時(shí)間因素對水泥改性膨脹土壓實(shí)度影響的試驗(yàn)研究

李 幻，張玉敏，賈景超，畢慶濤

(華北水利水電大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450045)

膨脹土是一種特殊土體，其含有較多的黏粒及親水性較強(qiáng)的蒙脫石或伊利石等黏土礦物成分，是一種遇水膨脹、強(qiáng)度驟減、失水干縮、堅(jiān)硬而又常有收縮裂隙的高塑性黏土，具有超固結(jié)性、裂隙性和膨脹性的特點(diǎn)，處理不當(dāng)經(jīng)常給工程帶來極大的危害.南水北調(diào)中線一期工程南陽段共有明渠渠段長近92 km，其中近81 km 為膨脹土渠段.膨脹土渠段的設(shè)計(jì)、施工是南陽段工程建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn).天然土體的性質(zhì)并不符合工程要求，工程上采用很多方法對土體進(jìn)行改性，以提高土體的強(qiáng)度、抗?jié)B性、耐久性和降低自由膨脹率等工程特性，以保證工程質(zhì)量.而對改性土的研究是科研的熱點(diǎn)之一.對改性土的研究主要集中在以下4 個(gè)方面:①新的改性材料的研制.孫樹林等［1］對摻綠砂的改良土做了重金屬浸出試驗(yàn)研究.赫文秀等［2］在水泥摻量一定的條件下，摻入一定量的砂，可以明顯提高水泥土的強(qiáng)度.王文軍等［3］將性能優(yōu)異的納米硅粉作為外摻劑應(yīng)用于水泥土改性研究.②改性土(又稱改良土)的力學(xué)、水力學(xué)性質(zhì)研究.趙明龍等［4］在試驗(yàn)室內(nèi)模擬不同的失水飽和過程，初步得到了不同失水率下水泥土疲勞強(qiáng)度變化的趨勢.雷勝友等［5］發(fā)現(xiàn)膨脹土的靜應(yīng)力－應(yīng)變曲線呈硬化型，改良土的靜應(yīng)力－應(yīng)變曲線呈軟化型，改良土的靜強(qiáng)度和黏聚力比膨脹土的大.③復(fù)雜環(huán)境條件下，改性土的力學(xué)特性.王天亮等［6］對水泥改良土進(jìn)行了凍融循環(huán)研究，針對季節(jié)性凍土區(qū)的特殊環(huán)境對凍融循環(huán)后的水泥改良土進(jìn)行系列動靜試驗(yàn)，研究土體的物理性狀、力學(xué)特性與凍融次數(shù)、冷凍溫度的關(guān)系.趙明龍等［7］通過振動三軸試驗(yàn)，研究干濕循環(huán)過程對水泥改良粉質(zhì)黏土和水泥改良粉土疲勞強(qiáng)度的影響.④改性土在工程中的施工方法的研究.王保田等［8］采用二次摻灰法對膨脹土進(jìn)行改良研究發(fā)現(xiàn)，該方法可以有效提高土體的強(qiáng)度，降低土體的脹縮性.易耀林等［9］提出了以變徑水泥土攪拌樁加固軟土層位于中間的多層軟弱地基的方法.黃志全等針對膨脹土抗剪強(qiáng)度、邊坡穩(wěn)定性等問題進(jìn)行了大量研究，對膨脹土現(xiàn)場剪切試驗(yàn)的試樣制備及試驗(yàn)方法進(jìn)行了探討，并對膨脹土邊坡的穩(wěn)定性評價(jià)理論進(jìn)行了探索，在室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了膨脹土抗剪強(qiáng)度的改進(jìn)計(jì)算公式，并結(jié)合實(shí)際工程做了進(jìn)一步應(yīng)用研究［10－12］.

南水北調(diào)中線一期工程南陽段主要采用弱膨脹土添加水泥改性換填的方法來處理膨脹土渠坡(底).對于渠道中的換填水泥改性土，采用壓實(shí)度作為質(zhì)量控制指標(biāo).在《南水北調(diào)中線一期工程總干渠渠道膨脹土處理施工技術(shù)要求》(NSBD－ZXJ－2－01)中，要求水泥改性土填筑壓實(shí)度不小于0.98，并防止過壓.但是由于水泥土拌合時(shí)，水泥與水發(fā)生反應(yīng)，使得在不同時(shí)間點(diǎn)測得的水泥土中的含水量和水泥含量并不相同，使得技術(shù)要求中的壓實(shí)度測定方法在實(shí)際檢測中產(chǎn)生系統(tǒng)誤差.

1 水泥改性膨脹土中含水量變化機(jī)理分析

1.1 水泥改性土擊實(shí)試驗(yàn)流程［13］

1)將水泥、干土按照比例混合，并按照5 個(gè)不同的含水量添加水分(令此時(shí)土樣中的含水量分別為W1a，W1b，W1c，W1d，W1e).

2)將水泥改性土拌合均勻.

3)將拌合好的水泥改性土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)試驗(yàn)的過程按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)規(guī)定的方法進(jìn)行.

4)量測試樣含水量，獲得干密度值.

5)比對幾組試驗(yàn)，確定最大干密度和相應(yīng)的最優(yōu)含水量(設(shè)為W2，此時(shí)對應(yīng)步驟1 中土樣的含水量為W1).

6)將所得的最優(yōu)含水量W2作為施工參數(shù).

1.2 碾壓工藝及壓實(shí)度測定

1)水泥和土與水按比例拌合(含水量W3).

2)將拌合好的水泥改性土進(jìn)行碾壓.

3)取樣測試改性土的干密度(含水量W4).

4)計(jì)算水泥改性土的壓實(shí)度.

1.3 一般土體碾壓試驗(yàn)中含水量變化情況分析

現(xiàn)場的碾壓工藝應(yīng)該使得W4=W2，而為了達(dá)到這一效果，應(yīng)使W3=W1.

而一般的土體碾壓工藝(一般土體指的是非改性土，包括弱膨脹土原土翻壓與渠道填筑碾壓)，施工單位為了施工方便，以W2為控制指標(biāo)，造成了W3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)4，即碾壓后土體的含水量偏離最優(yōu)含水量.有經(jīng)驗(yàn)的施工單位會考慮到施工過程中水量的損耗，拌制時(shí)控制W3略大于W2，以便使得W4=W2.實(shí)際施工過程中的蒸發(fā)損耗量受氣候(溫度和風(fēng)力)條件的影響，具體影響關(guān)系目前尚沒有絕對的數(shù)值參考，在施工中往往會忽略不計(jì).

水泥改性膨脹土中，水泥與水反應(yīng)生成水泥水化物，造成水泥改性膨脹土中拌合前的含水量W1大于拌合后的含水量W2，使得水泥改性膨脹土中的含水量變化規(guī)律與一般土體的含水量變化規(guī)律并不相同.這一點(diǎn)值得深入研究.

2 水泥改性膨脹土含水量和水泥含量隨時(shí)間變化規(guī)律的室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)所用土樣取自南水北調(diào)中線一期工程南陽段土料場，室內(nèi)試驗(yàn)得到土體的物理指標(biāo)見表1.

表1 水泥改性膨脹土試驗(yàn)結(jié)果

由于水泥改性土中，水與水泥發(fā)生反應(yīng)生成水泥水化物，造成改性土中含水量下降.為研究水泥改性土含水量隨時(shí)間的變化規(guī)律，對水泥改性膨脹土拌和過程中和拌和后的含水量進(jìn)行了檢測對比.

圖1 為水泥改性膨脹土含水量隨時(shí)間變化規(guī)律.圖中－3 h 對應(yīng)的是拌和前含水率，0，2，…，24 h對應(yīng)的是拌和后含水率.根據(jù)圖1 分析，水泥改性膨脹土中的含水量在拌和后會明顯下降，在4 h 后，含水量趨于穩(wěn)定，水泥改性土拌和24 h 后含水量較拌和前含水量降低約3.5%～4.0%.

圖1 水泥改性膨脹土含水率隨時(shí)間變化曲線

圖2 為水泥改性膨脹土中水泥摻量隨時(shí)間變化規(guī)律.由圖可知，弱膨脹土中的水泥含量在拌合后2 h會產(chǎn)生較大的下降，其后逐步下降至穩(wěn)定狀態(tài).這一點(diǎn)與上述的水泥改性膨脹土含水率隨時(shí)間的變化曲線在趨勢上是一致的.

圖2 水泥改性膨脹土水泥摻量隨時(shí)間變化曲線

由以上分析，施工方案制定過程容易出現(xiàn)以下問題.

1)實(shí)驗(yàn)室對于不同時(shí)期4 個(gè)含水量的意義和區(qū)別都不是很清楚.如果施工單位繼續(xù)將最優(yōu)含水量的控制指標(biāo)W2作為拌合時(shí)摻水的控制指標(biāo)，即令W3=W2，那么就沒有考慮到拌合中的蒸發(fā)和水泥水化造成的含水量損失，造成最終壓實(shí)土中的含水量比最優(yōu)含水量小4%以上.如果施工單位考慮到這個(gè)問題，那就必須使得W3略大于W2，而這個(gè)略大于的量究竟應(yīng)該是多少，沒有明確.

2)技術(shù)要求中，并未明確碾壓后取樣的時(shí)間.而由圖1、圖2 可知，在拌合后4 h 內(nèi)，含水量和水泥含量會隨著時(shí)間變化而變化.如果施工單位為了抓緊時(shí)間，在碾壓完成后立即取樣做干密度試驗(yàn)，那么會出現(xiàn)偏差，拌合1，2，4 h 后的壓實(shí)度檢測結(jié)果會相差較大，失去了作為控制標(biāo)準(zhǔn)的意義.

3)對于水泥改性膨脹土擊實(shí)試驗(yàn)，如果在含水量并未穩(wěn)定的情況下進(jìn)行了含水量的測定，那么所測得的壓實(shí)度將出現(xiàn)較大的系統(tǒng)誤差，但是在技術(shù)要求中，并未明確指出含水量的測定時(shí)間.

3 結(jié)語

分析了在膨脹土改性過程中含水量隨著拌合時(shí)間延長而降低的問題，進(jìn)行了水泥改性膨脹土含水率隨時(shí)間變化檢測試驗(yàn)和水泥改性膨脹土水泥摻量隨時(shí)間變化檢測試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥改性膨脹土的含水量和水泥含量隨著水化過程會不斷降低.而這一過程會對改性土的壓實(shí)度檢測帶來一定的影響，使得檢測結(jié)果與水泥改性膨脹土的真實(shí)壓實(shí)情況存在偏差.以后將對這一問題繼續(xù)研究，并找出合理、可靠的修正方法.

［1］孫樹林，盤霞，張鑫.摻綠砂改良土的重金屬浸出試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(2):225－230.

［2］赫文秀，申向東.摻砂水泥土的力學(xué)特性研究［J］.巖土力學(xué)，2011，32(增1):392－396.

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［4］趙明龍，王建華，梁愛華.環(huán)境變化對改良土疲勞強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，2004(6):11－12.

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［13］中華人民共和國水利部.SL 237—1999 土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:中國水利水電出版社，2002.