水泥改性土換填施工技術在南水北調中線工程中的應用

□ 張維國 □ 董珍妮

（1南水北調中線干線工程建設管理局；2中國水利水電第一工程局有限公司）

1 水泥改性膨脹土機理

膨脹土是一種典型的非飽和土，主要由強親水性黏土礦物成分組成，具有較強的脹縮特性，當水泥摻入到膨脹土中后，會引起水泥的水解和水化反應，產生水泥水化物。一部分水泥水化物與黏土顆粒發(fā)生相互作用，水泥水化物中的氫氧化鈣又與二氧化碳發(fā)生碳化作用。經過這些反應與相互作用后，改變了膨脹土的原有性質，土的塑性減小而抗剪強度大大提高，水泥水化物和新生成的化合物在水中和空氣中逐漸硬化，增大了水泥改性膨脹土的強度，而且由于其結構比較致密，水分不易侵入，從而使水泥改性膨脹土具有足夠的水穩(wěn)定性。

2 工程案例

南水北調中線總干渠全長1432km，渠道沿線地質條件復雜，穿越膨脹土渠段累計長約387km，其處理技術難度、處理工程量和投資都比較大，是南水北調工程面臨的關鍵問題之一。淅川1標段位于南水北調中線工程的起始段，上接中線工程的源頭陶岔渠首樞紐工程，主渠道總長8.10km，設計水深8.00m，底寬10.50～13.50m。渠道過水斷面為梯形斷面，采用混凝土襯砌，襯砌板下鋪設土工膜，用于加強防滲，土工膜下布置排水系統(tǒng)，排除地下水，保證襯砌穩(wěn)定。淅川1標段8.10km主渠均穿越膨脹土，對膨脹土進行換填，是保證渠道穩(wěn)定的主要措施之一，施工中采用的換填材料均為水泥改性土，水泥改性土換填工程量約93.45萬m3。以下對淅川1標段水泥改性土換填施工技術進行簡要介紹，供參考。

3 水泥改性土換填施工工藝

在水泥改性土填筑之前，根據(jù)施工現(xiàn)場料源及水泥摻量進行室內水泥改性土擊實實驗，以確定水泥改性土的水泥摻量、最優(yōu)含水量及最大干密度，并通過現(xiàn)場水泥改性土碾壓工藝試驗驗證，最終確定水泥摻量5%，鋪土厚度28cm（±2cm）厚，壓實后的厚度23cm，碾壓機械采用20t凸塊振動碾，行進速度為2 km/h，碾壓遍數(shù)靜壓2遍、振壓8遍，壓實度0.98以上，含水率21.90%（+1%～+3%），干密度達到1.62g/cm3以上,為渠道填筑的最優(yōu)碾壓組合，能滿足設計要求。水泥改性土換填的主要施工工藝流程見圖1。

圖1 水泥改性土換填施工工藝流程圖

3.1 基面清理

所有填筑基面和接觸面均按設計要求作好相應清理，清除基礎表面腐植土、雜物，填平壓實溝、槽坑，確?；A表面平整。地面橫坡陡于1:5時，原地面應挖成臺階后填筑，地面橫坡陡于1:2.50時，應作特殊處理，防止渠堤沿基底滑動?；A清理完畢后，應及時進行測量放樣確定填筑邊線、樁號、高程等樣點。建基面開挖成型，在驗收前、后均利用土工膜對渠底及邊坡進行覆蓋防護。

3.2 土料翻曬

土料集中堆放至三角洲渣場及水寨西渣場內，位于改性土拌和站附近，改性土拌和前需對土料進行翻曬，翻曬前估算拌和用土量及各土總量，采用l.20m3液壓反鏟下挖50cm深，進行翻曬調整含水率（因天然含水率略大于最優(yōu)含水率），含水量偏低時應適當灑水濕潤。

3.3 土料預破碎

土料晾曬后，采用YWB210型路拌機進行碎土，大規(guī)模碎土宜采用液壓碎土機進行。在進行碎土施工前,需現(xiàn)場進行碎土工藝試驗，采用篩分法檢測碎土級配，根據(jù)試驗結果調整碎土控制參數(shù)。預破碎后土料粒徑≤10cm。

3.4 集料倒運堆存

由于三角洲及水寨西渣場面積較大，取土區(qū)域距離改性土拌和站最遠處約500m左右，土料預破碎后，采用裝載機裝20t自卸汽車將土料運輸至拌和站附近區(qū)域堆存，待二次破碎、拌和使用，儲料堆采用土工膜（一布一膜）進行覆蓋。

3.5 二次破碎

拌和前需對預破碎后堆存土料進行再次破碎，采用裝載機倒運至碎土機進行再次破碎，破碎后的土料粒徑≤10cm，其中10～5cm粒徑含量≤5%，5～0.50cm粒徑含量≤50%（不計姜石含量）的要求，將破碎好后的土料用裝載機倒運至拌和機進行拌和。

3.6 拌和

大規(guī)模的水泥改性土施工采用廠拌法施工，采用的機械為WBZ-600型和WBZ-300型改性土拌和站，其特點為:操做簡便、工效高、可以連續(xù)拌和。廠拌法由穩(wěn)定土拌和站、計量傳送系統(tǒng)、拌制系統(tǒng)、水泥罐體四部分組成。拌和前，必須先調試所有設備，使混合料的組成和含水率達到規(guī)定的要求。為保證土料質量，集料斗上口加工成帶坡度的型式，并在上口設置篩網，每個小網格邊長≤10cm，以過濾掉粒徑不合格的土料。拌和稱量系統(tǒng)按試驗參數(shù)控制土料、水泥和水的重量。充分拌和，取樣進行均勻性檢測。檢測合格的水泥改性土，由裝載機攏堆并覆蓋或直接運至填筑工作面。

3.7 運輸

水泥改性土采用自卸車運輸，將拌和好的水泥改性土盡快送到填筑現(xiàn)場，在運輸過程覆蓋土工膜減少水分損失，運輸至填筑工作面后采用“進占法”進行卸料。由于換填的厚度小，填土時運輸車輛在同一工作面反復碾壓，易造成土料剪切破壞及彈簧土，在邊坡?lián)Q填時，為減少運輸車輛對填筑面的反復碾壓，可適當采用推土機推送。

3.8 攤鋪

水泥改性土攤鋪采用推土機鋪料和平土，上料前應及時對填筑面及填筑邊坡進行灑水養(yǎng)護以防止水泥改性土砂化，同時邊坡結合面也是關鍵，填筑前在原渠坡上逐層進行開蹬處理，臺階高為每一層鋪土的厚度，并根據(jù)松鋪厚度計算出每車水泥改性土的攤鋪面積，確定堆放密度。需要推土機進行攤鋪時水泥改性土的含水率宜高于最佳含水率的1%～2%，以補償在攤鋪及碾壓過程中的水分損失。為確保邊角壓實度，鋪土邊線在水平距離上要進行超填，以保證碾壓機械有足夠的碾壓空間。渠道回填攤鋪施工方法見圖2。

圖2 渠道回填攤鋪施工示意圖

3.9 碾壓

當水泥改性土接近最佳含水率時，采用20t凸塊振動碾進行碾壓至要求的壓實密度。在碾壓時，由于受天氣的影響，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，邊坡結合面也是關鍵部位之一。水泥改性土換填過程中，從加水拌和到碾壓完成的延續(xù)時間，不宜超過4h。在碾壓過程中表面要始終保持濕潤，嚴禁“彈簧土”、松散土、起皮等現(xiàn)象產生。

3.10 削坡

在換填完成后，人工配合挖掘機進行削坡。由有經驗的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。削坡時應預留5～10cm的薄土層，預留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15cm，前緣與斗齒齊平，開挖方向垂直于渠道軸線，沿渠坡自上而下將預留的薄土層刮除，再用人工將坡面遺留的松土清至挖掘機附近，隨“刮板”攏堆。隨后在坡面上釘木樁，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。土料攏集于坡下后，裝車運至拌和場進行再次拌和，用于設計要求允許使用的部位，使削坡余料得到最大限度的利用。

4 結語

使用水泥作為固化劑已經成為一種得到廣泛認可的膨脹土改性方法，水泥作為固化劑摻入到膨脹土中能有效改善膨脹土的膨脹性，提高土體的強度。

水泥的摻量比直接影響到膨脹土的改性效果，加大水泥的摻入量能加強膨脹土的改性效果，但當水泥摻量到達一定程度之后，改性效果變化不再明顯，改性土的性質隨水泥摻量的增大逐漸趨于穩(wěn)定，確定不同性質膨脹土的最佳水泥摻量比對于工程質量尤為重要。

[1]蔡耀軍，趙旻，陽云華.南陽盆地膨脹土工程特性研究［J］.南水北調與水利科技，2008，1（2）:163-166.