河渠邊坡水泥改性膨脹土換填施工質(zhì)量控制要點(diǎn)淺析

徐 鑫

（上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海市201707）

0 引言

膨脹土是一種具有特殊性質(zhì)的土，在我國(guó)20多個(gè)省、市均有不同范圍的分布。膨脹土因其特性，會(huì)對(duì)建設(shè)工程產(chǎn)生極大危害和巨大經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于膨脹土的工程治理，通常采用物理、化學(xué)和生物方法進(jìn)行改良。本文結(jié)合引江濟(jì)淮工程江淮溝通段水泥改性土（無(wú)機(jī)化學(xué)改良）的施工質(zhì)量控制經(jīng)歷，從工程監(jiān)理視角對(duì)水泥改性土換填施工質(zhì)量控制做簡(jiǎn)要分析。

1 工程概況

引江濟(jì)淮工程（安徽段）江淮溝通段J009-1（河渠）標(biāo)為汪前郢至東郢渠段J48+000～J52+850，輸水渠道4.85 km，設(shè)計(jì)流量290 m3/s，全線采用明渠平底開(kāi)挖布置，渠道底寬60 m，底高程13.40 m，膨脹土處理渠段4.85 km，邊坡全線防護(hù)，采用摻入4%水泥的重粉質(zhì)壤土（改性土）進(jìn)行換填處理，河道防護(hù)段面如圖1所示，工程范圍內(nèi)自由膨脹率沿里程變化如圖2所示。河渠工程邊坡坡比1∶3。膨脹土出露渠坡坡面并外伸3.0 m（水平距離），膨脹土出露渠底坡腳附近10 m（厚度1.5 m），膨脹土出露坡頂開(kāi)口線以外13 m（厚度1.0 m）。

圖1 河道防護(hù)斷面圖（單位：mm）

圖2 自由膨脹率沿里程變化散點(diǎn)圖

2 膨脹土的定義和危害

《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》（GB 50112—2013）中，定義膨脹土為：土中黏粒成分主要由親水性礦物組成，同時(shí)具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的黏性土。判定是否為膨脹土主要依據(jù)為相關(guān)工程地質(zhì)特征及建筑物的破壞形態(tài)，關(guān)鍵指標(biāo)為“黏性土的自由膨脹率≥40%”。

膨脹土在漲縮性（遇水膨脹、失水收縮）、裂隙性及超固結(jié)性“三性”復(fù)雜的共同作用下，使得其工程性質(zhì)極差。邊坡工程中，由于膨脹土的工程特性，加之環(huán)境條件的影響，極易導(dǎo)致地基位移，產(chǎn)生滑坡、溜塌、塌滑及膨脹等工程病害，致使邊坡防護(hù)功能失效。地基工程中，受漲縮特性及外界溫度變化的影響，引起基礎(chǔ)不均勻沉降，發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，導(dǎo)致其上建筑物傾斜、開(kāi)裂，極易引發(fā)生產(chǎn)安全事故。

3 水泥改性土的作用機(jī)理

膨脹土中含有大量親水性強(qiáng)的蒙脫石、伊利石和高嶺土等活性黏土礦物，土質(zhì)中含有鈣質(zhì)或鐵錳質(zhì)結(jié)構(gòu)。蒙脫石和伊利石相比表面積更大，在低含水量時(shí)對(duì)水有巨大的吸力，使得膨脹土具有很高的膨脹潛勢(shì)。從微觀結(jié)構(gòu)分析，膨脹土中的礦物成分在空間上呈現(xiàn)面與面連接的疊聚體結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式比團(tuán)粒結(jié)構(gòu)具有更大的吸收膨脹和失水收縮的能力。

水泥作為改性無(wú)機(jī)固化材料，通過(guò)其中硅、鋁酸鹽與膨脹土中的礦物離子發(fā)生化學(xué)交換反應(yīng)、硬凝反應(yīng)，破壞親水性礦物結(jié)構(gòu)，降低黏土的礦物含量，產(chǎn)生純水化石灰等新的弱膨脹性或無(wú)膨脹性膠凝物質(zhì)，提高土顆粒間的黏聚力，減少土體內(nèi)部孔隙率，從而達(dá)到降低或消除膨脹土脹縮性的目的。

4 水泥改性土施工工藝流程

本工程渠道水泥改性土填筑按100 m一個(gè)單元（段）進(jìn)行施工，填筑由渠道底板（平臺(tái)）向上分段分層進(jìn)行施工。渠道水泥改性土填筑施工工藝流程如圖3所示。

圖3 水泥改性土施工工藝流程圖

5 水泥改性土施工工序質(zhì)量控制要點(diǎn)

水泥改性土施工質(zhì)量控制主要包括對(duì)原材料質(zhì)量、水泥土制備質(zhì)量以及水泥土填筑施工質(zhì)量的控制。

5.1 原材料質(zhì)量控制

水泥改性土的原料包含土料和水泥。

5.1.1 土料的要求包含儲(chǔ)備和鑒別

土料儲(chǔ)備應(yīng)明確土料的來(lái)源和存儲(chǔ)量，保證連續(xù)施工。土料的選用宜就近取材，盡量減少二次倒運(yùn)，可合理選用經(jīng)檢測(cè)符合工程使用要求的原狀開(kāi)挖土；對(duì)于原狀開(kāi)挖土用作原土料的應(yīng)測(cè)算方量，根據(jù)工程量的分布特點(diǎn)及施工條件，可采取“分段作業(yè)”施工方案；對(duì)合格原土料應(yīng)根據(jù)整體施工布置安排，選擇合適的地點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)儲(chǔ)存，明確供應(yīng)工區(qū)和使用部段。土料鑒別則是開(kāi)工前對(duì)擬選用的原土料依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL 237）進(jìn)行土工試驗(yàn)，確定原狀膨脹土的取土開(kāi)挖范圍、開(kāi)挖條件、可開(kāi)采厚度，獲取土料自由膨脹率、天然含水量、顆粒級(jí)配、黏性土的液塑限等指標(biāo)數(shù)值。

本工程對(duì)渠道沿線49.5 km的膨脹土分布進(jìn)行了517組室內(nèi)自由膨脹率試驗(yàn)，繪制出“自由膨脹率沿里程變化散點(diǎn)圖”（如圖2所示），得出本工程區(qū)段內(nèi)原狀膨脹土的自由膨脹率均值為41.8%，根據(jù)“膨脹土的膨脹潛勢(shì)分類(lèi)”標(biāo)準(zhǔn)，確定本工程區(qū)段內(nèi)的原狀膨脹土屬弱膨脹土，并同步確定本區(qū)段⑤層重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土作為水泥改性土換填土料，該部位土料自由膨脹率48%，試驗(yàn)確定4%水泥參量改性土最優(yōu)含水率為17.4%，最大干密度1.75 g/cm3，并測(cè)定了水泥改性土水泥劑量標(biāo)準(zhǔn)曲線。本工程改性土總方量根據(jù)測(cè)算需120萬(wàn)m3，根據(jù)施工布置方案，劃分為6個(gè)工區(qū)，6處堆土場(chǎng)，3個(gè)拌合站，改性土供料、拌和生產(chǎn)強(qiáng)度滿足后續(xù)填筑施工要求。

5.1.2 水泥的要求包括水利品種和特性指標(biāo)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，不應(yīng)選用早強(qiáng)水泥，而應(yīng)選用初凝時(shí)間長(zhǎng)的水泥作為改性固化材料，以便于后期的拌合和壓實(shí)工序施工。水泥的采購(gòu)、運(yùn)輸及貯存滿足質(zhì)量保證要求。本工程選用巢湖海螺牌P.O42.5的普通硅酸鹽水泥，在3個(gè)拌合站各配置了2個(gè)100 t的水泥貯存罐體。

5.2 水泥土制備質(zhì)量控制

水泥土制備包含曬土、碎土、拌和、運(yùn)輸?shù)仁┕すば颉?/p>

5.2.1 土料翻曬

開(kāi)挖出的原狀膨脹土含水率一般較高，不能直接作為拌合用土料，且原狀膨脹土黏粒含量高，粒徑較大，后續(xù)破碎工序的破碎效果不佳，即需對(duì)原土料進(jìn)行初碎。本工程開(kāi)挖出的原土料天然含水率平均值為25%左右，控制拌合用土料的含水率在18%以內(nèi)。在布置的存土翻曬區(qū)內(nèi)，采用推土機(jī)進(jìn)行攤鋪，采用旋耕機(jī)對(duì)原土料進(jìn)行翻曬和初碎。試驗(yàn)檢測(cè)土料翻曬至含水率接近最優(yōu)含水率時(shí)，采用裝載機(jī)進(jìn)行打堆和回收。

5.2.2 土料破碎

為使土料能和水利固化料充分拌合，達(dá)到最佳效果，需要對(duì)土料進(jìn)行破碎處理，設(shè)計(jì)及規(guī)范要求土料最大粒徑≤10 cm，5～10 cm粒徑含量≤5%，1～5 cm粒徑含量≤40%。采用碎土機(jī)對(duì)土料進(jìn)行破碎處理，采用篩分法檢測(cè)碎土粒徑。本工程將土料場(chǎng)翻曬好的土料采用2 m3挖掘機(jī)裝20～25 t自卸汽車(chē)，運(yùn)至改性土拌和站碎土機(jī)旁就近堆放。土料破碎時(shí)，用3 m3裝載機(jī)上料到碎土機(jī)料倉(cāng)，采用碎土機(jī)對(duì)土料進(jìn)行破碎。當(dāng)改性土生產(chǎn)時(shí)，破碎土料皮帶機(jī)直接送入改性土拌和站料倉(cāng)進(jìn)行拌和，不生產(chǎn)改性土?xí)r，破碎土料堆放于料場(chǎng)內(nèi)，加以覆蓋，做好防雨、防霜等措施。

5.2.3 水泥土拌合

拌合均勻性是拌合工序的質(zhì)量控制指標(biāo)，可用水泥含量標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行控制，改性土中水泥含量標(biāo)準(zhǔn)差≤0.8，采用室內(nèi)EDTA滴定法測(cè)定水泥含量，平均值不得小于設(shè)計(jì)摻量。采用廠拌法施工的，應(yīng)對(duì)拌合的水泥改性土進(jìn)行試驗(yàn)，以此確定拌合機(jī)的運(yùn)行控制參數(shù)。水泥改性土的含水量應(yīng)控制在最佳含水率的±2%范圍內(nèi)，必要情況下在廠拌設(shè)備拌和時(shí)將水成霧狀均勻噴入改良土中拌和均勻。本工程采用廠拌法施工，使用WCB600型穩(wěn)定土拌合機(jī)。穩(wěn)定土拌合機(jī)由集料、計(jì)量傳送、拌制、水泥罐體四部分系統(tǒng)組成。集料斗下部裝有電子計(jì)量系統(tǒng)，通過(guò)控制液壓斗門(mén)啟閉來(lái)確定土料重量，土料經(jīng)皮帶機(jī)傳送至拌合機(jī)內(nèi)。拌合時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)控制水泥、水添加。完成拌制后，經(jīng)皮帶機(jī)卸料。為保證土料質(zhì)量，集料斗上口加工成帶坡度的型式，并在上口設(shè)置篩網(wǎng)，每個(gè)小網(wǎng)格邊長(zhǎng)小于10 cm,以過(guò)濾掉粒徑不合格的土料。充分拌合時(shí)間不少于2 min。施工初期按≤600 m3每一批次進(jìn)行改性土抽樣，抽樣數(shù)量區(qū)間為5～10個(gè)樣（樣品重量≥300 g每個(gè)），施工中、后期適當(dāng)減少檢測(cè)頻次。

5.2.4 水泥土運(yùn)輸

拌和合格的水利改性土，考慮水泥強(qiáng)度作用的時(shí)間變化，應(yīng)及時(shí)運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行填筑施工。從加水拌合到完成碾壓的時(shí)間周期，不宜超過(guò)4 h。本工程廠拌合格的水泥改性土由20～25 t自卸汽車(chē)在拌合站出料口直接裝料，徑直運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行換填作業(yè)。

5.3 水泥土填筑質(zhì)量控制

水泥土填筑施工包含測(cè)量放樣、清基、攤鋪、碾壓、結(jié)合面處理等工序。填筑前應(yīng)進(jìn)行碾壓工藝試驗(yàn)。

5.3.1 現(xiàn)場(chǎng)碾壓工藝試驗(yàn)

正式填筑施工前，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)碾壓工藝試驗(yàn)，核查改性土壓實(shí)后的干密度、壓實(shí)度等是否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)；檢查檢驗(yàn)壓實(shí)機(jī)、拌合機(jī)的性能是否滿足施工要求；確定合理的施工碾壓參數(shù)，包含鋪土厚度、碾壓遍數(shù)、行進(jìn)速度等；根據(jù)碾壓試驗(yàn)調(diào)整求取最大干密度、最優(yōu)含水率等控制性指標(biāo)。同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)研究完善水泥改性土換填施工的工藝方法和施工措施。本工程水泥改性土換填設(shè)計(jì)壓實(shí)度≤0.96（輕型），擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)按《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL 237）中擊實(shí)試驗(yàn)執(zhí)行。水泥改性土含水率控制在最優(yōu)含水率的+1%～+3%之間。根據(jù)換填土料試驗(yàn)結(jié)果和水泥改性土碾壓試驗(yàn)調(diào)整的壓實(shí)干密度為1.75 g/cm3。

5.3.2 測(cè)量放樣

嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙放樣，做好邊樁、填土高度、邊坡坡比等控制。放樣測(cè)點(diǎn)相對(duì)限值誤差應(yīng)符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。本工程采用全站儀進(jìn)行測(cè)量放線，放線內(nèi)容主要包括控制點(diǎn)的設(shè)置、渠道軸線及平面位置放樣、高程的控制。渠道斷面放樣、填筑輪廓間隔一定距離設(shè)立樣架，樣架設(shè)立是考慮了超填因素。

5.3.3 渠基清基

填筑施工前，應(yīng)確保渠基基面清潔、干燥，無(wú)雜物、浮土，且無(wú)明顯凹凸，同步做好降、排水和邊坡防護(hù)。本工程按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行邊坡開(kāi)挖，清除了坡面及河底浮土，對(duì)地表積水進(jìn)行了抽排，并對(duì)基層進(jìn)行了平整、夯實(shí)處理，確保地表面不平整度不超過(guò)±5 cm。

5.3.4 改性土攤鋪

選擇適宜的鋪土方法和推土機(jī)械，控制鋪土厚度（可采用鋼筋釬插扎方法）、松鋪厚度（根據(jù)碾壓工藝試驗(yàn)確定）及攤鋪表面平整度（不超過(guò)±5 cm）；做好超填部分的邊坡防護(hù)（超填寬度、坡比等）；每層攤鋪平整后的高程、邊線控制以及已完工程應(yīng)對(duì)天氣變化的保證措施落實(shí)。本工程采用進(jìn)占法鋪土上料，使用SD16推土機(jī)進(jìn)行攤鋪?zhàn)鳂I(yè)，平地機(jī)平整，人工局部補(bǔ)料平整。虛鋪厚度35 cm，允許偏差為-5～0 cm，壓實(shí)厚度25 cm，采用鋼筋釬插扎方法控制鋪土厚度。超填部分頂部寬度≥30 cm，坡比1∶1.5，邊坡開(kāi)挖成小臺(tái)階狀，臺(tái)階高度25 cm。

5.3.5 改性土碾壓

根據(jù)碾壓工藝試驗(yàn)確定碾壓參數(shù)，嚴(yán)格控制碾壓遍數(shù)、行進(jìn)速度、壓實(shí)順序、碾壓搭接寬度以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)刀檢測(cè)計(jì)算的含水率、干密度和壓實(shí)度指標(biāo)。本工程鋪土完成后采用光面壓路機(jī)按進(jìn)退錯(cuò)距法于渠道方向靜壓2遍、振壓6遍，行車(chē)速度2～3 km/h，開(kāi)始碾壓是采用慢速。壓實(shí)順序先兩側(cè)后中間，相鄰碾跡的搭接寬度不小于1/10碾寬，對(duì)于邊角部位、接頭處采用打夯機(jī)夯實(shí)，做到了無(wú)漏角、無(wú)死角，確保了碾壓均勻。碾壓過(guò)程中根據(jù)天氣和層面干燥情況，進(jìn)行了灑水濕潤(rùn)處理，以確保含水率在在最優(yōu)含水率的+1%～+3%之間。碾壓完成后，在作業(yè)面上采用100 cm3環(huán)刀均勻取樣，每層取樣數(shù)量為100～200 m3每點(diǎn)，共取3點(diǎn)，通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)定含水率并計(jì)算干密度及壓實(shí)度。壓實(shí)度檢測(cè)合格后進(jìn)行下一層改性土填筑施工。

5.3.6 結(jié)合面處理

為保證各土層間結(jié)合質(zhì)量，在各層碾壓完成并檢驗(yàn)合格后，應(yīng)對(duì)填筑表面進(jìn)行刨毛處理，并通過(guò)適當(dāng)灑水濕潤(rùn)，使含水率控制在規(guī)定范圍內(nèi)。本工程上下層結(jié)合面采用刨毛機(jī)進(jìn)行了刨毛處理，刨毛深度10～20 mm，并對(duì)下層填筑表面進(jìn)行了保潔清理，為上層改性土填筑提供了合格基礎(chǔ)面。

5.4 水泥土維護(hù)養(yǎng)生質(zhì)量控制

水泥土填筑施工完成后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行灑水養(yǎng)生，或在填料表面覆蓋土工膜或塑料薄膜養(yǎng)生，防止水泥土表面開(kāi)裂，影響施工質(zhì)量。每層填筑施工間隔宜＜6 h，如填筑施工因故中斷，應(yīng)做好填筑面和基礎(chǔ)面的保濕處理。本工程填筑施工分多層進(jìn)行，不需單獨(dú)進(jìn)行養(yǎng)生維護(hù)，用上層填筑的水泥土對(duì)下層進(jìn)行養(yǎng)生維護(hù)。全部填筑施工完成并檢測(cè)合格后，配備了專用灑水車(chē)，采用霧化噴灑方式，進(jìn)行補(bǔ)水養(yǎng)生，養(yǎng)生周期為7 d。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)認(rèn)識(shí)膨脹土的危害、作用機(jī)理以及引江濟(jì)淮工程江淮溝通段J009-1（河渠）標(biāo)膨脹土成功治理的經(jīng)驗(yàn)，從各工序施工質(zhì)量控制角度出發(fā)，明確質(zhì)量控制要點(diǎn)，對(duì)應(yīng)施工各項(xiàng)控制指標(biāo)，對(duì)專業(yè)監(jiān)理人掌握膨脹土治理方法、明確過(guò)程質(zhì)量控制要點(diǎn)、提升管控服務(wù)能力將起到很好的促進(jìn)作用。