張恒晟,龔壁曹新建,王 衛(wèi),胡 波

(1.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010，2.安徽省引江濟(jì)淮集團(tuán)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(qiáng)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(shè)，將面臨建筑開裂、地基變形、邊坡失穩(wěn)等潛在風(fēng)險(xiǎn)，工程危害極大。對此，程展林等[1]提出應(yīng)針對膨脹土的兩類破壞機(jī)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(qiáng)度控制的整體破壞”應(yīng)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(fù)雜。其中，總干渠明渠段渠坡或渠底涉及膨脹土(巖)累計(jì)長度340余km?？紤]到膨脹土地段沿線無合格換填土料的因素，設(shè)計(jì)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(dá)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(jī)械開挖的方式達(dá)到預(yù)定開挖深度，然后分層填筑換填土料，再經(jīng)碾壓達(dá)到設(shè)計(jì)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(jī)械削坡的方式達(dá)到設(shè)計(jì)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(fèi)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(guān)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(shí)間進(jìn)行研究，得出合理的悶料時(shí)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(jìn)行壓實(shí)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(jì)淮段膨脹土渠道邊坡?lián)Q填余料二次利用問題進(jìn)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(jìn)行碾壓試驗(yàn)，證明弱膨脹水泥改性土可以二次利用，但未從強(qiáng)度特性、滲透特性等方面進(jìn)行研究。

本文總結(jié)歸納了長江科學(xué)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(shí)特性、變形性能、膨脹性、強(qiáng)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(shù)支撐。

2 試驗(yàn)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(biāo)主要是膨脹性相關(guān)的指標(biāo)，如自由膨脹率<40%等。此外，土料的壓縮性、滲透性和抗剪強(qiáng)度等指標(biāo)也要與一般黏性土相當(dāng)。對此，本文的試驗(yàn)研究圍繞削坡棄料重塑樣的膨脹性、壓實(shí)與變形特性、強(qiáng)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(biāo)。

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

由于現(xiàn)場填筑時(shí)的水泥改性土尚需要一定齡期才能達(dá)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(yīng)，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(guān)性能進(jìn)行對比分析，試驗(yàn)方案如下。

(1)削坡棄料的壓實(shí)性能。為了研究削坡棄料的壓實(shí)特性，對新拌改性土和削坡棄料進(jìn)行對比試驗(yàn)。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(shí)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(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)。

(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(shí)度制備重塑樣，中膨脹改性土按照26.7%的含水率、100%的壓實(shí)度制備重塑樣，依據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程，分別進(jìn)行壓縮試驗(yàn)、有荷膨脹率試驗(yàn)(最大壓力50 kPa)和收縮試驗(yàn)來獲得削坡棄料壓縮變形和脹縮特性。

(3)削坡棄料的強(qiáng)度特性。為了研究削坡棄料的強(qiáng)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(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。將從現(xiàn)場取回的削坡棄料進(jìn)行粉碎后，分別按照96%壓實(shí)度、100%壓實(shí)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(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)；在室內(nèi)按照中膨脹土摻6%水泥、93%的壓實(shí)度，弱膨脹土摻3%水泥、95%壓實(shí)度制備飽和土樣，養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)；對從現(xiàn)場取回的原狀樣，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

為了研究削坡棄料的抗剪強(qiáng)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(jìn)行三軸固結(jié)不排水(CU)試驗(yàn)，弱膨脹水泥改性土削坡棄料按照25%的含水率、100%壓實(shí)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(shí)度制備重塑土樣；試驗(yàn)圍壓分別為50、100、150、200 kPa。

(4)削坡棄料的滲透特性。重點(diǎn)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(shí)度要求，制備削坡棄料的重塑樣，依據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程，進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)。

3 水泥改性土削坡棄料壓實(shí)及變形特性

3.1 壓實(shí)特性

新拌改性土和削坡棄料土樣的擊實(shí)試驗(yàn)成果見圖1、表2所示。試驗(yàn)成果表明，與室內(nèi)新拌改性土的壓實(shí)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(shí)特性上講，隨著齡期的增長，要達(dá)到相同的干密度，則所需的壓實(shí)功將更大，填料更難壓密。

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

表2 擊實(shí)試驗(yàn)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(yàn)成果見表3、圖2所示。試驗(yàn)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(yīng)的孔隙比均隨壓力的增大而減小。

表3 削坡棄料壓縮試驗(yàn)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(guān)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(yàn)

水泥改性土養(yǎng)護(hù)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(yàn)成果見表4、圖3所示。分析試驗(yàn)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(hù)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(yàn)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(guān)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(yàn)成果見表5、圖4所示。分析試驗(yàn)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(shí)樣收縮試驗(yàn)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(guān)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(guān)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(qiáng)度特性

5.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

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

表6 削坡棄料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)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(qiáng)度試驗(yàn)成果Table 7 Test results of unconfined compressive strength of indoor-prepared specimens and site material

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

5.2 三軸壓縮強(qiáng)度

弱膨脹水泥改性土(水泥摻量3%)養(yǎng)護(hù)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(hù)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(jìn)行三軸CU試驗(yàn)，再重塑樣三軸試驗(yàn)成果見表8、圖5所示。

表8 削坡棄料三軸CU試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)未發(fā)生明顯變化。從應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系上看，在低應(yīng)力狀態(tài)(≤200 kPa)下，削坡棄料呈輕微應(yīng)變軟化型，削坡棄料破壞應(yīng)變?yōu)?%～5%；削坡棄料的峰值強(qiáng)度、破壞應(yīng)變均隨圍壓的增大而增大，削坡棄料的強(qiáng)度增長速率隨圍壓的增大而增大，峰值強(qiáng)度的提高較為明顯；在壓實(shí)度相同、含水率接近的情況下，50 kPa圍壓時(shí)弱膨脹改性土的破壞應(yīng)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(shí)，破壞應(yīng)力接近一致。從試驗(yàn)原理上講，三軸試驗(yàn)方法更接近真實(shí)的受力狀況，而無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)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(yàn)成果見表9所示。試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)，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(shí)及變形特性。根據(jù)文獻(xiàn)[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(shí)的最優(yōu)含水率更大，最大干密度變小，需要更大的壓實(shí)功能才能達(dá)到最優(yōu)的壓實(shí)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(yàn)，水泥土改性土削坡棄料重塑樣的膨脹性略高于養(yǎng)護(hù)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(qiáng)度特性。根據(jù)三軸強(qiáng)度試驗(yàn)成果，削坡棄料再重塑樣強(qiáng)度指標(biāo)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(yàn)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(dāng)，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(qiáng)度及變形性能均滿足填筑土料要求，僅需要更大的壓實(shí)功即能達(dá)到預(yù)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。