水泥改性膨脹土防護(hù)邊坡效果分析

孫 慧，劉 軍，胡 波，張 泉

(1.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；2.河海大學(xué) 巖土工程研究所，南京 210098)

水泥改性膨脹土防護(hù)邊坡效果分析

孫 慧1，劉 軍1，胡 波1，張 泉2

(1.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；2.河海大學(xué) 巖土工程研究所，南京 210098)

膨脹土具有吸水膨脹、失水收縮的性質(zhì)，給工程帶來極大的危害。為研究水泥改性膨脹土防護(hù)邊坡效果，選取膨脹土及不同水泥摻量的改性膨脹土進(jìn)行脹縮特性試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明南陽中膨脹土水泥改性的最佳水泥摻量為6%。將其作為防護(hù)加固材料換填南水北調(diào)中線渠道邊坡的表層，并利用測斜管和變形管等儀器設(shè)備對其防護(hù)效果進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明：水泥改性膨脹土回填覆蓋坡面表層可以解決膨脹土渠坡的淺層失穩(wěn)問題。

水泥改性膨脹土；南水北調(diào)中線；渠道邊坡；脹縮特性試驗(yàn)；邊坡防護(hù)效果

1 研究背景

膨脹土是在自然地質(zhì)過程中形成的一種多裂隙并具有顯著脹縮特性的地質(zhì)體，其黏粒成分主要由強(qiáng)親水的蒙脫石和伊利石組成[1]。膨脹土具有吸水膨脹、失水收縮并且反復(fù)變形的性質(zhì)，對建筑物尤其是對渠道、邊坡以及堤壩等都有著嚴(yán)重的破壞作用，特別是對建筑物所產(chǎn)生的變形破壞作用往往具有多次反復(fù)性和長期潛在危險(xiǎn)性的特點(diǎn)[2]。1969 年開工建設(shè)的陶岔渠首工程設(shè)計(jì)坡比為 1∶3～1∶4.5，在開挖過程中相繼發(fā)生了 13處滑坡 ，后來通過加固才穩(wěn)定了邊坡。膨脹土地區(qū)的邊坡甚至有在1∶6的緩坡條件下仍然失穩(wěn)的實(shí)例[3]。

膨脹土對渠道工程的影響主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：其一是影響渠坡穩(wěn)定，在大氣影響深度范圍內(nèi)，極易形成牽引式的淺層滑坡，或者形成由結(jié)構(gòu)面控制的深層滑坡，這種危害具有反復(fù)性；其二，膨脹土脹縮變形對渠道襯砌和其他結(jié)構(gòu)物的破壞，造成渠道漏水，使渠道邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)一步惡化。因此，為了解決膨脹土地區(qū)填料不足的問題，降低脹縮性對渠道邊坡的穩(wěn)定性影響，對膨脹土采用添加劑進(jìn)行改良處理是必要的。目前采用的添加劑主要包括石灰、粉煤灰、離子土壤固化劑、水泥以及CMA改性劑等。主要通過室內(nèi)試驗(yàn)對不同等級的膨脹土摻加改性劑后土的脹縮性強(qiáng)度與劑量的關(guān)系及摻入量的最佳配合比進(jìn)行了研究[4-9]。由于南水北調(diào)是輸水工程，考慮其對水質(zhì)的要求，最終選擇水泥作為添加劑改性南水北調(diào)工程渠道邊坡的膨脹土。膨脹土摻加水泥后，水泥和土中的礦物質(zhì)發(fā)生水化反應(yīng)，形成了鈣酸鹽和鋁酸鹽的水化物，由于顆粒相互間的膠結(jié)作用，新生礦物逐漸脫水、結(jié)晶，從而降低了水泥改性土的液限和體變，增大了縮限和抗剪強(qiáng)度。

在南水北調(diào)中線工程膨脹土地區(qū)， 由于膨脹土的特性，挖方渠道邊坡需要采用一定摻量、 一定厚度的水泥改性土換填進(jìn)行保護(hù)加固。陳世剛等[10]主要分析膨脹土渠段改性土填筑施工中料源、施工工藝、檢測方法及檢測標(biāo)準(zhǔn)等普遍存在的問題，通過開展現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)研究，提出了相應(yīng)的解決方案和建議。宋玉才等[11]針對南水北調(diào)工程水泥改性土換填的實(shí)際情況，通過對傳統(tǒng)路拌法、拌合站廠拌法施工工藝現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)結(jié)果的分析研究，提出了一種新的水泥改性土換填施工方法——集中場拌法。強(qiáng)魯斌等[12]對膨脹土邊坡進(jìn)行水泥改性土換填時(shí)， 對常常會(huì)遇到的作業(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)排不暢等問題進(jìn)行了深入分析研究，并提出了相應(yīng)的工程處理措施。本文通過室內(nèi)試驗(yàn)確定出膨脹土水泥改性的最佳摻量，然后進(jìn)行水泥改性土脹縮特性試驗(yàn)，將改性后的膨脹土應(yīng)用于南水北調(diào)中線渠道邊坡表層防護(hù)工程中。

2 試驗(yàn)材料

2.1 膨脹土

本研究所用的膨脹土土樣取自南水北調(diào)中線工程南陽段，取樣深度為1.15～1.35 m，其自由膨脹率平均為77%。由于《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GBJ 112—87)[13]中規(guī)定：自由膨脹率為40%～65%的屬弱膨脹土，自由膨脹率為65%～90%的屬中膨脹土，自由膨脹率大于90%的屬強(qiáng)膨脹土。本研究中的膨脹土土樣屬于中膨脹土。依據(jù)地段將其稱為南陽中膨脹土，該中膨脹土的黏粒含量高達(dá)29.5%，通常情況下液限>40%，黏土礦物成分中蒙脫石-伊利石等強(qiáng)親水礦物含量較高。

2.2 水 泥

由于南水北調(diào)中線工程輸水主要用于解決北方的飲用水和生活用水問題，因此對水質(zhì)要求很高，不宜采用對水質(zhì)有影響的改良方法?？紤]以上因素，最終選用摻加水泥改性南陽中膨脹土。試驗(yàn)所用的水泥為中聯(lián)牌復(fù)合硅酸鹽水泥，水泥型號為P·C 32.5，其主要礦物成分為水硬性膠凝物質(zhì)硅酸鈣。

3 試驗(yàn)及成果分析

為研究水泥改性的作用和效果，首先對南陽中膨脹土進(jìn)行了不同水泥摻量和齡期條件下自由膨脹率試驗(yàn)，以確定合理的水泥摻量。在制備水泥改性膨脹土試樣時(shí)，為了使水泥能均勻摻入到土體中，保證每個(gè)試樣水泥摻入量一致，以一定體積所需土樣為標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行備土，并且所用水泥土樣都經(jīng)碾碎并通過0.5 mm篩后進(jìn)行擊實(shí)備樣。采用輕型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，使試樣的壓實(shí)度為93%，試樣的含水率為21.0%。然后在恒溫、恒濕條件下進(jìn)行齡期養(yǎng)護(hù)，對1，2，7，28 d齡期的水泥改性土進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)。選取不同水泥摻量的改性膨脹土和膨脹土分別進(jìn)行有荷膨脹率試驗(yàn)，以確定水泥改性膨脹土回填渠道邊坡斷面的合理厚度。最后對采用水泥改性膨脹土回填渠道邊坡表層的處理斷面進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)。

3.1 不同水泥摻量的有荷膨脹率試驗(yàn)

水泥改性南陽中膨脹土在不同水泥摻量下的養(yǎng)護(hù)齡期為0 d有荷膨脹率與荷載關(guān)系如圖1所示。從圖1可以看出：中膨脹土摻水泥后的有荷膨脹率明顯降低，尤其在低荷載作用下的膨脹率降低幅度更加顯著；膨脹土的無荷膨脹率為13.6%；無改性膨脹土仍有約3%的有荷膨脹率； 中膨脹土及水泥改性膨脹土的有荷膨脹率在外加荷載0～6.25 kPa之間發(fā)生陡降，外加荷載>6.25 kPa后，有荷膨脹率隨荷載的增加降低幅度變緩，而改性膨脹土的有荷膨脹率隨荷載的增加幾乎不變，由此可見，在荷載施加的初期，外加荷載對膨脹性的抑制作用十分顯著。

圖1 不同水泥摻量下改性膨脹土的有荷膨脹率 與荷載關(guān)系曲線Fig.1 Curves of loaded expansion rate vs. load for modified expansive soils of varying cement dosage

3.2 水泥摻量6%時(shí)的有荷膨脹率試驗(yàn)

圖2為水泥摻量為6%的改性膨脹土不同齡期時(shí)的有荷膨脹率與荷載關(guān)系曲線圖。

圖2 水泥摻量為6%的改性膨脹土不同齡期的 有荷膨脹率與荷載關(guān)系曲線Fig.2 Curves of loaded expansion rate vs. load for expansive soils modified with 6% cement content at different curing ages

水泥摻量為6%的改性膨脹土，隨著齡期的增加，有荷膨脹率變小。0 d齡期時(shí)的有荷膨脹率為6.28%，而7 d和28 d齡期的有荷膨脹率分別降低了5.06%和6.17%。水泥摻量6%的水泥改性膨脹土在28 d齡期外荷載為25 kPa時(shí)有荷膨脹率減少至0.11%；當(dāng)外荷載達(dá)到20 kPa時(shí)，水泥改性膨脹土的有荷膨脹率更是趨近于0。

4 水泥改性南陽中膨脹土換填層及其對邊坡的作用

南水北調(diào)是緩解中國北方水資源嚴(yán)重短缺局面的重大戰(zhàn)略性工程，分為東線、中線及西線3條調(diào)水線，其中中線工程渠道經(jīng)過膨脹土地區(qū)約340 km[14]。在膨脹土區(qū)域開挖渠道，由于膨脹土的工程性質(zhì)，邊坡很容易發(fā)生淺層失穩(wěn)破壞。其原因主要是膨脹土吸水膨脹，產(chǎn)生膨脹變形，引起應(yīng)力重分布，造成土體內(nèi)局部應(yīng)力水平較高，產(chǎn)生塑性區(qū)并逐漸發(fā)展，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，深度約為2～3 m?？刹捎靡欢ê穸忍幚韺拥膲褐刈饔檬蛊洳划a(chǎn)生膨脹變形或僅產(chǎn)生很小的膨脹變形，換填非膨脹土即是典型的防護(hù)和壓重措施，工程實(shí)施中效果良好。但膨脹土地區(qū)一般缺乏非膨脹的黏性土，遠(yuǎn)距離取土，造價(jià)高，且破壞農(nóng)田，開挖棄土也將占用農(nóng)田，因此可考慮就地處理膨脹土開挖棄料的措施，采用改性膨脹土，進(jìn)行一定厚度的換填方法，既約束或減小了處理層的膨脹變形，處理層又可以對下伏膨脹土起到壓重和防護(hù)的作用。

4.1 水泥土換填層厚度

水泥土換填是指利用開挖膨脹土材料與水泥按一定的比例摻合后，在渠道邊坡表層一定深度內(nèi)進(jìn)行回填，利用處理層的壓重作用使其不產(chǎn)生膨脹變形或僅產(chǎn)生很小的膨脹變形。水泥土換填是膨脹土地區(qū)邊坡表層防護(hù)的一種典型措施。合適的換填層厚度對縮短施工工期和節(jié)約處理成本起到至關(guān)重要的作用，也是邊坡防護(hù)措施的關(guān)鍵技術(shù)之一。水泥土換填層厚度根據(jù)膨脹土等級和有荷膨脹率試驗(yàn)確定。

回填膨脹土邊坡表層的厚度可根據(jù)式(1)確定，即

(1)

式中：P為膨脹土有荷膨脹率為0時(shí)對應(yīng)的荷載(kPa)；γ為回填土的重度(kN/m3);d為回填土的厚度(m)。

由式(1)，并結(jié)合6%摻量水泥改性土養(yǎng)護(hù)28 d在20 kN外荷載下的膨脹率接近于0(如圖2所示)，可得渠道邊坡表層回填土厚度約為1 m。

4.2 水泥改性土的作用機(jī)理和施工工藝

在邊坡表層一定深度內(nèi)進(jìn)行水泥土回填，其作用機(jī)理主要體現(xiàn)在如下方面：①回填深度內(nèi)的水泥改性土膨脹變形很小，基本沒有膨脹性，因此膨脹土邊坡表層不會(huì)因?yàn)楦蓾裱h(huán)作用而產(chǎn)生開裂和強(qiáng)度降低，可以有效隔絕膨脹土邊坡與外界的水分交換，則不會(huì)出現(xiàn)由于膨脹土脹縮特性引起的邊坡破壞；②回填層的壓重作用也可抑制處理層以下膨脹土的膨脹變形。

水泥改性土室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可以指導(dǎo)現(xiàn)場工程應(yīng)用，具體回填施工工藝如下。

(1) 碎土。開挖土料在拌合水泥前需破碎至設(shè)計(jì)要求的顆粒大小。土粒粒徑應(yīng)≤10 cm，其中5～10 cm粒徑含量≤5%，0.5～5 cm粒徑含量≤50%。

(2) 拌合。水泥土拌合的常用方法有穩(wěn)定土拌合法和場拌合法2種方式。一般依據(jù)拌合機(jī)的出料速率、環(huán)境影響大小、效率高低進(jìn)行拌合方案比選。水泥土拌合需要均勻，才能保證水泥改性效果。另外，在拌合過程中，由于水泥改性土在拌合過程中發(fā)生水化反應(yīng)，改性土的含水量會(huì)發(fā)生變化?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明：考慮運(yùn)輸過程中和拌合時(shí)損失的含水量，中膨脹土水泥改性土拌和過程中需加水4%～5%。

(3) 填筑。拌合滿足要求的改性土土料應(yīng)及時(shí)回填邊坡表層，在分層填筑上升過程中，應(yīng)及時(shí)對填筑邊坡進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，以防止水泥改性土砂化。

(4) 碾壓。從加水拌合到碾壓結(jié)束的延續(xù)時(shí)間，不宜超過4 h。碾壓過程中如有彈簧土、松散土、起皮現(xiàn)象，需要及時(shí)翻開重新碾壓。施工中需要注意天氣變化，防止水泥拌合料受雨淋。

4.3 水泥土換填的防護(hù)作用及效果分析

圖3為南陽中膨脹土區(qū)域試驗(yàn)段渠道邊坡開挖完成后沒有回填改性土的失穩(wěn)邊坡。降雨試驗(yàn)后，邊坡產(chǎn)生大小不等的各類滑坡，每次滑動(dòng)深度均不大，大約在2 m以內(nèi)，呈現(xiàn)明顯的淺層牽引式滑動(dòng)。

圖3 南陽段渠道滑坡(2次人工降雨后)Fig.3 Landslide of canal slope in Nanyang segment after twice artificial rainfalls

回填水泥改性膨脹土的處理斷面及監(jiān)測布置示意圖如圖4所示。從圖4中可看出，渠道邊坡表層回填了1 m厚的水泥改性土。考慮膨脹土改性試驗(yàn)結(jié)果，以自由膨脹率≤40%作為改性標(biāo)準(zhǔn)，初步確定水泥摻量，同時(shí)輔以膨脹力和膨脹率試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步復(fù)核，確定采用6%摻量的水泥改性土作為南陽地區(qū)渠道邊坡表層的覆蓋回填料。

回填完成后，為了檢測換填表層邊坡防護(hù)效果，布置了含水率探頭、測斜管等測試儀器，如圖4所示。測斜管布置在坡頂、坡中部和坡腳；含水率、基質(zhì)吸力探頭布置在渠坡中部，按0.5 m間隔埋設(shè)，最大埋深應(yīng)達(dá)到當(dāng)?shù)卮髿庥绊懮疃?，一般約為2～3 m。

圖4 采用水泥改性土回填措施及監(jiān)測布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of cement-modified soil backfill and monitoring arrangement

通過對水泥改性土回填處理的渠道邊坡進(jìn)行長期現(xiàn)場監(jiān)測，觀測到邊坡的最大水平位移為16.44 mm，如圖5所示?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明采用水泥改性膨脹土回填處理邊坡表層后，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有出現(xiàn)明顯的淺層滑動(dòng)跡象。

圖5 水泥改性中膨脹土回填后坡肩的最大位移歷時(shí)曲線Fig.5 Time-history curve of maximum displacement at slope shoulder after backfill with cement-modified expansive soil

5 結(jié) 論

通過對南陽中膨脹土水泥改性試驗(yàn)及其換填渠道邊坡表層防護(hù)作用效果分析，可得出以下結(jié)論：

(1) 考慮膨脹土改性的試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合施工工藝要求，針對自由膨脹率為77%的南陽地區(qū)中膨脹土，采用6%的水泥摻量可滿足回填土的工程特性要求。

(2) 齡期28 d水泥摻量為6%的改性膨脹土，當(dāng)外荷載增加到20 kPa，有荷膨脹率幾乎為0，無改性膨脹土仍有約3%的有荷膨脹率。

(3) 水泥改性膨脹土回填施工過程中要注意天氣變化，防止水泥拌合料受雨淋?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明：渠坡表層換填水泥改性土是有效的，可以解決由于膨脹作用導(dǎo)致渠坡的淺層失穩(wěn)問題。

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(編輯：劉運(yùn)飛)

Effect of Cement-modified Expansive Soil in Slope Protection

SUN Hui1, LIU Jun1, HU Bo1, ZHANG Quan2

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China; 2. Geotechnical Research Institute,Hohai University, Nanjing 210098, China)

Expansive soils have brought great harm to engineering projects due to the properties of water swelling and dehydration shrinkage. In this article, expansion and contraction tests were carried out on expansive soils mixed with varing cement content. Results suggest that the optimum cement dosage was 6%. The modified expansive soil was then used as reinforcement material to replace the surface layer of cannel slope in the middle route of South-to-North Water Transfer Project. The protection effect was field monitored by inclinometer pipe and deformation tube. Results prove that cement-treated expansive soil as a backfill could solve the shallow instability problem of expansive soil slope.

cement-modified expansive soil; middle route of South-to-North Water Transfer Project; cannel slope; swelling shrinkage test; slope protection effect

2016-02-24；

2016-09-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51108042)；國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAB07B00); 中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(CKSF2016044/YT，CKSF2016272/YT)；水利部科技推廣項(xiàng)目(TG1417)

孫 慧(1980-)，女，湖北隨州人，高級工程師，博士，主要從事環(huán)境巖土方面的工作，(電話)027-82827522(電子信箱)sunhui_hust@126.com。

10.11988/ckyyb.20160144

2017,34(5):53-57

TV52；TU443

A

1001-5485(2017)05-0053-05