥的土料滲透系數(shù)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(shù)不大于1×10-4cm/s設(shè)計技術(shù)指標(biāo)。

3.4 水泥改性土試驗研究成果分析和結(jié)論

根據(jù)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(qū)進(jìn)行取樣檢測；根據(jù)試驗檢測結(jié)果和現(xiàn)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(jié)果分析：首先從填筑壓實指標(biāo)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(biāo)；其次從改性土物理力學(xué)指標(biāo)上來看：根據(jù)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)整體性明顯增強(qiáng)，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到改善，對渠道填筑邊坡穩(wěn)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(shù)為0.094，摻入2%水泥后，齡期為28 d時，壓縮系數(shù)為0.062 MPa-1；摻入3%水泥后，齡期為28 d時，壓縮系數(shù)為0.073 MPa-1，土體壓縮系數(shù)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(shè)計中對換填土的沉降期>6個月的要求，對工期相當(dāng)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(shù)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(jìn)行施工，對粘粒含量為7%-9%的土料摻加3%水泥進(jìn)行施工，對粘粒含量為9%-11%的土料摻加2%水泥進(jìn)行施工碾壓后土料滲透系數(shù)<1×10-4cm/s的要求。

干密度結(jié)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(shè)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(biāo)要求，鋪設(shè)35 cm厚時部分壓實度不能滿足98%的指標(biāo)要求。

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

水泥土鋪設(shè)35 cm厚在碾壓5遍部分干密度達(dá)不到1.73 g/cm3，小部分滿足不了壓實度>98%指標(biāo)要求。3.5設(shè)計參數(shù)的確定

根據(jù)試驗結(jié)論，摻加水泥后，土體性能發(fā)生了變化，可滿足砂質(zhì)渠坡?lián)Q填的施工要求。經(jīng)與設(shè)計、監(jiān)理、業(yè)主多方研究討論，并經(jīng)專家咨詢，最終設(shè)計發(fā)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(biāo)為：壓實度>98%、滲透系數(shù)<1×10-4cm/s，含水控制在最優(yōu)含水率3%范圍內(nèi)，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(shè)計研究有限公司下發(fā)的《南水北調(diào)中線一期工程總干渠鄭州2段鄭2-1標(biāo)段高地下水砂質(zhì)渠道換填段水泥改性土換填設(shè)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(jī)進(jìn)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(jī)進(jìn)行攤鋪平整后，用20 t振動碾壓5遍，完成后進(jìn)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?lián)Q填采用路拌法進(jìn)行施工。路拌法現(xiàn)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(yǎng)生→邊坡刨毛、粗修、精修。

測量放線：放線內(nèi)容主要包括控制點的設(shè)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(jìn)行準(zhǔn)確定位。

土料裝運：土料的裝運采用挖掘機(jī)與20 t自卸汽車進(jìn)行土料的裝運。

備土、攤鋪：填筑施工前，現(xiàn)場土料含水率根據(jù)擊實試驗得出的最優(yōu)含水率進(jìn)行調(diào)整，填筑土料含水率應(yīng)滿足最優(yōu)含水率±3%要求，以控制在高于最優(yōu)含水率1.5%左右為宜。

渠道填筑分段分層進(jìn)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(jī)平整，并人工輔助平整。

卸料采用進(jìn)占法，并且邊卸料邊用推土機(jī)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(cè)超出設(shè)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(jìn)行人工碎土，將填筑斷面內(nèi)大粒徑土料全部剔除。

灑水：攤鋪完成后，層面若出現(xiàn)長時間晾曬，表層含水率不滿足要求時應(yīng)進(jìn)行灑水。灑水應(yīng)均勻，防止出現(xiàn)局部水分過多現(xiàn)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(jù)此在填筑面上劃分網(wǎng)格，單個網(wǎng)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(jīng)確認(rèn)無誤后將水泥倒在換填區(qū)然后人工用刮板或鐵鍬均勻攤開，水泥的攤鋪超出設(shè)計邊線10 cm即可，攤鋪均勻后，然后用輪式穩(wěn)定土拌和機(jī)進(jìn)行拌和。

土料拌和：拌和過程中設(shè)專人跟隨拌和機(jī)，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(jié)，拌和深度宜深入下層至少3～5 cm。嚴(yán)禁在拌和層底部留有素土“夾層”。輪式拌和機(jī)拌和完成的標(biāo)志是混合料應(yīng)達(dá)到色澤一致，沒有灰條、灰團(tuán)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(jī)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(jìn)行碾壓，振動碾壓5遍后進(jìn)行取樣檢測。碾壓在本單元拌合平整完成后立即進(jìn)行，保證在從攤鋪到碾壓完成4 h內(nèi)完成。碾壓方式采用搭接法進(jìn)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(jìn)行干密度檢測，檢測取樣采用環(huán)刀法進(jìn)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(yǎng)生:水泥改性土填料壓實后的強(qiáng)度增長與養(yǎng)生條件關(guān)系密切。分層施工時，在下層施工完成，經(jīng)質(zhì)檢監(jiān)理驗收合格后應(yīng)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(jīng)常進(jìn)行灑水保濕養(yǎng)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(yǎng)生方法宜采用灑水車或覆蓋薄膜的方式進(jìn)行養(yǎng)生。

削坡:為保證碾壓密實，鋪料過程中邊坡側(cè)多填筑50 cm分兩次進(jìn)行，第一次每填筑3層高左右使用人工輔助反鏟進(jìn)行邊坡初步修整，第二次在渠道襯砌前使用反鏟對邊坡進(jìn)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?shù)絁Q1-2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(jìn)行削坡，并削至質(zhì)量合格層。

4.2 水泥改性土施工質(zhì)量檢測情況

目前已完成全部水泥改性土換填施工，經(jīng)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(dá)到0.98要求，質(zhì)量合格，滿足設(shè)計要求。

5.結(jié)語

一是根據(jù)設(shè)計要求，水泥改性土需要在4 h內(nèi)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(qiáng)度，可滿足4 h內(nèi)碾壓完畢的要求，施工進(jìn)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(jù)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(qū)保護(hù)邊坡不被地下水侵蝕破壞，同時可以縮短沉降期，達(dá)到縮短工期、施工方便的目的。