浅谈水泥改性土法在南水北调中线膨胀土渠段处理中的应用

姬永立 王 宇

浅谈水泥改性土法在南水北调中线膨胀土渠段处理中的应用

姬永立 王 宇

南水北调中线干线工程全长1400多千米，干渠沿线经过膨胀土（岩）、黄土、易振动液化砂土区域，工程地质极其复杂，处理难度、工程量及投资较大。本文结合南水北调中线一期工程沙河南～黄河南荥阳段膨胀土渠段水泥改性土法施工处理工艺，浅谈水泥改性土法在南水北调中线干线工程膨胀土渠段处理中的应用。

一、膨胀性岩土特点及水泥改性土法的应用

南水北调中线一期总干渠荥阳段渠线所处地貌单元为黄（河）淮（河）冲积平原，其上分布有河谷和岗地，沿渠线范围内地势总体呈西高东低、南高北低。沿线地表至渠底下5m范围内地层主要由黄土状粉质壤土及重粉质壤土构成，仅在桩号XYD0+003～XYD1+828段下部分布有粉质粘土、卵石及上第三系砂岩。结构类型有黄土状土均一结构、粘性土均一结构和上粘性土为主下软弱岩结构三种，并以黄土状土均一结构为主。桩号XYD0+003～XYD1+343段粉质粘土（dlplQ2）具中等膨胀性，多位于渠底以上，部分位于渠底，其胀缩变形将导致渠道破坏、边坡失稳。

膨胀性岩土主要有强亲水粘土矿物组成，是膨胀结构、多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性的高塑性土。在天然状态下处于相对饱和状态，对气候和水文因素有较强敏感性，最主要表现为“遇水膨胀，失水收缩”，在南水北调中线工程中主要有以下危害：影响渠坡稳定，产生牵引式浅层滑坡或形成由结构面控制的深层滑坡；膨胀土岩变形时对渠道衬砌和其他结构产生破坏，造成渠道漏水，进一步危害渠坡稳定。

水泥改性土是将一定比例的水泥掺入膨胀土土料中以改善膨胀土的性质和结构，使其丧失膨胀潜能，并在一定程度上提高土体强度和承载能力。在南水北调中线工程施工中可以直接将水泥掺入弱、中膨胀土渠道开挖料进行拌制，就地取材方便，广泛应用于南水北调中线干线膨胀土渠段处理。

南水北调中线一期总干渠沙河南～黄河南荥阳段工程范围内膨胀土渠段采用水泥改性土法进行施工处理，主要技术指标为：水泥改性土采用42.5级普通硅酸盐水泥与非膨胀土渠段开挖料掺和拌制，水泥掺入量参考量为3%，具体现场根据试验情况确定，水泥土换填压实指标不小于93%。

二、水泥改性土施工工艺

1.填筑前渠段开挖施工

膨胀土渠段开挖施工前在施工范围内修筑防洪堤并在堤顶设截流沟，集中抽排，防止坡顶雨水下渗或冲刷开挖坡面，保证作业面干地施工。

开挖过程中尽量减少外部因素对渠道基面的影响，开挖时预留保护层，保护层开挖采用人工配合挖掘机进行。用挖掘机在坡面上每隔10m开挖出样槽然后按样槽进行保护层开挖，挖掘机开挖方向垂直于渠道轴线，由上至下顺坡进行开挖，土料拢集于坡下后，装车运至指定地点。

每一段保护层剥离后、下道工序施工前，需对坡面进行覆盖防护。覆盖时，采取上部膜压下部膜的方法，相邻块的搭接不小于1.0m，用土袋压盖，要做到全面覆盖不留死角。坡顶的防护范围较坡脚的防护范围适当加大，坡顶尽量覆盖至周边排水沟边。

2.水泥改性土填筑施工

现场生产性碾压试验是确定水泥改性土填筑相关施工技术参数的关键，目的在于核查土料压实干密度、查压实机具的性能、铺土方式、铺土厚度、填筑含水率、压实方法和碾压遍数以及有关质量控制的技术要求和检测方法。

通过生产性试验确定该段工程采用进占法卸料，推土机摊铺，铺土厚度为30cm（±2cm），20t凸块振动碾碾压10遍（静压2遍、强振8遍），平行于渠轴线方向碾压，行车速度控制在2～4km/h以内。

施工程序：选择土料→碎土→水泥土拌制→运输→摊铺→碾压→取样检测→削坡。

（1）土料选择及碎土

对用于填筑的原渠道开挖土料场进行复勘，查明料源工程力学特性，包括抗剪强度指标、天然含水量、粘粒含量、塑性指数、自由膨胀率、最优含水量、最大干密度等。根据料源及水泥掺量进行室内标准击实试验，测定水泥改性土的最优含水率及最大干密度，用于水泥改性土拌制的土料自由膨胀率应不大于65%，土料最大粒径不大于10cm,10～15cm粒径含量不大于5%，5～10cm颗粒含量不大于50%。土料的最优含水率由试验确定，含水率变化控制范围在+1%～+3%之间。

使用稳定土拌和机拌制水泥改性土时需要将土料破碎，碎土设备选在土源拌和场内进行，碎土前剔除土料内粒径大于10cm的钙质结核或土块。碎好的土料最大粒径不大于10cm，采用装载机上料碎土、拢堆，塑料布临时覆盖。

（2）水泥土拌制

通过试验测定，一般情况下弱膨胀土掺3%水泥量、中膨胀土掺6%水泥可满足改性要求。结合该工程实际，水泥采用河南太阳石水泥有限公司生产的P.O42.5散装普通硅酸盐水泥，水泥掺入量为3%。

水泥改性土采用厂拌法施工，配置WBZ500型稳定土拌合站。

碎好的土料用装载机送至稳定土拌合机集料斗。为保证土料质量，在集料斗上口设置筛网，每个小网格边长不大于10cm，以过滤掉粒径不合格的土料。充分拌合，出料后，取样进行均匀性检测。均匀性采用水泥含量标准差控制，用EDTA滴定法测定水泥含量，平均值不得小于设计掺量。水泥改性土水泥含量标准差不得大于0.7。

（3）水泥土运输、填筑前准备工作

用ZL50装载机装料、20t自卸车运输至填筑工作面，采用“进占法”卸料。

水泥土填筑施工前要进行基面清理和验收，表层树木、草皮、树根、垃圾、弃土、淤泥、腐殖质土、废渣、泥炭土等不合格土全部清除。检测基面的坡面，验收后，回填前需用20t凸块碾进行基面抛毛处理，按规定要求不少于5遍，并洒水湿润。

填筑首先对填料进行含水率的检测，若填料含水率大于最优含水率，则采取翻挖晾晒的方法，采用旋耕犁将填筑土料进行翻挖、晾晒，待达到最优含水率时再进行碾压；若填料含水率小于最优含水率，应及时对填筑面和填筑层进行洒水养护，防止水泥改性土砂化，按照检测的实际含水率推算出补水量，然后采取洒水车补水的办法调整含水率至最优含水率，然后进行碾压。通过以上措施对填料的含水率进行控制，保证填筑的施工质量达到设计及规范要求。

渠底的宽度为18～20m，每100m一段，采用填一条带碾压一条带取样一条带连环作业法进行施工，用20t凸块振动碾碾压。

渠坡填筑每层填筑前，先用推土机开蹬，然后用装载机把余料装运出现场；每一层测量放样一次，每5～10m钉一木桩，填筑边线按设计边线超填0.7～0.9m，对边角接头处大型机械碾压不到、易漏压的地带由人工采用硅夯或小型振动碾设备夯实。

（4）水泥土摊铺、碾压及检测

采用推土机铺料、整平。为保证碾压机械的工作面、确保边角压实度，铺土边线在水平距离上要进行超填。

采用20t凸块振动碾进行碾压。振动碾沿渠道轴线方向前进、后退全振错距法碾压，碾迹重叠不小于20cm。碾压速度控制在2～4km/h范围内，开始碾压时宜用慢速。

为确保外坡脚压实度，并考虑碾压机械工作面，水泥改性土铺料时需超填，超填土料按1∶1.5坡比放坡，超填部分作为填筑层的保护层，在渠道衬砌施工前削坡修整至设计边坡轮廓。

改性土填筑施工超填的余料用自卸汽车运输至指定位置堆存，不再用于任何渠坡换填部位及堤外包填筑体部位的回填。

水泥改性土压实度采用环刀法在试坑中下部取样检验，每层填土完成碾压后，宜在4h完成质量检测，水泥改性土压实度应不小于95%，取样最小值应不小于设计值，不合格样不得集中在局部范围内。

（5）水泥土削坡

在换填完成后，人工配合挖掘机进行削坡。由挖掘机操作人员按样槽进行削坡，削坡方向垂直于渠道轴线，由上至下顺坡进行。土料拢集于坡下后，装车运至拌和场进行再次拌和，用于设计或有关技术要求允许使用的部位，使削坡余料得到最大限度的利用。削坡时预留5～10cm的薄土层。预留的薄土层削坡时，将挖掘机斗齿前焊接一块厚约20mm的钢板作为“刮板”，长度同挖掘机斗宽，宽度约为15cm，前缘与斗齿齐平，开挖方向垂直于渠道轴线，沿坡长自上而下的将预留的薄土层刮除，人工用平头铁锹将坡面遗留的松土清至挖掘机附近，随“刮板”拢堆。在坡面上钉木桩，每5m作为一个断面，按坡度放样，在桩位上固定尼龙线，挂线后进行钉桩加密，人工进行坡面整理，直至坡面平整度和坡度符合规范要求。

3.雨季施工

水泥改性土应尽量避免雨季施工，确需在雨季进行水泥改性土换填施工的，应特别注意天气变化，对已摊铺的工作面应尽快碾压密实、封面并进行防雨覆盖，以防表面积水。下雨时用彩条布遮盖防雨，并及时疏导雨水，防止浸泡。如出现滑坡区域，应及时挖除，防止二次滑坡的出现及滑坡范围的进一步扩展。

雨后恢复施工，填筑面应经晾晒、复压处理，必要时对表层进行清理，待填筑面含水量调整至合格范围内，才能复工；雨季停工前，土体表面设置松土保护层，复工前予以清除。

三、水泥改性土施工控制要点

水泥改性土换填过程中，填筑时采用进占法施工，渠坡换填时，为减少运输车辆对填筑面的反复碾压。每层填土完成碾压后，宜在4h完成质量检测，在6～8h内完成上层土覆盖。如不能及时进行跟进的，要对填筑面和建基面做好防雨和保湿施工期的保护措施，并禁止大型施工机械设备行驶。

在碾压时，由于受天气影响，填筑层表面风干很快。为保证层间结合，在进行上一层铺土施工之前，需要对结合面进行洒水。填筑前在原渠坡上逐层进行开蹬处理。

在制备水泥改性土时应严格按照试验参数进行拌制，严格进行检测。水泥改性土拌制完成后，需要在现场取样检测拌和质量，检测时主要检测拌和均匀度以及水泥含量、含水量是否满足要求。

水泥改性土最优含水率根据各区土料的相应数值，摊铺时水泥改性土的含水率宜高于最佳含水率的+1.0%～+3.0%，以补偿在摊铺及碾压过程中的水分损失。

衔接部位填筑应在渠道断面方向超填土料削除之前完成，填筑时应清除较早填筑体沿渠道方向的超填土料；被改性土和改性土水泥掺量相同的渠段之间结合面坡度不应小于1∶6；不同改性土料、不同水泥掺量的改性土结合面坡度不应小于1∶10。

四、结语

水泥改性土法相对于粉煤灰改性、土工格栅、土工袋加筋及土工膜封闭覆盖技术，水泥改性土能很好地降低膨胀土的胀缩性，提高膨胀土的强度和压缩模量，是一种较好的膨胀土改性剂；随着水泥掺量的提高，其膨胀性减小，且就地取材方便，在膨胀土渠段可以快速、大规模地开展水泥改性土法施工

（作者单位：河南省水利第一工程局450000 中水淮河工程有限责任公司230000）