引江济汉2标渠道边坡膨胀土换填试验研究与应用

□马永杰 □李学强（中国水利水电第十一工程局有限公司）

1 概况

引江济汉工程作为南水北调中线水源区工程之一，是从长江上游荆江河段附近引水至汉江兴隆河段、补济汉江下游流量的一项大型输水工程。工程的主要任务是向汉江兴隆以下河段（含东荆河）补充因南水北调中线调水而减少的水量，同时改善该河段的生态、灌溉、供水和航运用水条件。引水干渠的引水口位于荆州市龙洲垸、出水口为潜江市高石碑，线路地跨荆州、荆门两地级市所辖的荆州区和沙洋县，以及省直管市潜江市和仙桃市，干渠全长67.23km。干渠设计引水流量350m3/s，最大引水流量500m3/s。根据开挖成型渠道，经过地质素描显示，部分区段呈现弱偏中膨胀土，这对渠道边坡的稳定性形成了较大的安全隐患。为了消除安全隐患，依据设计要求，将弱偏中膨胀土的区段利用挖掘机全部挖掉，在原膨胀土的基础上参加4%的水泥进行换填施工。

2 试验目的

根据《南水北调中线一期引江济汉工程设计2标膨胀土处理施工技术要求》中规定的铺土厚度、试验工艺以及水泥掺量，对素土掺加水泥进行改性土并对其碾压试验效果进行验证，最终确定水泥改性土施工的控制性参数，为后续施工提供指导：核查水泥改性土压实后是否达到设计压实度、水泥改性土自由膨胀率是否达到设计要求；确定合理的施工技术参数。

3 设计要求

根据设计要求，标段水泥掺量按照素土（最优含水率）的4%进行控制，水泥改性土压实度≥96%，自由膨胀率≤40%。

4 试验用料

水泥：选用三峡牌P·O42.5普通硅酸盐水泥，产品符合质量要求。

素土：根据试验结果，改性土所用素土物理性能符合技术要求，素土自由膨胀率为43%。

施工用水：主要用于现场改性土拌和、改性土养护和施工道路降尘用水。拌和用水应符合混凝土生产用水要求，主要取自换填区域附近降水井抽排水；当换填附近区域无降水井时，项目部配置有5t洒水车供水，能够满足现场施工需要。

5 现场碾压试验

5.1 碾压试验场地布置

测量放线：放线内容主要包括控制点的设置、平面位置的放线、高程的控制，主要需要对换填水泥土的位置边线进行精确定位。试验场地所选桩号范围为10+145～10+230，试验区面积为3.00m×95.00m，根据设计要求，铺料厚度为30.00cm。

水泥改性土回填前先进行填筑基面清理干净并整平，用振动碾压实作为下部结合层。经四方联合验收后，才允许下一道工序。

5.2 施工工艺

5.2.1 素土破碎

本次试验采用WB-5000-6型路拌机破碎的方式进行素土破碎，破碎前采用推土机对回填土料顶部进行整平处理，破碎时路拌机采用错距法行走1趟为1遍，行走4遍，错距≥20cm。

5.2.2 含水率控制

考虑到素土破碎的均匀性，需将现场水泥改性土含水率控制在一定范围内，素土若含水率过高需要翻晒，低必须进行均匀洒水拌和，含水率调整可与素土工序合并进行，本次试验根据设计要求，将素土天然含水率控制在最优含水率的-3%～+3%范围内，以控制在高于最优含水率1.50%左右为宜。

5.2.3 摆放和摊铺水泥

对摊铺好的素土利用推土机进行整平，使其表面平整厚度均匀。按照设计要求计算出单位面积水泥用量，将水泥运到摊铺场地后，据此在填筑面上划分为方格，单个网格面积大小以每格放置1袋水泥，应注意使每方格水泥的摊铺面积相等。摆放水泥经确认无误后，人工用木刮板或铁锹均匀摊开，水泥的摊铺宽度超过设计边线的10cm即可，水泥摊铺完毕后，表面应没有空白位置，也没有水泥集中的地方。水泥摊铺完成后，采用路拌机对混合料开始拌和。

5.2.4 水泥拌和

拌合过程中设专人跟随拌和机，随时检验混合料拌合深度和含水率，为了保证拌和层与下层的粘结，拌和深度宜深入下层至少3～5cm，严禁在拌和层底部留有素土“夹层”。拌和机拌和完成的标志是混合料颜色应达到一致，没有灰条、灰团和画面，由于本工程素土含有较大颗粒，拌和3遍即可拌和均匀，通过EDTA滴定试验检测，均匀性满足要求。

5.2.5 水泥改性土碾压

拌和整形完成后采用20t振动碾进行碾压，振动碾压2、4、6遍后分别进行取样检测。碾压方式采用搭接法进行碾压，振动碾平行于渠道方向行走。

5.3 现场碾压试验结果

5.3.1 现场水泥改性土中水泥的剂量的测定

分别在反应龄期 0.5h、2h、4h、6h、12h时，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTGE51-2009进行水泥改性土EDTA标准曲线确定试验，并根据该曲线快速测定现场水泥改性土中水泥的剂量，同时检验拌和的均匀性。

水泥改性土EDTA各反应龄期标准曲线见图1。

图1 水泥改性土EDTA标准曲线图

图1中，0.5hEDTA标准曲线拟合线性公式为y0.5h=1.94x+5.35（其中y为EDTA二钠标准溶液消耗量，x为水泥剂量），相关系数r=0.99；2hEDTA标准曲线拟合线性公式为y2h=1.67x+5.34，相关系数r=1.00；4hEDTA标准曲线拟合线性公式为y4h=1.46x+5.70，相关系数r=1.00；6hEDTA标准曲线拟合线性公式为y6h=1.41x+5.42，相关系数r=1.00；12hEDTA标准曲线拟合线性公式为y12h=1.30x+5.34，相关系数r=1.00。

取现场碾压后的水泥改性土样2组送入试验室，在4h反应龄期时进行EDTA二钠滴定试验，得出标准曲线对应水泥剂量，从而换算成湿土（最优含水率）中的水泥剂量。根据设计要求，用EDTA滴定法测定水泥含量，平均值不得小于设计掺量（湿土质量的4%），水泥改性土水泥含量标准差≤0.70，试验结果见表1。

表1结果表明：经换算，为最优含水率时，水泥剂量平均值和标准差均满足设计要求。

5.3.2 水泥改性土压实度

对水泥改性回填土碾压后随机抽点进行压实度试验，即对水泥改性土试验区每种碾压参数分别取样2组试样分别测定湿密度、含水率，计算干密度。现场密度试验采用《土工试验规程》中的环刀法进行压实密度检测，为确保环刀取样能真实反映压实度的实际情况，取样时人工在取样点位挖取样坑，坑底应至该层铺料厚度的底部，人工量测取样坑的深度，从距坑顶2/3处挖取样平台，然后用环刀取样。取样环刀体积为200cm3，当2组试样均达到设计压实度时，其碾压遍数为满足设计要求的碾压遍数。水泥改性土压实度试验结果见表2。

表1 水泥改性土水泥剂量试验结果一览表

表2 水泥改性土压实度结果一览表

结果表明：水泥改性土在松铺厚度为30cm时，采用20t振动碾静压2遍、振动碾压2、4、6遍后，其含水率范围为1.00%～2.90%，平均含水率为1.80%，压实度平均值在95.20%～98.80%之间，即静压2遍、振动碾压6遍及以上时，抽检试样的压实度均能达到设计压实度；经抽查，发现上下结合层面结合良好，底部无虚土，无光面及剪力破坏现象。

5.3.3 现场水泥改性土自由膨胀率

取现场碾压试验区2组水泥改性土样送入试验室进行标准养护，在1，2，3d直至7d反应龄期内分别进行自由膨胀率试验，并绘制自由膨胀率随时间变化曲线。现场水泥改性土自由膨胀率试验结果见表3。

表3 现场水泥改性土自由膨胀率试验结果一览表

结果表明：随反应龄期的增加，现场水泥改性土的平均自由膨胀率整体上均呈下降趋势，但有时也出现反弹现象，7d时自由膨胀率均达到设计要求。

6 结论

关于膨胀土施工，一是在水泥掺量为4%时，将含水率控制在最优含水率-3%～+3%内，松铺厚度为30cm，采用WB-5000-6型路拌机将素土破碎4遍，水泥改性土再拌合3次，20t振动碾静压2遍，振动碾压6遍进行现场质量控制，试验结果满足设计要求。二是由于路拌法在公路界已为成熟工艺，改性土拌和后均匀性较好，根据目测和EDTA－滴定试验检测，均匀性满足设计要求。