□李紅爐（河南省水利第二工程局）

一、引言

南水北調(diào)中線一期工程總干渠膨脹土試驗(yàn)段工程（南陽段）（以下簡稱南陽試驗(yàn)段）是研究南水北調(diào)工程中膨脹土地區(qū)渠坡處理方案的試驗(yàn)性項(xiàng)目，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)方案，將試驗(yàn)段劃分為：填方試驗(yàn)區(qū)、弱膨脹土挖方試驗(yàn)區(qū)和中膨脹土挖方試驗(yàn)區(qū)，共分13個亞區(qū)。每個亞區(qū)長80～120m，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康牟贾貌煌脑囼?yàn)方案。渠坡處理試驗(yàn)方案采用有非膨脹土換填、水泥改性土換填、土工格柵膨脹土換填、土工袋膨脹土換填及砂礫料鋪設(shè)等形式，水泥改性土換填是膨脹土渠坡處理主要試驗(yàn)方案之一。

膨脹土中含有較多的粘粒及親水性較強(qiáng)的蒙脫石或伊利石等粘土礦物成分，是一種遇水膨脹、強(qiáng)度驟減、失水干縮、堅(jiān)硬而又常有收縮裂隙的高塑性粘土。膨脹土渠坡易產(chǎn)生溜坍、坍塌、滑坡等嚴(yán)重事故，還會產(chǎn)生收縮開裂、膨脹、松散、剝落等病害，對工程建設(shè)潛在著嚴(yán)重的破壞性。

二、水泥與膨脹土作用機(jī)理

膨脹土的液限、塑限和塑性指數(shù)較大，壓縮性偏低，在天然含水率的情況下處于較堅(jiān)硬的狀態(tài)，具有晶層結(jié)構(gòu)的蒙脫石或蒙脫石混層礦物在電解質(zhì)溶液作用下，土中的水分子受到層間交換陽離子的靜電勢、組成晶層的正負(fù)離子的靜電作用，氫鍵、滲透壓、層間相互作用力、層間陽離子與晶層間作用力、范德華力和同處于非飽和狀態(tài)下的基質(zhì)吸力等共同作用，具有溢出層間的收縮勢和使空隙水分進(jìn)入層間的膨脹勢，使得膨脹土失水收縮、吸水膨脹。

摻加一定比例的水泥對膨脹土進(jìn)行改性是目前處理膨脹土的主要方法之一，水泥的摻入改變了膨脹土的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，從而改變了膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)，通過水泥與膨脹土的離子交換及團(tuán)?；饔谩⒂材磻?yīng)及碳酸反應(yīng)，可以有效地改良土的膨脹性。

三、水泥土拌制

（一）工藝原理

因膨脹土具有遇水膨脹、失水干縮的特性，采用路拌機(jī)、穩(wěn)定土拌和機(jī)等摻拌設(shè)備，在膨脹土料中摻入適量的水泥，使二者充分拌和并發(fā)生物理及化學(xué)反應(yīng)，包括離子交換、凝硬反應(yīng)、碳化、膠結(jié)等作用，改變膨脹土的力學(xué)性質(zhì)，使其強(qiáng)度和水穩(wěn)定性大大提高，膨脹性得到控制。換填后，一方面可隔離大氣與膨脹土基礎(chǔ)的直接作用;另一方面吸收其膨脹潛能，降低原膨脹土基礎(chǔ)自身因含水量變化而產(chǎn)生的脹縮應(yīng)力，防止膨脹土邊坡產(chǎn)生滑坡。

（二）工藝流程

（三）路拌機(jī)拌制水泥土

1.拌和場地面采用推土機(jī)平整后，用平碾碾壓，每次碾壓均測定沉降，直至連續(xù)兩次碾壓的沉降量之差在1mm以內(nèi)為止，場內(nèi)高差≯50mm。

2.將土料用輪式裝載機(jī)裝車、自卸車運(yùn)輸至拌和場內(nèi)攤鋪平整。一般情況下，拌和場至少要劃出3個區(qū)才能滿足路拌機(jī)拌制流水作業(yè)的要求。

3.攤鋪平整的土料使用攤鋪機(jī)進(jìn)行碎土2遍，使用Φ14鋼筋制作插釬，并在插釬上標(biāo)出長度標(biāo)記，檢查鋪土厚度，局部采用人工平整，保證攤鋪厚度均勻。

4.土料攤鋪后根據(jù)鋪料厚度的不同，計(jì)算每平米摻加的水泥量，一般情況下松鋪厚度為25～30cm。用50m鋼尺在土料上面定出網(wǎng)格，一般以一袋水泥的摻入量來控制網(wǎng)格面積，用石灰做出標(biāo)記，將水泥倒在網(wǎng)格中心，用刮板將水泥均勻攤開，使每袋水泥的攤鋪面積相同，做到土料表面沒有空白位置，亦無水泥集中點(diǎn)。

5.采用路拌機(jī)拌制混合，在拌制時，將水管直接接至后壓斗頂部，在路拌機(jī)行走過程中，由專人配合挪動水管進(jìn)行灑水。拌制時必須做到拌和均勻、不留死角，一般拌制3～4遍。

6.拌和完成后，分不同部位（至少6處）取樣，根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程（JTGE51—2009）》檢測其拌和均勻性，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程（SL237-1999）》檢測含水率，合格后攏堆，臨時覆蓋保濕或直接運(yùn)至填筑工作面；對于滴定檢測不合格的土料，主要原因是拌和不均勻，需要重新進(jìn)行拌和并檢測。

（四）穩(wěn)定土拌和機(jī)拌制

1.土料使用自卸汽車直接運(yùn)至拌和場，使用有排石功能的液壓碎土機(jī)進(jìn)行碎土，剔除膨脹土土料內(nèi)粒徑＞5cm的鈣質(zhì)結(jié)核塊體，采用塑料布臨時覆蓋。

2.水泥摻量按比例在穩(wěn)定土拌和機(jī)控制系統(tǒng)上進(jìn)行設(shè)定，并根據(jù)自然土的含水率設(shè)定需要摻加的用水量。

3.把已破碎的土料使用裝載機(jī)裝入穩(wěn)定土拌和機(jī)集料斗，使用拌和機(jī)進(jìn)行拌和，拌和時應(yīng)每隔4小時取樣，根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程（JTGE51—2009）》檢測其拌和均勻性，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程（SL237-1999）》檢測含水率，根據(jù)檢測結(jié)果調(diào)整水泥量及摻加用水量。

4.拌和好的水泥土應(yīng)及時使用自卸汽車運(yùn)至填筑工作面進(jìn)行鋪填，做到隨伴隨用，避免含水量損失。

四、填筑施工

（一）工藝試驗(yàn)

1.根據(jù)水泥改性土設(shè)計(jì)水泥摻量，在室內(nèi)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定其最優(yōu)含水率及最大干密度。

2.根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)取得的參數(shù)，進(jìn)行現(xiàn)場碾壓施工工藝試驗(yàn)，確定水泥的摻加方法、碎土工藝、鋪土厚度、碾壓遍數(shù)、壓實(shí)機(jī)械等參數(shù)。

（二）施工程序

（三）施工方法

1.基面清理，按照施工圖要求開挖邊坡（本工程設(shè)計(jì)坡度1：2），清除坡面及渠基浮土表層應(yīng)濕潤無雜物，經(jīng)監(jiān)理工程師驗(yàn)收后開始下步工序施工。

2.測量放線，為保證邊坡壓實(shí)，結(jié)合機(jī)械作業(yè)安全等因素，在施工放樣時需考慮水平向≮90cm的超填寬度。每層填筑前，先放出填筑土料的鋪料（加超寬）邊線，并撒上白灰線加以標(biāo)示。

3.土料運(yùn)輸，采用自卸汽車裝運(yùn)至通過監(jiān)理工程師驗(yàn)收的施工工作面，采用“進(jìn)占法”卸料。

4.鋪料前采用推土機(jī)在坡面上推出臺階以保證與邊坡土體的結(jié)合，臺階高度與鋪土厚度相同。用推土機(jī)鋪料和平土，在鋪料過程中，嚴(yán)格按照碾壓試驗(yàn)的參數(shù)控制鋪料厚度，采用插釬檢查厚度。

5.采用20t凸塊振動碾進(jìn)行碾壓，碾壓結(jié)束后，環(huán)刀法取樣檢測壓實(shí)度，合格后進(jìn)行下一層的填筑。

6.在換填完成后，人工配合挖掘機(jī)進(jìn)行渠坡整理。挖掘機(jī)操作人員按樣槽進(jìn)行削坡，削坡方向垂直于渠道軸線，由上至下順坡進(jìn)行。土料攏集于坡下后，裝車運(yùn)至拌和場再次進(jìn)行拌和，使削坡余料得到最大限度的利用。削坡時應(yīng)預(yù)留5～10cm的薄土層，采用人工或削坡機(jī)進(jìn)行精修。施工過程分解見下圖。

渠道邊坡水泥改性土施工圖解

循環(huán)“（二）～（四）”

循環(huán)“(二)～(四)”

五、質(zhì)量控制要點(diǎn)

（一）填筑時采用進(jìn)占法施工，由于換填的厚度小，填土?xí)r運(yùn)輸車輛在同一工作面反復(fù)碾壓，易造成土料剪切破壞及彈簧土。在邊坡?lián)Q填時，為減少運(yùn)輸車輛對填筑面的反復(fù)碾壓，可用推土機(jī)適當(dāng)推送。

（二）結(jié)合面處理。在碾壓時，由于受天氣影響，填筑層表面風(fēng)干很快，為保證層間結(jié)合，在進(jìn)行上一層鋪土施工之前，需要對結(jié)合面進(jìn)行灑水。同時，邊坡結(jié)合面也是關(guān)鍵部位之一。填筑前在原渠坡上逐層進(jìn)行開蹬處理，臺階高為每一層鋪土的厚度（虛鋪），需用推土機(jī)進(jìn)行施工。

（三）水泥摻量、拌和均勻度、土料含水量、粒徑、拌和用水量、拌和遍數(shù)直接影響水泥改性土的質(zhì)量。在制備水泥土?xí)r必須嚴(yán)格按照試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行拌制，嚴(yán)格進(jìn)行檢測。

（四）水泥改性土拌制完成后，需要在現(xiàn)場取樣檢測拌和質(zhì)量，檢測時主要檢測拌和均勻度以及水泥含量、含水量是否滿足要求。

（五）攤鋪時水泥改性土的含水率宜高于最佳含水率的1.0﹪～2.0﹪，以補(bǔ)償在攤鋪及碾壓過程中的水分損失。

（六）雨季施工應(yīng)特別注意天氣變化，避免使水泥和混合料受到雨淋。降雨時應(yīng)停止施工，已經(jīng)攤鋪的水泥土應(yīng)快速碾壓、封面并覆蓋。

六、結(jié)論分析

（一）路拌機(jī)拌制的工效較低，產(chǎn)量低，程序復(fù)雜，一般要3～4遍才能保證水泥土的均勻性；穩(wěn)定土拌和機(jī)功效較高，施工時機(jī)械化程度高，但投入機(jī)械較多，一次性投入較大。

（二）路拌機(jī)拌制時水泥拌和的均勻性及水泥改性土的含水率波動較大，控制難度大；穩(wěn)定土拌和機(jī)拌和使各項(xiàng)指標(biāo)易于控制，波動較小，更利于整體質(zhì)量控制。

（三）換填厚度對工效影響較大，換填厚度較小時，為保證填筑質(zhì)量、滿足碾壓機(jī)械的工作面要求，超填量所占比例較大，在削坡時投入的機(jī)械和人工量較多，土料損耗較大，效率降低。

（四）南陽膨脹土試驗(yàn)段共有4個亞區(qū)使用水泥改性土換填方案，換填厚度0.6～1.0m，經(jīng)歷了近一年半的渠道模擬運(yùn)行試驗(yàn)，效果比其他換填措施均好，說明水泥改性土在合理的換填厚度下對膨脹土邊坡起到很好的加固、補(bǔ)強(qiáng)作用，能有效地防止、抑制膨脹土邊坡溜坍、坍塌、滑坡等事故。

[1]吳新明，巫錫勇，周明波.水泥改良膨脹土試驗(yàn)研究[J].路基工程，2007，2（131）.

[2]王年香.高液限土路基設(shè)計(jì)與施工技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社.2005.