水泥改性膨脹土渠道施工研究

孫玉齊 張宏 杜旭斌

摘 ?????要： 為了節(jié)約填土材料和降低膨脹土對渠道的影響，將弱中膨脹性的膨潤土摻加水泥進(jìn)行改性，采用水泥改性后，膨脹土的膨脹性和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到提高，抗剪強(qiáng)度等指標(biāo)可以滿足施工用土要求。測定了膨脹土的各項試驗指標(biāo)，采用不同水泥摻配比例的方法確定出水泥改性膨脹土的最佳用量，分析改性后膨脹土各項性能指標(biāo)和施工方法差異。結(jié)果表明，利用水泥改性弱中膨脹土的效果顯著。施工中不同碎土方法差異性大，水泥應(yīng)不碎土?xí)r加入拌和均勻度更佳，最佳含水率確定和碾壓遍數(shù)同壓實度關(guān)系，為弱中膨脹土研究及施工提供參考。

關(guān) ?鍵 ?詞：渠道;膨脹土;水泥改性;碎土方法

中圖分類號：TU751+.5 ?TV443 ????文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）06-1254-04

Abstract： In order to save filling materials and reduce the influence of expansive soil on channels， weak-medium expansive bentonite was mixed with cement for modification. After cement modification， the expansibility and unconfined strength of expansive soil were improved， and the indexes such as shear strength and so on can meet the requirements of construction soil indexes. Various test indexes of expansive soil were measured， and the optimal dosage of cement was determined by using different cement blending ratios， the performance indexes and construction methods of modified expansive soil were analyzed. The results showed that the effect of modifying weak-medium expansive soil with cement was remarkable. Different methods of crushing soil varied greatly during construction. When cement was added before crushing soil， the mixing uniformity was better. The determination of optimum moisture content and the relationship between and the compaction degree and the number of rolling passes can provide some reference for the research and construction of weak-medium expansive soil.

Key words： Channel; Expansive soil; Cement modification; Crushing method

膨脹土在我國中西部地區(qū)廣泛分布，劃分為壤土、粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土、黏土四個種類[1]。主要礦物組分為蒙脫石、伊利石和高嶺石成分的黏土礦物為主，不同含量礦物可以改變膨脹土遇水變形和溫度限度變化等特性。失水時，土體發(fā)生收縮變形，土體中產(chǎn)生裂隙[2]，多次脹縮導(dǎo)致土體碎裂成小土塊，遇水后土體強(qiáng)度急劇下降，失水越多，對土體強(qiáng)度影響越大[3，4]。

膨脹土天然強(qiáng)度較高，但在經(jīng)過干濕循環(huán)后，抗剪強(qiáng)度明顯下降，降低幅度與干濕循環(huán)中含水量變化大小有關(guān)，含水量變化達(dá)到15%時，第一次循環(huán)抗剪強(qiáng)度降低約60%，循環(huán)次數(shù)越多，減低幅度越大造成各類工程等遭受破壞，渠道填筑對土用量巨大，換填土和地基加固等措施使工程成本大幅增加[5]，同時還存在延長施工期限等缺點，因此對膨脹土的改性成為研究熱門。

在渠道項目施工中，為了降低自由膨脹率和增大飽和抗壓強(qiáng)度，向膨脹土內(nèi)摻入一些無機(jī)結(jié)合料，使其與膨脹土發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)形成新的物質(zhì)，以改變性質(zhì)。

目前，在道路上主要應(yīng)用石灰改性土[6]、石灰和粉煤灰改性土[7]、水泥改性土[8]。水利上在南水中線北調(diào)工程渠道上大量應(yīng)用水泥改性膨潤土，水泥改良膨脹土能大幅度地提高膨脹土的穩(wěn)定性和耐久性，強(qiáng)度和脹縮等特性也發(fā)生改變，取得了很好的應(yīng)用效果[9，10]。

1 ?膨脹土指標(biāo)分析

所用原材料膨潤土來源陜西延安地區(qū)，其主要礦物成分以蒙脫石為主，膠結(jié)程度差，黏粒含量高，呈硬塑狀態(tài)，土體多裂隙，剪切裂隙發(fā)育，屬于典型的沉積型膨脹土[11]。在水中土塊快速崩解為小顆粒，粘結(jié)強(qiáng)度喪失;干濕循環(huán)次數(shù)越多，遇水后土體粘結(jié)強(qiáng)度喪失越大。

1.1 ?膨脹土含水率與剪應(yīng)力試驗分析

制作對不同含水率膨脹土試件，在200 kN壓力下進(jìn)行直剪試驗[12]，得到含水量與剪應(yīng)力關(guān)系如圖1所示。從圖中可以得出，受軟化系數(shù)的影響，隨著含水量的增加膨脹土抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢，下降速率逐漸變小。

1.2 ?所選膨脹土地層結(jié)構(gòu)特征

膨脹土地層結(jié)構(gòu)特征分為三個影響帶：大氣劇烈影響帶，過渡帶，非影響帶。膨脹土各影響帶分布如圖2所示。

大氣劇烈影響帶深度2～3.5 m，脹縮裂隙發(fā)育，土體通常被裂隙分割成散粒狀，含水量與大氣條件關(guān)系密切，含水量變化大。土體在非雨季時力學(xué)強(qiáng)度較高，下雨時或飽水后力學(xué)強(qiáng)度迅速降低。過渡帶位于劇烈影響帶以下，埋深位于地表以下3～7 m，土體一般情況下飽和度大于90%，土體的含水量年變幅相對較小，靜力觸探和豎井顯示本帶為相對軟弱層。過渡帶不僅發(fā)育有大裂隙和長大裂隙，而且還分布上層滯水。非影響帶的膨脹土明顯體現(xiàn)出其超固結(jié)性和微透水性，一般呈非飽和狀態(tài)，為典型的非飽和土。土體中的大裂隙隨深度增加逐步減少，且多呈閉合狀，呈光滑鏡面，土體滲透性微弱，為不透水層。

2.2 ?膨脹土水泥改性試驗

可用于改性的膨脹土屬于弱和中膨脹性，高膨脹性改性很難達(dá)到指標(biāo)要求，一般采用換填處理。膨脹土破碎后，土塊粒徑不大于10 cm，0.5～5 cm粒徑含量<50%，5～10 cm顆粒含量<5%。水泥摻量根據(jù)膨脹土的膨脹率確定摻配比例（一般弱膨脹土參考摻量3%～5%，中膨脹土摻量6%～8%[4]）。

按不同水泥摻量，利用輕型擊實試驗確定最佳含水率;根據(jù)各組最佳含水率拌和成型試件，測得7 d飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和不同齡期自由膨脹率試驗結(jié)果見表2。

由表2數(shù)據(jù)分析，利用輕型擊實試驗確定最佳含水率，含水率在23%～26%之間，隨水泥的摻加量增加最佳含水率降低。在摻入水泥改性后，弱膨脹土和中膨脹土7 d飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值都有很大提高。弱膨脹土水泥摻量自3%提高到4%，抗壓強(qiáng)度值增加52.9 kPa;自4%提高到5%，抗壓強(qiáng)度值增加5.6 kPa。可知，弱膨脹土水泥改性摻量大于4%后對強(qiáng)度影響較小，再增加水泥摻加量經(jīng)濟(jì)效益較差，選擇4%摻量效果較好。中膨脹土水泥摻量自6%提高到7%，抗壓強(qiáng)度值增加6.4 kPa;自7%提高到8%，抗壓強(qiáng)度值增加1.3 kPa，對強(qiáng)度影響都不高?？芍信蛎浲了喔男該搅看笥?%后對強(qiáng)度影響變?nèi)?，再增加水泥摻加量獲得強(qiáng)度已經(jīng)效果較差，就強(qiáng)度而言選擇6%摻量效果較好。

中膨脹土弱膨脹土和中膨脹土不同齡期自由膨脹率整體趨勢是隨水泥摻加量增加而降低。齡期由0 d到7 d過程中，水泥改性對膨潤土自由膨脹率影響大，降低膨脹率都在20%以上。齡期由7 d到28 d過程中，水泥改性對膨潤土自由膨脹率影響減弱，降低膨脹率在6%上下。水泥摻量自4%提高到5%時，弱膨脹土的28 d自由膨脹率減小很少，摻加4%水泥綜合性能較好。水泥摻量自6%提高到7%時，中膨脹土的28 d自由膨脹率減小也很少，但是二者在弱膨脹土自由膨脹率下限40%兩側(cè)，應(yīng)根據(jù)要求合理選擇水泥用量為6%或7%。

3 ?施工工藝

3.1 ?水泥土拌和

路拌法具有施工方便，不需要多次裝卸運(yùn)輸，節(jié)約工期的特點，在環(huán)境允許情況下有很好的經(jīng)濟(jì)價值。弱膨脹土和中膨脹土水泥改性施工關(guān)鍵主要集中在碎土， 最佳含水率控制和碾壓過程。各種碎土方法差異較大，應(yīng)根據(jù)具體情況合理選擇，碎土方法差異見表3。施工條件滿足條件下，根據(jù)工程量大小選擇適應(yīng)的碎土方法，有利于提高效率，保證施工質(zhì)量。

拌和水泥方式采用先碎土兩邊再添加水泥拌和同不碎土直接拌和對比，兩種拌和方法水泥含量均勻度與拌和遍數(shù)的關(guān)系如圖3所示。由圖分析，不碎土直接拌和水泥表現(xiàn)出更易于拌和的特性，當(dāng)拌和次數(shù)達(dá)到4次及以上時，兩種方法水泥含量均勻度已非常接近。這說明采用直接拌和優(yōu)于碎土后的拌和方式，并且減少了單獨碎土過程，使施工更經(jīng)濟(jì)快速。

3.2 ?含水率確定

根據(jù)實驗室確定最佳含水率指導(dǎo)實際施工，應(yīng)考慮施工中拌和、運(yùn)輸、攤鋪等施工過程水分蒸發(fā)量，適當(dāng)提高含水率，以保證壓實度。一般廠拌法含水率在最佳含水率基礎(chǔ)上增加2%～3%，路拌法應(yīng)考慮天氣情況和拌和機(jī)械，一般應(yīng)該在最佳含水率基礎(chǔ)上增加3%～6%。抽樣檢測含水率和水泥含量，弱膨脹水泥改性土水泥含量標(biāo)準(zhǔn)差小于0.7;初期拌和場面積小于600 m2水泥改性土抽檢大于6個樣，中后期檢測頻次可適當(dāng)減少。

3.3 ?碾壓遍數(shù)確定

弱膨脹土水泥改性碾壓遍數(shù)與壓實度關(guān)系如圖4所示。中膨脹土水泥改性碾壓遍數(shù)與壓實度關(guān)系如圖5所示。

由圖4可以看出，在碾壓6～14遍時，弱膨脹土水泥改性碾壓遍數(shù)與壓實度呈線性關(guān)系，隨碾壓遍數(shù)增加壓實度增大，應(yīng)根據(jù)需要達(dá)到的壓實度選擇合理的碾壓遍數(shù)。由圖5可以看出中膨脹土水泥改性碾壓遍數(shù)與壓實度呈拋物線關(guān)系，在碾壓6～7遍時具有較好的壓實度。

4 ?結(jié) 論

（1）膨脹土進(jìn)行直剪試驗，受軟化系數(shù)的影響，隨著含水量的增加膨脹土抗剪強(qiáng)度在下降。含水量大于20%時對強(qiáng)度影響變小，小于20%時對強(qiáng)度影響較大。利用輕型擊實試驗確定最佳含水率，含水率在23%～26%之間，隨水泥的摻加量增加而降低。

（2）弱膨脹土水泥改性摻量選擇4%時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度同5%水泥摻量差異不大，28 d自由膨脹率也很小。中膨脹土水泥摻量自6%提高到7%，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加量同7%提高到8%相差不多，但是28 d自由膨脹率在弱膨脹土自由膨脹率下限40%兩側(cè)，應(yīng)根據(jù)要求合理選擇水泥摻量為6%或7%。

（3）在施工中采用不碎土方式拌和水泥土效果佳，動態(tài)控制最佳含水率，根據(jù)碾壓關(guān)系確定碾壓遍數(shù)。

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