水泥改性土作業(yè)面存在的問(wèn)題及工程處理措施

強(qiáng)魯斌，徐 萍

(1.長(zhǎng)江巖土工程總公司(武漢) ,武漢 430010; 2.湖北長(zhǎng)江工程設(shè)計(jì)有限公司,武漢 430010)

水泥改性土作業(yè)面存在的問(wèn)題及工程處理措施

強(qiáng)魯斌1，徐 萍2

(1.長(zhǎng)江巖土工程總公司(武漢) ,武漢 430010; 2.湖北長(zhǎng)江工程設(shè)計(jì)有限公司,武漢 430010)

在南水北調(diào)中線工程膨脹土地區(qū)，挖方渠道邊坡設(shè)計(jì)一般要求采用一定摻量、一定厚度的水泥改性土換填進(jìn)行保護(hù)。對(duì)膨脹土邊坡進(jìn)行水泥改性土換填時(shí)，常常會(huì)遇到作業(yè)面換填工作中止、邊坡土體風(fēng)化干裂、換填層沖刷破壞及地下水導(dǎo)排不暢等問(wèn)題。若對(duì)上述問(wèn)題處理不當(dāng)，有可能對(duì)邊坡?lián)Q填質(zhì)量產(chǎn)生影響，較嚴(yán)重時(shí)可能引起渠坡發(fā)生變形破壞危及渠道安全。針對(duì)水泥改性土作業(yè)面在施工中存在的問(wèn)題進(jìn)行了深入分析研究，提出了相應(yīng)的工程處理措施，并總結(jié)出施工過(guò)程的要點(diǎn),對(duì)今后的膨脹土工程建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。

膨脹土；水泥改性土；作業(yè)面；風(fēng)化干裂；南水北調(diào)中線工程

南水北調(diào)中線工程總干渠渠線較長(zhǎng)，沿線跨越不同的流域，工程建設(shè)區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，存在的工程問(wèn)題較多，其中較為突出的也最難解決的是膨脹土巖渠坡穩(wěn)定問(wèn)題。膨脹土巖渠道長(zhǎng)占總干渠長(zhǎng)的近1/4，因其自身特有的3個(gè)工程特性膨脹性、多裂隙性和超固結(jié)性，開挖的邊坡極易產(chǎn)生變形破壞。對(duì)挖方段膨脹土巖渠坡及填方段(回填土料為弱膨脹土?xí)r)渠坡，工程處理上多采用水泥改性土換填及其它加固處理措施來(lái)保護(hù)[1]。

在南水北調(diào)中線工程深挖方膨脹土渠道建設(shè)中，本文針對(duì)性地對(duì)施工過(guò)程中水泥改性土作業(yè)面存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析研究，并提出其處理措施及施工要點(diǎn)。對(duì)開挖形成的膨脹土渠坡，沒(méi)有及時(shí)采取水泥改性土換填保護(hù)時(shí)，施工期因水泥改性土換填不及時(shí)引發(fā)了幾十處渠坡變形破壞現(xiàn)象。

1 水泥改性土的概念及換填厚度

水泥改性土是指在黏性土中摻一定量的水泥，經(jīng)拌和的一種建筑材料，滲量>10%叫水泥土，滲量<0%叫改性土。南水北調(diào)中線工程所使用的水泥改性土滲量一般在3%～5%[1]。

“十一五”南陽(yáng)膨脹土試驗(yàn)段研究中，在劃分的十幾個(gè)試驗(yàn)工程區(qū)，選取了多種方案對(duì)膨脹土渠坡進(jìn)行保護(hù)，主要有非膨脹土、土工袋、土工格柵及不同滲量的水泥改性土換填等，同時(shí)還試驗(yàn)了裸坡直接襯砌混凝土板。試驗(yàn)成果表明并確定采用一定滲量的水泥改性土換填為最好的方案。通過(guò)試驗(yàn)，水泥改性土換填厚度主要是根據(jù)膨脹土渠坡膨脹性等級(jí)及裂隙發(fā)育情況來(lái)確定，對(duì)弱、中膨脹土巖、裂隙不甚發(fā)育渠坡?lián)Q填厚度一般控制在1.0～1.5 m；對(duì)裂隙發(fā)育的中膨脹土巖、強(qiáng)膨脹土巖渠坡?lián)Q填厚度為2.0～2.5 m[1]。

2 水泥改性土換填的作用

膨脹土渠坡設(shè)計(jì)采用一定厚度的水泥改性土換填處理，換填斷面示意見圖1。水泥改性土換填層的主要功能如下。

圖1 水泥改性土換填斷面示意

2.1 保護(hù)渠坡

采用水泥改性土換填后，對(duì)膨脹土渠坡來(lái)說(shuō)，其土體含水量變化受到限制[2]，膨脹特性無(wú)法表現(xiàn)，制約了或大大減小了膨脹土特性之一的脹縮性。土體沒(méi)有反復(fù)膨脹，渠坡土體原始結(jié)構(gòu)就不會(huì)改變。

膨脹土渠坡?lián)Q填一定厚度的水泥改性土，是根據(jù)土體膨脹等級(jí)及裂隙發(fā)育情況來(lái)決定。對(duì)渠坡穩(wěn)定來(lái)說(shuō)，水泥改性土換填層除了保護(hù)渠坡土體含水量不變外，還起到了一定的抗滑作用。水泥改性土經(jīng)碾壓后較為密實(shí)，水泥與土料在拌和碾壓過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，旱季呈堅(jiān)硬狀，限制了渠坡的變形，達(dá)到穩(wěn)定渠坡的目的。

2.2 隔水防滲

水泥改性土換填后的膨脹土渠坡，因水泥改性土碾壓較密實(shí)，且有一定厚度，避免了渠坡土體直接受降雨入滲、浸泡及沖刷的影響。通過(guò)試驗(yàn)研究，換填碾壓的水泥改性土滲透性小于改性前的黏性土，起到了隔水、阻擋雨水沖刷的作用。水泥改性土滲透系數(shù)一般為10-5～10-7m/s，具微透水性，抗沖刷性較改性前的原始土體性能好[1]。

2.3 柔性保護(hù)

對(duì)膨脹土渠坡來(lái)說(shuō)，比較適合的保護(hù)措施是采用水泥改性土換填處理。水泥改性土換填層會(huì)隨著季節(jié)濕度的變化同膨脹土渠坡土體一起變化。此種同步性的變化，調(diào)整并消除了因土體含水量的變化引起的渠坡脹縮變形[1]。也就是說(shuō)渠坡土體發(fā)生水平膨脹變化時(shí)，水泥改性土?xí)阃谙嗤墓?jié)拍變化，起到了對(duì)膨脹土渠坡的柔性保護(hù)作用。

3 作業(yè)面存在的問(wèn)題

工程建設(shè)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工后，對(duì)土方渠道來(lái)說(shuō)開挖速度較快，形成渠坡回填作業(yè)面較多或較長(zhǎng)，勢(shì)必造成水泥改性土料源跟不上回填需求，最終導(dǎo)致作業(yè)面空閑。在作業(yè)面空閑這段時(shí)間里，水泥改性土填筑面及渠坡坡面土本均存在下列問(wèn)題。

3.1 換填層風(fēng)化問(wèn)題

工作面回填作業(yè)中止后，形成的水泥改性土填筑面土體受天氣影響較大，易受雨水浸泡、日曬風(fēng)吹等。填筑體最后回填的幾層土體遭受風(fēng)化破壞，水泥改性土受影響后失去部分效用。同時(shí)，填筑體削坡后，外坡面水泥改性土可能受雨水的沖刷，形成順坡向沖蝕雨淋溝，坡面完整性受到破壞。改性土換填面受降雨影響破壞，見圖2。最后導(dǎo)致?lián)Q填保護(hù)層有效厚度變薄，進(jìn)而在變薄部位形成低凹處，與兩側(cè)坡面呈錯(cuò)臺(tái)狀凹凸。因水泥改性土碾壓板結(jié)后，坡面凸凹不平的沖蝕現(xiàn)象不易補(bǔ)救，難于還原。

圖2 改性土換填面受降雨影響

針對(duì)一段渠道來(lái)說(shuō)，渠坡?lián)Q填完成后，在該回填渠段與上下游未換填渠段間的交匯處形成2個(gè)斜坡。若上下游渠段換填工作滯后，且時(shí)間較長(zhǎng)，2個(gè)斜坡就會(huì)被放置一段時(shí)間。此間，2個(gè)斜坡面水泥改性土遭受風(fēng)化破壞，主要受季節(jié)影響，易風(fēng)干砂化、凍融碎裂。暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的話，可見坡面布滿雜草。

3.2 坡面土體風(fēng)化問(wèn)題

因中線渠道工程屬線性建筑物，在建設(shè)期間，換填渠段形成的上述斜坡屬不可避免，且隨處可見。在水泥改性土填筑過(guò)程中，上下游斜坡與膨脹土渠坡間形成一“三角區(qū)”地塊，見圖3。該“三角區(qū)”膨脹土渠坡?lián)Q填封閉基本上較晚，坡面土體裸露經(jīng)歷時(shí)間長(zhǎng)，天氣影響帶來(lái)的風(fēng)化破壞較嚴(yán)重。放置時(shí)間越長(zhǎng)，渠坡基面土體結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象會(huì)越來(lái)越深。在經(jīng)歷多次的季節(jié)變化后，受雨水浸泡、風(fēng)吹日曬、凍融及植被生長(zhǎng)，坡面土體反復(fù)脹縮，土體結(jié)構(gòu)破壞深度不斷增大[2]。根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求，需要對(duì)“三角區(qū)”渠坡進(jìn)行再次削坡處理，若處理不到位，會(huì)出現(xiàn)水泥改性土與渠坡土體界面部位碾壓不實(shí)或結(jié)合不良的現(xiàn)象。

圖3 “三角區(qū)”地塊

3.3 地下水導(dǎo)排不暢問(wèn)題

渠坡有地下水滲出時(shí)，多采用盲溝導(dǎo)排，使地下水匯入渠道排水系統(tǒng)[3]。

在盲溝處理地下水后，渠坡?lián)Q填水泥改性土到一定高度時(shí)，因?qū)挪粫?，地下水滲浸入改性土填筑面，軟化渠坡土體及破壞水泥改性土，導(dǎo)致碾壓不實(shí)。地下水浸濕水泥改性土換填作業(yè)面見圖4。

圖4 地下水浸濕水泥改性土換填作業(yè)面

3.4 水泥改性土灘鋪問(wèn)題

在膨脹土渠坡用水泥改性土換填中，作業(yè)面上一般采用大型裝載車運(yùn)輸水泥改性土，連續(xù)性順渠道方向自動(dòng)卸載，并用推土機(jī)進(jìn)行灘鋪。卸載和灘鋪過(guò)程中，在渠坡與換填面之間存在大顆粒集中部位，見圖5，該部位碾壓難于碾壓密實(shí)，多達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

圖5 水泥改性土卸載灘鋪大顆粒部位

3.5 建筑物基坑問(wèn)題

南水北調(diào)中線膨脹土渠道穿渠建筑物施工中，部分在渠坡上形成基坑?；痈男酝翐Q填存在作業(yè)范圍狹小不能采用大型設(shè)備進(jìn)行碾壓及周邊坡較陡問(wèn)題，見圖6。

圖6 建筑物基坑

4 工程處理措施

在水泥改性土施工技術(shù)規(guī)定中，一般對(duì)水泥改性土的生產(chǎn)、運(yùn)輸和碾壓提出了詳細(xì)的規(guī)定和要求。通過(guò)南水北調(diào)中線工程建設(shè)的實(shí)踐，作者清楚地認(rèn)識(shí)到水泥改性土填筑施工過(guò)程中存在的問(wèn)題。

本文重點(diǎn)對(duì)填筑作業(yè)面上存在的問(wèn)題進(jìn)行分析研究，指出具體的工程處理措施，并總結(jié)施工要點(diǎn)，可提高水泥改性土填筑質(zhì)量。

4.1 工程處理措施

4.1.1 時(shí)間要求

水泥改性土換填料生產(chǎn)完成后，技術(shù)規(guī)定要求4 h內(nèi)運(yùn)送到回填面上進(jìn)行碾壓[4]。但實(shí)際在換填作業(yè)面上存在一定時(shí)間段內(nèi)無(wú)法進(jìn)行碾壓，如受換班、天氣等因素影響。若放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，隨著含水量的降低，水泥改性土就會(huì)砂化，即成散粒狀，無(wú)法碾壓到最佳狀態(tài)，因此，水泥改性土換填時(shí)間控制很重要。

4.1.2 渠坡坡面要求

膨脹土渠坡回填水泥改性土前要求開蹬處理，開蹬高度同鋪土厚度。對(duì)邊坡開蹬產(chǎn)生的大顆粒土塊需人工清除，避免混入回填層。因水泥改性土換填需花費(fèi)一段時(shí)間，在此期間坡面表層土體換水風(fēng)干碎裂或松動(dòng)，需做好坡面保護(hù)工作。

4.1.3 坡面與換填面接合部位要求

在渠坡坡面土體與作業(yè)換填面接合部位，每輛裝載的水泥改性土卸載灘鋪過(guò)程，較大顆粒的水泥改性土料會(huì)集中滾落在該部位，要求人工配合對(duì)其進(jìn)行散鋪處理，并補(bǔ)平碾壓作業(yè)面。

4.1.4 上、下游兩側(cè)斜坡要求

換填水泥改性土過(guò)程中，在換填渠段上、下游側(cè)形成2個(gè)斜坡。斜坡經(jīng)重型車輛往返時(shí)的反復(fù)碾壓，一定深度的水泥改性土體擾動(dòng)破壞，即碾壓過(guò)度，呈堅(jiān)硬狀?；靥钋耙笄宄逼旅姹韺悠茐耐馏w，并按照設(shè)計(jì)要求放坡并開蹬。

4.1.5 作業(yè)面的保護(hù)要求

水泥改性土作業(yè)面包括3個(gè)部位:一是改性土填筑面；二是分段填筑后在上下游側(cè)形成的斜坡面；三是水泥改性土填筑體的外坡面。

填筑過(guò)程中3個(gè)部位都要求進(jìn)行必要的、有效的防護(hù),一般多采用彩條布進(jìn)行縱向覆蓋。對(duì)不同部位的防護(hù)有所不同，填筑面的防曬、回填前的灑水保濕，防護(hù)斜坡面的過(guò)度碾壓及改性土填筑體削坡后外坡面的防暴曬、防沖刷等[5]。

4.1.6 地下水處理要求

對(duì)有地下水沿水泥改性土填筑面滲出的渠坡，處理分2方面:一方面是在水泥改性土換填面上鋪設(shè)排水管與坡面盲溝連通，排于水泥改性土外坡面排水板系統(tǒng)內(nèi)；二是水泥改性土換填后，在改性土換填層外坡面仍然有地下水滲出時(shí)，應(yīng)按照相關(guān)要求采取工程處理措施。一般在滲水部位底部打一定仰角的斜孔，安裝PVC排水管，對(duì)地下水進(jìn)行導(dǎo)排，引入水泥改性土填筑層外側(cè)坡面的排水系統(tǒng)。

4.1.7 建筑物基坑要求

中線工程跨渠建筑物較多，且類型多樣。渠坡上開挖形成的基坑大小、形狀各有不同，開挖深淺差異較大。該類基坑在回填水泥改性土?xí)r，因基坑作業(yè)面受場(chǎng)地限制，無(wú)法進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)。此時(shí)應(yīng)采取人工灘鋪，使用小型蛙式打夯機(jī)進(jìn)行分層夯實(shí)，每層鋪土厚度一般小于10 cm。同時(shí)，基坑四周邊坡要求采用人工放坡并開蹬，確保回填土與原基面結(jié)合良好。

4.2 施工要點(diǎn)

(1) 換填的作業(yè)面不要太長(zhǎng)，且作業(yè)面不要過(guò)多。在對(duì)膨脹土渠坡進(jìn)行水泥改性土換填時(shí)，水泥改性土料源生產(chǎn)要及時(shí)跟上，且要連續(xù)不間斷地對(duì)一作業(yè)面進(jìn)行填筑。

若存在水泥改性土回填跟不上、填筑速度較慢或中斷時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取有效措施，對(duì)未換填的膨脹土渠坡及換填面進(jìn)行覆蓋保護(hù)。

(2) 工程建設(shè)的機(jī)械化，施工速度較快，土方開挖的膨脹土渠坡成形也快，過(guò)多的基面成型，相應(yīng)的渠坡受天氣影響也較大，最易受降雨的影響而破壞。因此，務(wù)必做好渠坡作業(yè)面的保護(hù)工作。

(3) 渠坡保護(hù)層開挖削坡驗(yàn)收后，總會(huì)被放置一段時(shí)間。在進(jìn)行水泥改性土填筑前，對(duì)渠坡表層結(jié)構(gòu)已破壞的土體要求重新削坡處理。

(4) 對(duì)膨脹土渠坡務(wù)必實(shí)施開蹬、灑水保濕這道工序。有利于換填土與原狀土的結(jié)合，有利于填筑體的整體穩(wěn)定，膨脹對(duì)土渠坡起到了更好的保護(hù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，為了充分發(fā)揮水泥改性土換填層保護(hù)膨脹土渠坡的作用，本文作者對(duì)水泥改性土作業(yè)面存在的問(wèn)題及工程處理進(jìn)行了分析研究。從文中可知，在水泥改性土填筑施工中，關(guān)鍵是要做好以下4個(gè)方面，并安排合理施工工藝和工序。

(1) 水泥改性土換填過(guò)程，時(shí)間銜接上要緊湊、連貫。從開始生產(chǎn)水泥改性土到運(yùn)送到填筑面，以及回填碾壓過(guò)程都要控制好時(shí)間；

(2) 渠坡面、換填面要做好保護(hù)、防護(hù)措施。開挖揭露的膨脹土基面土體不能受到日曬、雨淋的影響，換填過(guò)程若中斷時(shí)，要妥善保護(hù)好換填面；

(3) 做好每一填筑層水泥改性土的灘鋪、坡面土體開蹬以及失水后的灑水保濕工作；

(4) 地下水盲溝導(dǎo)排要暢通。對(duì)有地下含水層或上層滯水存在的坡面換填時(shí)，一定要認(rèn)真做好排水措施，使膨脹土和水泥改性土不受水的影響。

在膨脹土地區(qū)進(jìn)行的工程建設(shè)，因施工開挖改變了膨脹土的天然環(huán)境條件，使之暴露在大氣中，造成土體在含水量變化過(guò)程中產(chǎn)生干濕交潛，進(jìn)而土體的工程特性向不利方向發(fā)展。為了保護(hù)土體不受破壞或抑制土體含水量的改變，在工程建中得到以水泥改性土為防護(hù)材料，進(jìn)行柔性保護(hù)膨脹土的最佳方法。

[1] 長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，國(guó)家十一五科技支撐計(jì)劃課題課題編號(hào): 2006BAB04A10專題四膨脹土(巖)渠坡的設(shè)計(jì)與施工研究[R].武漢：長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，2010：48-54. (Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research. Design and Construction of Expansive Soil (Rock) Canal Slope: Eleventh Five-Year Science and Technology Support Program Project Number: 2006BAB04A10[R]. Wuhan: Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research, 2010: 48-54. (in Chinese))

[2] 蔡耀軍，趙 旻，陽(yáng)云華.南陽(yáng)盆地膨脹土工程特性研究[J].南水北調(diào)與水利科技，2008，6(1)：163-166. (CAI Yao-jun, ZHAO Min, YANG Yun-hua. Research on Engineering Properties of Expansive Soil in Nanyang Basin[J]. South-to-North Water and Water Science Technology, 2008, 6(1): 163-166. (in Chinese))

[3] 《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)[S].北京：南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，2010：9-11. (Requirements of the Construction of Expansive Soil Treatment for the Main Canal of South-to-North Water Transfer Project (NSBD-ZXJ-2-01)[S]. Beijing: Construction and Administration Bureau of South-to-North Water Diversion Middle Route Project,2010：9-11.(in Chinese))[4] 《南水北調(diào)中線一期工程總干渠渠道水泥改性土施工技術(shù)規(guī)定》(NSBD-ZXJ-2-37)[S].北京：南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，2011:16-19. (Technical Requirements for Cement Modified Soil of the Main Canal of South-to-North Water Transfer Project(NSBD-ZXJ-2-37)[S]. Beijing: Construction and Administration Bureau of South-to-North Water Diversion Middle Route Project,2011: 16-19. (in Chinese))

[5] 龔壁衛(wèi)，包承綱，周欣華.總干渠膨脹土渠坡處理措施探討[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2002, 19(增1): 108-110. (GONG Bi-wei, BAO Cheng-gang, ZHOU Xin-hua. Probe into Treatment Measures for Main Channel Slope in Expansive Soil Region[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2002, 19(Sup.1): 108-110. (in Chinese))

(編輯：王 慰)

Problems and Engineering Treatment Measures in the Operationof Cement Modified Soil

QIANG Lu-bin1, XU Ping2

(1.Changjiang Geotechnical Engineering Corporation, Wuhan 430010, China; 2. Hubei Yangtze River Engineering Design Co., Wuhan 430010, China)

In the expansive soil region of the middle route of south-to-north water transfer project, cement modified soil with certain content and thickness is required to replace expansive soil in order to protect the canal slope. In the process of soil exchanging and filling, problems are often encountered, including suspension of exchanging-filling operation, weathering and cracking of slope soil, scour damage of filled layer and mal-draining of groundwater. If the above problems are mishandled, the quality of soil exchanging and filling will be affected, and may even cause the slope deformation failure. In this paper, these problems are analysed in depth, and corresponding engineering treatment measures are put forward, and crucial points of the construction process are also given. It is of guiding significance for the engineering construction of expansive soil.

expansive soil; cement modified soil; operation plane; weathering and cracking; middle route of south-to-north water transfer project

2014-04-30;

2014-06-16

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題(2011BAB10B03)

強(qiáng)魯斌(1974-)，男，陜西合陽(yáng)人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作，(電話)18502772152(電子信箱)shine-qlb@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.05.019

2015,32(05):100-104

TU7

A

1001-5485(2015)05-0100-05