水泥改性土削坡棄料利用問題研究

張恒晟,龔壁曹新建,王 衛(wèi),胡 波

(1.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010，2.安徽省引江濟淮集團有限公司，合肥 230000)

1 研究背景

膨脹土在我國分布廣泛，是一種具有強親水性、高塑性以及劇烈脹縮性的高塑性黏土，在膨脹土地區(qū)開展工程建設，將面臨建筑開裂、地基變形、邊坡失穩(wěn)等潛在風險，工程危害極大。對此，程展林等[1]提出應針對膨脹土的兩類破壞機理，即對“膨脹變形作用下的淺層破壞”采用換填非膨脹土等壓重處理的措施；對“裂隙強度控制的整體破壞”應采用抗滑樁、錨等支擋措施。由于膨脹土地區(qū)大多難以獲得符合填筑條件的優(yōu)質(zhì)非膨脹土，因此，采用膨脹土經(jīng)水泥改性作為換填土料，成為膨脹土地區(qū)渠道或邊坡施工常用的處理方案之一。

南水北調(diào)中線工程總干渠全長1 427.17 km，干渠沿線經(jīng)過膨脹土(巖)、黃土、易振動液化砂土等特殊土(巖)地區(qū)，工程地質(zhì)條件復雜。其中，總干渠明渠段渠坡或渠底涉及膨脹土(巖)累計長度340余km。考慮到膨脹土地段沿線無合格換填土料的因素，設計提出了換填水泥改性土的處理措施，涉及地段包括河南南陽、新鄉(xiāng)、安陽等地，水泥改性土施工方量達3 000余萬m3。

在膨脹土渠道邊坡?lián)Q填處理施工過程中，通常先采用機械開挖的方式達到預定開挖深度，然后分層填筑換填土料，再經(jīng)碾壓達到設計密度要求。施工過程中，經(jīng)多次分層填筑碾壓的坡面會形成多級臺階，然后采用全斷面機械削坡的方式達到設計坡比[2-3]。削坡后會產(chǎn)生大量的水泥改性土棄料(以下簡稱削坡棄料)，若直接丟棄既造成一定的浪費又大量占地。超填水泥改性土削坡后的土料能否作為換填土料再次利用是值得研究的問題。

有關削坡棄料的利用問題，以往研究成果不多。劉鳴等[4-5]從摻拌方法和施工工藝角度出發(fā)，對水泥改性土悶料時間進行研究，得出合理的悶料時間，防止改性土料砂化和含水率損失。李佳良等[6]對削坡棄料進行壓實性能研究，并提出3種二次改良的方法，為削坡棄料的二次利用提供了參考。明經(jīng)平等[7]針對引江濟淮段膨脹土渠道邊坡?lián)Q填余料二次利用問題進行了研究，但仍未解答水泥改性土換填余料能否二次利用的問題。張勝明等[8]對弱膨脹水泥改性土削坡棄料進行碾壓試驗，證明弱膨脹水泥改性土可以二次利用，但未從強度特性、滲透特性等方面進行研究。

本文總結(jié)歸納了長江科學院在南水北調(diào)中線工程南陽膨脹土段所取得的水泥改性土削坡棄料研究成果，全面分析削坡棄料的壓實特性、變形性能、膨脹性、強度特性以及滲透性等，研究成果為南水北調(diào)中線工程膨脹土渠段改性土的施工提供了技術支撐。

2 試驗方案

水泥改性土削坡棄料能否作為合格的填筑材料再次利用，其控制性指標主要是膨脹性相關的指標，如自由膨脹率<40%等。此外，土料的壓縮性、滲透性和抗剪強度等指標也要與一般黏性土相當。對此，本文的試驗研究圍繞削坡棄料重塑樣的膨脹性、壓實與變形特性、強度特性以及滲透性等開展工作。表1為現(xiàn)場取得的各類土樣的基本物理指標。

表1 土的基本物理指標Table 1 Basic physical indicators of soil specimens

由于現(xiàn)場填筑時的水泥改性土尚需要一定齡期才能達到改性效果，而削坡棄料在水泥改性土經(jīng)過碾壓、固結(jié)后再削坡處理，所摻水泥與土料已充分結(jié)合并發(fā)生反應，其特性已經(jīng)發(fā)生了改變。為此，需要對新鮮摻拌水泥改性土(以下簡稱新拌改性土)和改性土削坡料的相關性能進行對比分析，試驗方案如下。

(1)削坡棄料的壓實性能。為了研究削坡棄料的壓實特性，對新拌改性土和削坡棄料進行對比試驗。將從施工現(xiàn)場取回的中膨脹土和弱膨脹土，分別按照6%水泥摻量和3%水泥摻量在室內(nèi)制備水泥改性土土樣，同時將從現(xiàn)場取回的削坡棄料粉碎，對新拌改性土樣和削坡棄料分別進行室內(nèi)擊實試驗。

(2)削坡棄料的壓縮變形和脹縮特性。從現(xiàn)場取回的削坡棄料粉碎后，弱膨脹改性土按照25.0%的含水率、100%的壓實度制備重塑樣，中膨脹改性土按照26.7%的含水率、100%的壓實度制備重塑樣，依據(jù)土工試驗規(guī)程，分別進行壓縮試驗、有荷膨脹率試驗(最大壓力50 kPa)和收縮試驗來獲得削坡棄料壓縮變形和脹縮特性。

(3)削坡棄料的強度特性。為了研究削坡棄料的強度特性，對新拌改性土、改性土現(xiàn)場原狀樣以及削坡棄料分別進行無側(cè)限抗壓強度試驗。將從現(xiàn)場取回的削坡棄料進行粉碎后，分別按照96%壓實度、100%壓實度以及天然含水率狀態(tài)、飽和含水率狀態(tài)制備重塑土樣，進行無側(cè)限抗壓強度試驗；在室內(nèi)按照中膨脹土摻6%水泥、93%的壓實度，弱膨脹土摻3%水泥、95%壓實度制備飽和土樣，養(yǎng)護28 d后進行無側(cè)限抗壓強度試驗；對從現(xiàn)場取回的原狀樣，進行無側(cè)限抗壓強度試驗。

為了研究削坡棄料的抗剪強度，分別對弱膨脹水泥改性土削坡棄料重塑樣和中膨脹水泥改性土削坡棄料重塑樣進行三軸固結(jié)不排水(CU)試驗，弱膨脹水泥改性土削坡棄料按照25%的含水率、100%壓實度制備重塑樣，中膨脹改性土削坡棄料按照26.7%的含水率、100%壓實度制備重塑土樣；試驗圍壓分別為50、100、150、200 kPa。

(4)削坡棄料的滲透特性。重點研究了弱膨脹土改性后削坡棄料的滲透特性。按照弱膨脹改性土削坡棄料25%的含水率、100%壓實度要求，制備削坡棄料的重塑樣，依據(jù)土工試驗規(guī)程，進行變水頭滲透試驗。

3 水泥改性土削坡棄料壓實及變形特性

3.1 壓實特性

新拌改性土和削坡棄料土樣的擊實試驗成果見圖1、表2所示。試驗成果表明，與室內(nèi)新拌改性土的壓實性能相比，削坡棄料的最優(yōu)含水率更大，而最大干密度更小。從土樣的壓實特性上講，隨著齡期的增長，要達到相同的干密度，則所需的壓實功將更大，填料更難壓密。

圖1 削坡棄料干密度與含水率關系曲線Fig.1 Relation between dry density and moisture content of slope-cutting discards

表2 擊實試驗成果Table 2 Results of compaction test

3.2 壓縮變形

弱膨脹土和中膨脹土改性前屬于高、中壓縮性土，摻加3%和6%水泥改性后，其壓縮系數(shù)均<0.1 MPa-1，為低壓縮性土[1]。削坡棄料壓縮變形試驗成果見表3、圖2所示。試驗結(jié)果表明，削坡棄料重塑樣的壓縮系數(shù)均<0.1 MPa-1，與改性土相比，未發(fā)生明顯變化；弱膨脹水泥改性土削坡棄料重塑樣和中膨脹水泥改性土削坡棄料重塑樣的天然含水率以及飽和含水率所對應的孔隙比均隨壓力的增大而減小。

表3 削坡棄料壓縮試驗成果Table 3 Results of compression test of soil-cutting discards

圖2 膨脹改性土削坡棄料孔隙比與壓力的關系曲線Fig.2 Relation between pore ratio and pressure of expansive modified slope-cutting discards

4 水泥改性土削坡棄料脹縮性

4.1 有荷膨脹率試驗

水泥改性土養(yǎng)護28 d后，弱膨脹水泥改性土(摻3%水泥)和中膨脹改性土(摻6%水泥)的有荷膨脹率接近于0，較素土的有荷膨脹率已明顯減小[9]。削坡棄料有荷膨脹率試驗成果見表4、圖3所示。分析試驗結(jié)果可得，削坡棄料的膨脹率隨上覆壓力的增大而減小，弱膨脹改性土削坡棄料膨脹率隨上覆壓力的增加變化更為明顯；削坡棄料的膨脹率均<1%，略高于水泥改性土(養(yǎng)護28 d)，但較素土的有荷膨脹率已明顯減小。

表4 削坡棄料有荷膨脹率試驗成果Table 4 Test result of expansive rate of slope-cutting discards under loading action

圖3 膨脹改性土削坡棄料膨脹率與壓力的關系曲線Fig.3 Relation between expansive rate and pressure of expansive modified slope-cutting discards

4.2 收縮特性

削坡棄料的收縮試驗成果見表5、圖4所示。分析試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，弱膨脹水泥改性土削坡棄料和中膨脹水泥改性土削坡棄料的線縮率均小于室內(nèi)素土的線縮率(弱膨脹素土為3.6%，中膨脹素土為5.0%)；弱膨脹水泥改性土削坡棄料的線收縮率由素土的3.6%降低到2.43%，中膨脹水泥改性土削坡棄料的線收縮率由素土的5%降低到1.45%，兩者相比，中膨脹水泥改性土削坡棄料的線縮率變化更為明顯。

表5 削坡棄料擊實樣收縮試驗成果Table 5 Test results of shrinkage of compacted slope-cutting discards

圖4 膨脹改性土削坡棄料線縮率與含水率的關系曲線Fig.4 Relation between linear shrinkage and moisture content of expansive modified slope-cutting discards

分析削坡棄料線縮率與含水率的關系曲線，線縮率隨含水率的增加而減小，弱膨脹改性土削坡棄料線縮率受含水率變化的影響更明顯。

弱膨脹水泥改性土削坡棄料的收縮系數(shù)為0.186，中膨脹水泥改性土削坡棄料的收縮系數(shù)為0.118，其收縮系數(shù)與素土(素土收縮系數(shù)為0.39～0.42)相比較明顯減小。

5 水泥改性土削坡棄料強度特性

5.1 無側(cè)限抗壓強度

對削坡棄料重塑樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗，表6為再重塑樣無側(cè)限抗壓強度試驗成果。表7為原室內(nèi)配比試驗28 d齡期和本次現(xiàn)場原狀樣的無側(cè)限抗壓強度試驗成果。

表6 削坡棄料無側(cè)限抗壓強度試驗成果Table 6 Test results of unconfined compressive strength of slope-cutting discards

表7 室內(nèi)配比和現(xiàn)場原狀樣無側(cè)限抗壓強度試驗成果Table 7 Test results of unconfined compressive strength of indoor-prepared specimens and site material

依據(jù)試驗結(jié)果，96%壓實度的削坡棄料的無側(cè)限抗壓強度明顯低于100%壓實度的削坡棄料；在飽和狀態(tài)、壓實度相近的情況下，膨脹土削坡棄料的無側(cè)限抗壓強度顯著低于室內(nèi)配比試驗和現(xiàn)場原狀樣強度，說明再重塑樣的力學強度特性遠低于原配比試樣。

5.2 三軸壓縮強度

弱膨脹水泥改性土(水泥摻量3%)養(yǎng)護28 d后c為104.5 kPa、內(nèi)摩擦角φ為20.1°；中膨脹水泥改性土(水泥摻量6%)養(yǎng)護28 d后c為40.8 kPa、φ為23.2°[10]。對弱膨脹水泥改性土削坡棄料和中膨脹水泥改性土削坡棄料重塑樣進行三軸CU試驗，再重塑樣三軸試驗成果見表8、圖5所示。

表8 削坡棄料三軸CU試驗成果Table 8 Results of triaxial consolidated undrained test on slope-cutting discards

圖5 弱膨脹和中膨脹改性土削坡棄料三軸CU試驗結(jié)果Fig.5 Failure patterns of weakly and moderately expansive modified slope-cutting discards under triaxial consolidated undrained test

對比發(fā)現(xiàn)，削坡棄料的三軸試驗強度指標未發(fā)生明顯變化。從應力-應變關系上看，在低應力狀態(tài)(≤200 kPa)下，削坡棄料呈輕微應變軟化型，削坡棄料破壞應變?yōu)?%～5%；削坡棄料的峰值強度、破壞應變均隨圍壓的增大而增大，削坡棄料的強度增長速率隨圍壓的增大而增大，峰值強度的提高較為明顯；在壓實度相同、含水率接近的情況下，50 kPa圍壓時弱膨脹改性土的破壞應力明顯高于中膨脹改性土，但隨著圍壓的增大，這種差別逐漸減小，到200 kPa圍壓時，破壞應力接近一致。從試驗原理上講，三軸試驗方法更接近真實的受力狀況，而無側(cè)限抗壓強度試驗方法則一般適用于軟黏土。

6 水泥改性土削坡棄料滲透特性

弱膨脹水泥改性土的削坡棄料變水頭滲透試驗成果見表9所示。試驗成果表明，弱膨脹改性土削坡棄料的滲透系數(shù)較小，為10-8cm/s數(shù)量級，較現(xiàn)場改性試驗的滲透系數(shù)(10-7cm/s數(shù)量級)小，說明經(jīng)過填筑施工以后的削坡棄料仍有較好的防滲性能。

表9 削坡棄料滲透試驗成果Table 9 Permeability test results of slope-cutting discards

7 結(jié) 語

為解決南水北調(diào)中線工程水泥改性膨脹土削坡棄料能否二次利用的問題，通過現(xiàn)場取樣、室內(nèi)試驗，研究了現(xiàn)場水泥改性土削坡棄料的基本特性。主要研究成果如下：

(1)削坡棄料壓實及變形特性。根據(jù)文獻[1]水泥改性土為低壓縮性土，削坡棄料仍為低壓縮性土，顯示出較好的填筑性能；對比新鮮摻拌水泥改性土，由于水泥的固化作用，削坡棄料再填筑時的最優(yōu)含水率更大，最大干密度變小，需要更大的壓實功能才能達到最優(yōu)的壓實效果。

(2)水泥土改性土削坡棄料脹縮特性。通過有荷膨脹率試驗，水泥土改性土削坡棄料重塑樣的膨脹性略高于養(yǎng)護28 d后的新拌改性土，但與素土(原膨脹土料，下同)的有荷膨脹率相比已顯著減小。在收縮性上，削坡棄料的線縮率小于室內(nèi)素土，收縮系數(shù)也比素土小得多。

(3)水泥土改性土削坡棄料強度特性。根據(jù)三軸強度試驗成果，削坡棄料再重塑樣強度指標與新拌改性土相差不大，削坡棄料可以作為填筑材料繼續(xù)使用。

(4)水泥土改性土削坡棄料滲透特性。試驗成果表明，弱膨脹改性土削坡棄料的滲透系數(shù)與新拌改性土、黏性土填料滲透性相當，削坡棄料仍具有較好的防滲性能。

綜上所述，水泥改性土削坡棄料的膨脹性、物理特性和強度及變形性能均滿足填筑土料要求，僅需要更大的壓實功即能達到預期的效果，水泥改性土削坡棄料可以作為改性填料再次使用。