華陽(yáng)河蓄滯洪區(qū)工程弱膨脹土改性筑堤利用研究

引用格式：.華陽(yáng)河蓄滯洪區(qū)工程弱膨脹土改性筑堤利用研究[J].水利水電快報(bào)，2025，46（7）：62－-66.

0 引言

膨脹土主要由親水性黏土礦物組成，有超固結(jié)性、遇水膨脹、失水收縮干裂且反復(fù)變形等特性，根據(jù)其自由膨脹率的大小，可分為強(qiáng)膨脹土、中膨脹土和弱膨脹土。膨脹土作為華陽(yáng)河蓄滯洪區(qū)建設(shè)工程料場(chǎng)中一種較為典型的特殊填料，在吸濕或干燥條件下體積會(huì)發(fā)生變化，具有高度的不穩(wěn)定性。在基礎(chǔ)工程中使用膨脹土作為填料，容易出現(xiàn)無(wú)法達(dá)到填筑要求的情況，導(dǎo)致工程難度增加、工期延誤、費(fèi)用增多等。

安徽省境內(nèi)膨脹土的平面分布相對(duì)集中，主要分布于淮北平原地區(qū)和舒城縣城-巢湖市區(qū)-和縣縣城以北的江淮波狀平原地區(qū)，在此以南地區(qū)則零星分布于丘陵平原上的階地及山前斜地上，分布情況詳見(jiàn)表1，該工程料場(chǎng)區(qū)為膨脹土零星分布的沿江丘陵平原區(qū)，料源區(qū)膨脹土現(xiàn)狀如圖1所示。

根據(jù)表1可知，華陽(yáng)河蓄滯洪區(qū)建設(shè)工程所在的安慶市以弱膨脹土為主，其自由膨脹率為 40% ＼～60% ，具有明顯的吸水膨脹和失水收縮性能，按照GB50286-2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，水穩(wěn)定性差的膨脹性土不宜作為堤身填筑土料，當(dāng)需要填筑時(shí)，應(yīng)采取必要的改性處理措施，降低其自由膨脹率，提高其水穩(wěn)定性。

膨脹土遇水膨脹、失水收縮的特性會(huì)對(duì)堤防和建筑造成嚴(yán)重的危害。目前，膨脹土改良主要措施有無(wú)機(jī)摻灰、纖維加筋、植物種植、化學(xué)制劑投放等[1-2]，其中采用石灰改良膨脹土的應(yīng)用最為廣泛[3-7]。Mohan-ty等[2]研究了膨脹土在摻人不同含量的石灰后，液塑限、塑性指數(shù)、膨脹率等因素的變化，結(jié)果表明，最大干密度隨著石灰的增加而減小，膨脹土的膨脹力隨液限、黏粒含量、塑性等特性指數(shù)的增加而增加。Bhuv-aneshwari等通過(guò)摻人石灰的方法，在養(yǎng)護(hù)不同時(shí)間段條件下研究探討了微觀變化和膨脹土基本特性以及剪切強(qiáng)度等之間的聯(lián)系。占世斌等對(duì)淮河臨淮崗工程壩體弱膨脹土進(jìn)行了不同石灰摻量下的改性土試驗(yàn)，并推薦 6% 石灰摻和膨脹土的改性方案。除石灰外，摻水泥也是較為常用的改良措施。長(zhǎng)江科學(xué)院在南水北調(diào)中線南陽(yáng)膨脹土試驗(yàn)段開(kāi)展了膨脹土摻水泥的試驗(yàn)[8]，系列成果顯示摻水泥后膨脹土的自由膨脹率可以降低至 40% 以下，并顯著提高了膨脹土的抗剪強(qiáng)度。黃啟友采用蒙－華鐵路三荊段的膨脹土樣品，研究了石灰和水泥改性兩種方法加固膨脹土的效果，結(jié)果表明，兩種方法均能顯著提升膨脹土的強(qiáng)度，且水泥改性效果更佳。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已開(kāi)發(fā)出各類措施對(duì)不良填料進(jìn)行處理并加以利用，如微生物技術(shù)[1]等，但由于膨脹土的物理力學(xué)性能不完全相同，因此處理措施及摻合料的用法用量均不相同。

本文利用水泥對(duì)弱膨脹土進(jìn)行改性，使其自由膨脹率、塑性指數(shù)、滲透系數(shù)等達(dá)到設(shè)計(jì)要求，利用改性的弱膨脹土作為“金包銀”的外層包裹體，隔絕內(nèi)部弱膨脹土填料與大氣環(huán)境的水氣交換，增強(qiáng)了堤防整體穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)弱膨脹土的就地取材筑堤利用。針對(duì)弱膨脹土改性后的參數(shù)指標(biāo)以及改性土的碾壓性能，開(kāi)展了室內(nèi)試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，得到了弱膨脹土改性后的物理特性指標(biāo)以及鋪土厚度、碾壓遍數(shù)、摻水泥灰比例等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)壓實(shí)度、含水率和沉降量的影響規(guī)律，提出了實(shí)現(xiàn)“金包銀”形式堤防斷面的碾壓施工參數(shù)，為工程大規(guī)模應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 膨脹土改性措施

華陽(yáng)河蓄滯洪區(qū)建設(shè)工程勘察結(jié)果表明，華陽(yáng)河阮家涼亭土料場(chǎng)的土料自由膨脹率為 46%～69% ，天然含水率為 22.0%～25.5% ，具有弱膨脹性，原土料塑性指數(shù)為 12.2～26.1 ，壓實(shí)度為0.94時(shí)最大干密度為 1.64～1.74g/cm³ ，滲透系數(shù)為 6.12×10^-6 25.45×10^-6cm/s 。按照S L251-2015 《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》一般土填筑料質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)，該土料除塑性指數(shù)、天然含水率偏高外，質(zhì)量基本滿足規(guī)范要求。但由于其水穩(wěn)定性較差，如不通過(guò)技術(shù)處理而直接進(jìn)行填筑，在堤防建成后會(huì)對(duì)堤防安全運(yùn)行造成影響，故在堤防填筑前需對(duì)填筑材料進(jìn)行改性處理。

設(shè)計(jì)要求改性土土料采用弱膨脹土，土塊粒徑不大于 10cm ，其中 5～10cm 粒徑含量不大于 5% ，0.5～5.0cm 粒徑含量不大于 50% 。采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥對(duì)弱膨脹土進(jìn)行改性，其中水泥摻入量與干土重量比為 4% ，然后將弱膨脹土、水泥和水進(jìn)行拌和。土料拌和前，抽取有代表性的土料檢測(cè)含水率，計(jì)算水泥用量，同時(shí)按照略高于土料最優(yōu)含水率（土料最優(yōu)含水率 +2% ）的含水量來(lái)計(jì)算拌和加水量。拌和時(shí)通過(guò)操作平臺(tái)控制變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，從而控制拌和加水量。

設(shè)計(jì)要求采用水泥改性后，改性土的自由膨脹率不得大于 40% ，塑性指數(shù)為7～20，壓實(shí)度為0.94時(shí)滲透系數(shù)不大于 1×10^-6cm/s 。

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得，摻灰比為 4% 的改性膨脹土自由膨脹率為 30% ，最大干密度、最優(yōu)含水率分別為1.72g/cm³ 18.9% ，塑性指數(shù)為14.2，滲透系數(shù)為 7.41× 10^-7cm/s ，滿足改性土的設(shè)計(jì)要求。

2膨脹土筑堤設(shè)計(jì)方案

華陽(yáng)河蓄滯洪區(qū)建設(shè)工程V標(biāo)段新建堤防級(jí)別為2級(jí)，長(zhǎng)度 4.927km ，設(shè)計(jì)堤頂高程 19.35m （含防浪墻高度），堤頂寬度 6.00m ，內(nèi)外邊坡均為1：3，堤身采用“金包銀”（圖2）的處理方式：堤防斷面表層 1.5m 厚度范圍采用 4% 水泥改性土，內(nèi)部填筑弱膨脹黏土料。填筑質(zhì)量要求壓實(shí)度不小于 93% 、施工控制含水率為最優(yōu)含水率 ±2% ，土方填筑工程量為32.1萬(wàn)m³ ，水泥改性土填筑工程量為17.2萬(wàn) m³ 。

3 碾壓試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

① 選擇壓實(shí)機(jī)具及壓實(shí)參數(shù)，包括鋪土厚度、適宜的含水量、壓實(shí)方法和壓實(shí)遍數(shù)等； ② 確定水泥土從加水拌和至碾壓完成全過(guò)程施工效率； ③ 研究和完善水泥土換填施工工藝； ④ 確定有關(guān)質(zhì)量控制的要求和方法，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。

3.2 試驗(yàn)方案

料源采用阮家涼亭料場(chǎng)弱膨脹性土，水泥采用P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，摻灰比為 4% ，同時(shí)選用摻灰比為 8% 的改性膨脹土作為對(duì)照組。其中，摻灰比為 4% 的改性膨脹土最大干密度、最優(yōu)含水率分別為 1.72g/cm³ ， 18.9% ;摻灰比為 8% 的改性膨脹土最大干密度、最優(yōu)含水率分別為 1. 76g/cm³ ，19.7% 。土料碾壓試驗(yàn)場(chǎng)地布置在堤防工程 QX4+ 700～QX4+800 段，采用推土機(jī)進(jìn)行清理、整平，振動(dòng)碾壓實(shí)，然后用白石灰標(biāo)出場(chǎng)地邊線，測(cè)量場(chǎng)地高程，并設(shè)置測(cè)量高程控制點(diǎn)。試驗(yàn)場(chǎng)地 60m×20m （長(zhǎng) × 寬），劃分為8個(gè) 15m×10m （長(zhǎng) × 寬）試驗(yàn)區(qū)塊進(jìn)行碾壓試驗(yàn)，即A1，A2，B1，B2，C1，C2，D1，D2，如圖3所示，其中 A1～D1 區(qū)域摻灰比為 4% ， A2～ D2區(qū)域摻灰比為 8% 。高程測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)按照2m×2Ωm （長(zhǎng) × 寬）的網(wǎng)格布設(shè)。

試驗(yàn)段A1和A2區(qū)作為對(duì)照組，為原地基碾壓試驗(yàn)。B1，B2，C1，C2，D1，D2試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行填料填筑碾壓試驗(yàn)，6個(gè)試驗(yàn)單元內(nèi)鋪設(shè)土質(zhì)相同的黏土料。根據(jù)SL260-2014《堤防工程施工規(guī)范》，B1與B2，C1與C2，D1與D2試驗(yàn)區(qū)松鋪厚度分別為 ^{25，30，35cm} 。填筑土料粒徑應(yīng)不大于 10cm ，土料含水率應(yīng)在最優(yōu)含水率 ±2% 范圍內(nèi)。各試驗(yàn)區(qū)域試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

壓實(shí)試驗(yàn)配置機(jī)械設(shè)備主要有 23t 振動(dòng)平碾、挖掘機(jī)和推土機(jī)各1臺(tái)，自卸汽車2臺(tái)。 23t 振動(dòng)平碾的主要參數(shù)如下：振動(dòng)方式為單鋼輪，工作質(zhì)量為23t ，靜線荷載為 602N/cm ，功率為 136kW ，碾輪寬2105mm ，振幅為 1.1～2.1mm ，振頻為 28～32Hz ，激振力為 280～405kN 。

3.3 試驗(yàn)過(guò)程

碾壓試驗(yàn)過(guò)程：土料開(kāi)采 $$ 翻曬 $$ 碎土 $$ 水泥土拌和 $$ 攤鋪 測(cè)量 $$ 碾壓 $$ 取樣檢測(cè)。其中，工藝試驗(yàn)土料采用阮家涼亭取土場(chǎng)開(kāi)挖出的粉質(zhì)黏土，在人工配合機(jī)械進(jìn)行翻曬后，采用人工配合碎土機(jī)械碎土，直至土料粒徑符合要求。

在土料拌和前，抽取有代表性的土料檢測(cè)含水率，計(jì)算水泥用量和拌和加水量。土料拌制完成后運(yùn)輸至碾壓試驗(yàn)場(chǎng)地。土料運(yùn)輸與裝料和倉(cāng)面卸料、鋪料等工序持續(xù)和連貫進(jìn)行，以免周轉(zhuǎn)過(guò)多而導(dǎo)致含水量變化過(guò)大。碾壓前先對(duì)土料的天然含水量進(jìn)行檢測(cè)，將土料的含水率調(diào)整至接近最優(yōu)含水率，即控制在最優(yōu)含水率 ±2% 范圍內(nèi)。

采用“算方上料、鋪平把關(guān)、插桿檢查”的方法，以保證鋪土厚度均勻。在填筑范圍外打樁，標(biāo)示高程，拉線控制層厚，土料攤鋪超出試驗(yàn)邊線 30cm 。在試驗(yàn)單元區(qū)布置 2m×2m 的網(wǎng)格，并在填筑區(qū)外設(shè)置控制基樁。在各單元的網(wǎng)格測(cè)點(diǎn)上以顏色標(biāo)記，安放水準(zhǔn)尺墊，用水準(zhǔn)儀測(cè)量并記錄其初始厚度與相對(duì)高程。

碾壓過(guò)程中，每一塊均按預(yù)定計(jì)劃、規(guī)范操作進(jìn)行，振動(dòng)平碾一個(gè)來(lái)回為2遍，分別碾壓4，6，8遍，詳細(xì)記錄下檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。振動(dòng)平碾行走速度 2.0km/h ，碾壓時(shí)采用進(jìn)退錯(cuò)距法，由一側(cè)向另一側(cè)順次碾壓，碾跡搭壓寬度大于 10cm ，并保證整個(gè)試驗(yàn)塊范圍均碾壓無(wú)漏壓、無(wú)死角，確保碾壓均勻到位。

填筑施工過(guò)程中碾壓機(jī)械行走方向平行于堤軸線，分段、分片碾壓時(shí)相鄰作業(yè)面的碾壓搭接寬度：平行于堤軸線方向的寬度不小于 0.5m ，垂直堤軸線方向的寬度不小于 3m ，分段填筑的各段設(shè)立標(biāo)志，以防漏壓、欠壓和過(guò)壓。上下層的分段接縫位置錯(cuò)開(kāi)。

3.4 檢測(cè)指標(biāo)及方法

振動(dòng)平碾碾壓4，6，8遍后進(jìn)行沉降觀測(cè)并檢測(cè)壓實(shí)度?，F(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度檢測(cè)采用環(huán)刀法，土料含水率檢測(cè)采用烘干法，分別測(cè)量各網(wǎng)格測(cè)點(diǎn)在碾壓前后的相對(duì)高程變化，從而計(jì)算出每一次試驗(yàn)的平均壓縮量。

環(huán)刀法檢測(cè)壓實(shí)度方法為：振動(dòng)碾碾壓4遍后開(kāi)始取樣做壓實(shí)度試驗(yàn)，取樣部位選在有代表性位置，且位置在平面上均勻分布，不能隨意挑選，特殊情況下取樣須注明。每一碾壓層的取樣位置為壓實(shí)層厚的下部1/3處，若下部1/3的厚度不足環(huán)刀高度時(shí)，以環(huán)刀底面達(dá)下層頂面時(shí)環(huán)刀取滿土樣為準(zhǔn)，每塊試驗(yàn)區(qū)域取3組試樣，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，華陽(yáng)河蓄滯洪區(qū)建設(shè)工程V標(biāo)段堤防工程水泥改性土填筑施工控制壓實(shí)度不得低于93% 、含水率為最優(yōu)含水率 ±2% 。本次試驗(yàn)所用改性土料碾壓后含水率為 18.3%～20.3% ，改性膨脹土最優(yōu)含水率分別為 18.9% 和 19.7% ，碾壓過(guò)程中土料可塑性較好，未出現(xiàn)彈簧土。由表3可知：

（1）在同一鋪料厚度、同一摻灰比時(shí)，沉降量隨碾壓遍數(shù)的增加而增大。

（2）在不同鋪料厚度、同一摻灰比時(shí)，平均壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)增加而增加。

（3）在同一鋪料厚度、不同摻灰比時(shí)，沉降量隨著摻灰比的增加而減小，但平均壓實(shí)度提高不明顯。

（4）摻灰比為 4% 條件下，鋪料厚度 25cm 時(shí)，碾壓4遍即可滿足設(shè)計(jì)要求；松鋪 30cm 時(shí)，碾壓6遍即可滿足設(shè)計(jì)要求；松鋪 35cm 時(shí)，需要碾壓8遍滿足設(shè)計(jì)要求。摻灰比為 8% 條件下，鋪料厚度 25cm 時(shí)，碾壓6遍即可滿足設(shè)計(jì)要求；松鋪 30cm 時(shí)，碾壓6遍即可滿足設(shè)計(jì)要求；松鋪 35cm 時(shí)，需要碾壓8遍滿足設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)論

針對(duì)華陽(yáng)河蓄滯洪區(qū)建設(shè)工程新建堤防的料源具有弱膨脹性的問(wèn)題，采用摻水泥對(duì)膨脹土進(jìn)行改性，分析了改性土的土體特性指標(biāo)，同時(shí)開(kāi)展碾壓試驗(yàn)獲取填筑參數(shù)，得到以下結(jié)論。

（1）阮家涼亭取土場(chǎng)的弱膨脹土經(jīng)過(guò)水泥摻灰改性后，自由膨脹率顯著降低，塑性指數(shù)、滲透系數(shù)等均滿足設(shè)計(jì)提出的“金包銀”形式堤防斷面的土體特性要求。

（2）改性弱膨脹土的碾壓性能可滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，但摻灰比達(dá)到一定數(shù)值后，提高摻灰比對(duì)碾壓性能的提高不明顯。

（3）改性膨脹土碾壓參數(shù)建議：摻灰比 4% ，松鋪厚度 30cm ，振動(dòng)碾壓6遍，施工含水率控制在最優(yōu)含水率 ±2% 。

（4）華陽(yáng)河蓄滯洪區(qū)建設(shè)工程其他料場(chǎng)存在的弱膨脹土可參照此工程經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用。

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（編輯：江，舒忠磊）

Utilization study on weak expansive soil in embankment construction of Huayang River Flood Storage and Detention Area

WANG Chenhong1，PAN Jiacheng2，GUO Pengjie2，CHEN Hang2 （1.TaihuLakeCountyWaterConseruancyBureau，Anqing2464，China；.KeyLboratoryofGeotechnicalMechanicsndEeer ingofMinistryof Water Resources，ChangjiangRiver Scientific Research Institute，Wuhan430oio，China）

Abstract：Thesoil source of Huayang River Flood Storage and Detention Areaconstruction project contained weak expansive soil with poor water stability，and cement was used to modify the expansive soil.The embankment section adopted a\"goldwrapped silver\"form，which used modified expansive soil to wraptheuntreated weak expansive soil，was isolating the water and gas exchange between the internal weak expansive soil and the atmospheric environment.In order to investigate thephysical propertiesof weak expansivesoil after modification and theflling performanceand efectof modifiedsoil，indoorgeotechnicalexperimentsandon-siterolingcharacteristictestsofmodifiedexpansivesol werecaried out.The changes inkeyphysical properties andthe influenceof key parameters such assoil thickness，rolling times，and cement ash ratioon compaction degree，moisture content，and setlement were studied.The experimentalresultsshowed that the addition of 4% cement ash effectively reduced the free expansion rate of the original soil material，making the plasticityindex and permeability coeffcient of the modified weak expansion soil met the designpurpose of the \"gold wrapped silver\"sectionof theembankment.Theroling parameters were settoaloose paving thicknessof 3Ocm，and vibration rolling for6 times could met the requirements of fillng compaction degree.The research results can provide a reference for the application of modified expansive soil in engineering.

Key words：weak expansive soil；cement modification；compaction test；Huayang River Flood Storageand Detention Area