水泥土墙在水土保持工程中的应用研究

胡爱国，邱洪志，董建辉



水泥土墙在水土保持工程中的应用研究

胡爱国1，邱洪志2，董建辉2

（1.四川省核工业地质局二八二大队，德阳 618000；2.成都大学，成都 610106）

水泥土是一种经济适用的建筑材料，它常被用于大坝防渗与加固、桩基、基坑支护、土基、面垫层等工程中。本文根据水泥土的力学特性，探讨了水泥土墙在水土保持工程中的应用；通过一个工程实例，重点分析了水泥土挡土墙和浆砌石挡土墙建设成本的差异，验证了水泥土材料用于水土保持工程的可行性。实例分析表明，相同体积的水泥土墙和浆砌石挡土墙相比，水泥土墙的造价不到浆砌石挡墙的一半，并且材料运输距离越远水泥土墙造价越低。

水泥土墙；水土保持；力学特性；应用

1967年瑞典人首先提出了石灰桩法；1970年日本开发了采用水泥、石灰和粉煤灰的DJM法。自1977年起，深层搅拌桩法被引入我国，由于粉喷技术在各个领域的土体加固中显示出造价低，效果好，安全可靠等优点，粉喷法施工工艺得到迅速推广。

水泥土在工程中得到了广泛应用，在基坑工程上的应用，基坑深度较浅时，可以采用水泥土桩作为基坑支护结构；对于地下水位较高的深基坑，水泥土墙（桩）可以作为止水帷幕，能够有效的防水止水。在地基处理工程方面的应用，工程建设中往往会遇到地基承载力不足的情况，特别是淤泥质土的地区，按照一定的配合比，掺入适量的水泥，可以提高地基的承载力，是一种有效的地基处理方法[1]。

我国从20世纪70年代初开始对水泥土进行试验、应用和推广，其中有在石料奇缺的长江荆江大堤上的水泥土护坡试验，在塞外严寒地区的红领巾水库灌区用水泥土做的渠道防渗试验，在深圳宝安德松白公路一级公路和新城大道的路面结构中均采用了水泥土复合地基，上海静安寺下沉广场围护工程和轻轨宝兴路站承台围护工程中应用了型钢水泥土复合桩等。70年代后期，山东、天津、北京、上海等省市水利科研、设计单位相继开展了水泥土的应用研究工作，比较深入地研究了该材料的基本物理力学性能。80年代，水利部门对水泥土的研究使用更为普遍。建设部门也是在该时期采用深层搅拌技术将地基软土和水泥浆强制拌和来加固地基，得到了具有整体性、水稳性和足够强度的地基土[2]。

水土保持工程经常采用的工程措施为浆砌块石和毛石混泥土，无论是哪种结构措施，所用的主要工程材料为块石。我过山区占地面积很大，占全国土地面积的70%。山区地理环境复杂，很多水土保持工程建设自身又存在特殊性，如水保工程点分散，单个点水土保持工程量小；当地主要工程材料缺乏等[3,4]。受地形条件限制，交通不便利，为材料的二次运输带来很大的不便，由于二次运输带来的成本，也直接增加了工程建设总成本。

近年来我国工程技术人员对水泥土的研究表明，水泥土是一种经济适用的建筑材料，它不仅被用于大坝防渗与加固、桩基、基坑支护、土基、面垫层等工程中，也可用于水土保持工程中，在我国的工程建设中发挥着越来越大的作用。目前，有关水泥土的工程应用研究尚有不足，需要进一步研究，以便其充分发挥作用。本文根据水泥土的力学特性，探讨了水泥土墙在水土保持工程中应用的可能性，通过一个工程实例，重点分析了水泥土挡土墙和浆砌石挡土墙建设成本的差异，验证了水泥土材料用于水土保持工程的可行性。对水泥土的工程应用作进一步的研究和探索，使其在我国得到更为广泛的利用，从而为社会主义现代化建设发挥巨大作用。

1 水泥土力学特性

1.1 抗拉强度

水泥土的抗拉强度一般很低，为无侧限抗压强度的15%左右。当无侧限抗压强度u<1.5MPa时，抗拉强度t约等于0.2MPa。在设计中一般不考虑水泥土的抗拉强度。

1.2 抗剪强度

文献[5]指出，一般水泥土的内摩擦角约在20°～30°之间，而粘聚力c在0.1～1.1MPa之间，随着水泥掺入比的提高，粘聚力提高，而内摩擦角变化不大。林琼等[6]认为：抗剪强度随着固结压力σ3的增大而略有提高；由于固结压力σ3的作用，试样的破坏特征有所变化，由原来无侧限条件下的脆性破坏变为塑性破坏。σ3越大，这种趋势越明显。

1.3 抗压强度

无侧限抗压强度是水泥土最基本最重要的力学指标。由于无侧限抗压强度试验简单易行，且试验结果比较可靠，目前，工程界均以无侧限抗压强度作为检验水泥土强度的主要依据。水泥土的无侧限抗压强度大约比天然土强度提高数十倍到数百倍，受很多因素的影响。

1.4 变形模量

式中，Pu为水泥土无侧限抗压强度，ε0.5为应力等于0.5Pu时对应的应变值。

2 水泥土力学特性影响因素

水泥土是按一定的水灰比形成浆液与土体均匀搅拌，使水泥与土发生物理、化学作用，生成整体的、坚硬的、水稳定性的生成物。

图2 水泥土加固后的无侧限抗压强度

2.1 不同土质

2.2 水泥掺入比

文献[9]指出，对于不同的水泥掺入比，浆喷水泥土强度随龄期的增值率变化不大；而对于粉喷水泥土，水泥掺入比对水泥土强度的影响较大；无论是浆喷或粉喷水泥土，还是不同的水泥掺入比，28d与60d之间的强度与龄期的变化斜率基本相同。

图3 水泥掺入比与立方体抗压强度的关系

图4 土体含水量与强度的关系

李健等[10]通过试验研究了不同水泥掺入比对水泥土抗压强度的影响，结果表明：随着水泥掺入比的增加，水泥土的抗压强度呈增长趋势；水泥掺入比对水泥土早期强度的影响小于对后期的影响。

梁仁旺等[11]通过试验得出：水泥土立方体抗压强度随着水泥掺入比的增加而增大，他们之间的关系呈现出非线性。

2.3 天然土含水量

在同一水泥掺入比情况下，水泥土的无侧限抗压强度并不遵循含水量越高，水泥土强度越低的规律，水泥浆和软土的固化反应需要原地土有一定的含水量，因此，原地土含水量与水泥掺入比存在有最优的配合比关系[12]。土体含水量较高时宜选用粉喷搅拌工艺，含水量小于30%宜采用浆喷湿搅工艺。软土含水量越高，加固土强度越低；含水量从30%增长到50%，同一掺入比下，强度降低约30%。因此，应当根据荷载要求和实际软土含水量调整设计，对不同地段、不同土质宜采用不同的水泥掺入比或改变置换率。并且，由于软土中水泥的掺入，软土中的水量为水泥作用吸收，地基含水量将发生改变。在干搅、 养护条件下，随着水泥掺入比的增大，经过处理后的加固土实测含水量与原地土含水量之比随之减小[13]。

2.4 其它

已有文献研究表明，影响水泥土力学特性的主要因素包括土质、掺入水泥量、含水量，除此之外，还有其它一些影响因素，诸如：水泥品种与标号、外掺剂、养护条件及施工工艺等。

3 水泥土墙在水土保持中的应用

3.1 实例概况

以中国石油化工集团公司某成品油管道沿线水土保持工程为例，该工程线路全长700余公里，管道穿越了广西和云南两省，沿途地形多以低山、中山为主，地形条件较为复杂；云广（广西）地区降雨量相对较为丰富，为保证该成品油管道安全正常运营，管道沿线进行了水土保持工程。

管线经过的6个县镇中，选取6个典型段的水土保持工程为例，水保措施均采用的是浆砌石挡土墙进行防治。挡土墙所采用的原材料主要包括：块石、水泥、细沙和粗砂，其中块石作为主要建筑材料，它的成本比重最高。水土保持工程所需要的块石就近采购，一般石料厂与工程场地之间的距离约为3～35km，其中二次运输距离0.1～2.2km。由于工程建设场地多是在山上，没有道路，所有工程所需材料都是通过人工或马队搬运，因此，材料运输成本很高。

表1 单位体积块石的成本

3.2 实例分析

表1列出了6个典型段不同地方，将1m³块石运输到施工场地的所有费用。1m³块石砌筑成1m³的挡土墙，根据砌筑工人的技术水平、块石形状和块径的不同，块石换算成挡土墙，需要乘以一个折减系数。换算成1m³挡土墙需要的块石体积用下式表示：

V=V

式中，为换算成1m³挡土墙需要的块石体积；为换算前的块石体积，即为1m³；为折减系数，根据工程经验取值范围为0.85～0.92。

同样，砌筑1m³挡土墙的成本，可按1m³块石成本除以折减系数得到。表1中给出的是线路不同标段典型段块石成本费用情况，不同地区块石价格会有差别。

3.3 对比分析

在选取的标段位置用水泥土墙来代替浆砌石挡土墙，水泥土墙需要的主要材料土，可以利用管沟开挖产生的弃土、弃碴；浆砌石挡土墙所用的砂浆量是比较少的，水泥土墙需要增加水泥用量，二者需要用的水量接近。水泥土墙修筑除了必须的建筑材料外，还要用到模板和夯实设备。

表2 单位体积挡土墙成本对比

根据表2可知，修筑单位体积挡土墙水泥土所用成本占浆砌石成本不到一半，运输距离越短，比值越小。浆砌石与水泥土墙在水土保持工程中，其功能均是防止水土流失，保护管道正常运营。从挡土墙的受力特征分析，主要受到墙后填土的土压力和水压力作用，这些外力作用主要是由挡土墙自重来承担的。试验表明，浆砌石挡土墙的抗拉强度不及水泥土墙的抗拉强度，因此，水泥土墙承受荷载的能力是优于浆砌石挡墙的。另外，由于风化作用，水泥土墙表面的水泥土会慢慢风化形成土，并在短时间内长出植被；浆砌石挡墙则很难风化，很长一段时期内，管道经过的地方因采取的水保措施，而留下“疤痕”。

4 结论

本文以水泥土为研究对象，分析了水泥土的力学特性及其影响因素，并结合工程实例，研究了水泥土墙在成品油管道沿线水土保持工程中的应用，得到以下结论。

1）水泥土的抗剪强度和抗拉强度相比抗压强度要小的多，为无侧限抗压强度的15%左右，在水泥土搅拌设计中，一般不考虑水泥土的抗拉强度；在水土保持工程中，水泥土的抗拉强度可以发挥作用。

2）影响水泥土力学特性的诸多因素中，土质、水泥掺入量和含水量是主要因素，为保证水泥土墙的质量，应合理控制。

3）实例分析表明，相同体积的水泥土墙和浆砌石挡土墙相比，水泥土墙的造价不到浆砌石挡墙的一半，并且材料运输距离越远水泥土墙造价越低。

[1] 艾志伟，邓通发. 水泥土强度的影响因素研究进展[J].公路，2014,(1):195-199.

[2] 甘肃省水利科学研究院.水泥土灰土作为过水土坝坡面材料试验研究报告集[R].甘肃省水利科学研究所，1990,1-16.

[3] 倪振强.输油气管道建设中的水土保持研究[J].长江科学院院报，2016,33(1):20-23.

[4] 李影，李国义，马文鑫. 我国油气管道建设现状及发展趋势[J].中国西部科技，2009,8(14)：6-8.

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[6] 林琼，等.水泥搅拌桩在深基坑支护结构中的应用研究[C].福建省建筑科学研究院，1994.

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[12] 林鹏，许淑贤，许镇鸿.软土地基水泥土的室内强度试验分析[J].西部探矿工程，2002,(4):6-7.

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The Application of Cement Soil Wall to Erosion and Torrent Control Works

HU Ai-guo1QIU Hong-zhi2DONG Jian-hui2

(1-No. 282 Geological Party, Sichuan Bureau of Uranium Geology, Deyang, Sichuan 618000; 2-Chengdu University, Chengdu 610106)

Cement soil is a kind of economic and applicable building material. It is often used in dam seepage prevention and reinforcement, pile foundation, foundation pit support, soil foundation, surface cushion and other projects. This paper makes an approach to the application of cement soil wall to erosion and torrent control works by an engineering example. The difference of cement soil retaining wall from masonry retaining wall in construction cost is discussed. The feasibility of the application ofcement soil wall to erosion and torrent control works is verified.

cement soil wall; erosion and torrent control works; application; mechanical property; influencing factors

2018-03-15

胡爱国（1974-），男，四川蓬安县人，硕士，高级工程师，从事工程地质与水文地质相关工作。

P642.3

A

1006-0995（2018）02-0321-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.02.030