弱膨胀土水泥改性试验工艺在南水北调中线工程中的应用

□王翔宇

科技创新

弱膨胀土水泥改性试验工艺在南水北调中线工程中的应用

□王翔宇

膨胀土是一种典型的非饱和黏性土，会因水侵蚀发生膨胀软化，在失水后出现收缩开裂。南水北调中线干线工程因沿线膨胀土段部位较多,在既不降低渠段质量又节约建设经费、提高施工进度的前提下,选择使用水泥或改性有机硅弱膨胀黏土，对弱膨胀土段进行换填处理。

弱膨胀土；水泥改性试验；施工参数

南水北调中线一期工程总干渠邯郸市到邯郸县段，作为南水北调中线工程的关键输水区段之一，工程等别为Ⅰ等，关键渠道、还有不同河渠的交叉建筑物级别为1级，附属建筑物级别为3级。该段渠道全长21.11km，其中渠道长0.39km、建筑物长0.76km。沿线设置有不同建筑物44座，其中大型交叉项目3座、左排建筑物9座、控制工程6座、跨渠桥梁25座、铁路交叉1座。现主要介绍该段工程施工1～2标弱膨胀渠段，沿线发育的主要地层岩性为第三系N1黏土岩夹砂岩透镜体，自由膨胀率为11%～81%，多具弱膨胀潜势，沿线及附近区域填筑土料较为匮乏，且多为良田，为节省投资、保证施工进度，需充分利用渠道挖弃的弱膨胀土掺水泥改性进行渠坡换填，处理后满足设计要求并达到工程质量要求。

1.试验目的

弱膨胀土水泥改性后在进行渠道填筑、渠坡换填施工前应达到下列要求并取得以下技术指标及参数。

一是通过掺水泥改性土生产性试验，确定弱膨胀土掺水泥改性是否满足设计可用于渠道填筑。二是通过现场拌合试验研究，为大规模施工选择合适的碎土、拌制（水泥掺量控制、水泥均匀度控制、加水量控制）、碾压施工机具及控制指标。三是改性土换填前，首先要做好改性土碾压试验，确认科学的建设压实数据，包括铺料厚度、水泥改性土拌合手段、单位体积使用量、使用土料含水量的合理区间、压实器械及方式、人工夯实机具及遍数等。四是为保证项目的质量，核对所确定建设设备的适用性还有其属性的稳定性、可靠性。

2.试验依据

《土工试验规程》（SL237-1999）；《堤防工程施工规范》（SL260-2014）；《南水北调中线一期工程总干渠渠道水泥改性土施工技术规定》NSBD-ZGJ-1-37以及建设环节中依据的其他有关标准、规范。

图1 　渠道横剖面图

图2 　换填部位图

3.试验实施及成果

3.1 试验场地布置

试验场地设在桩号43+525～43+625之间，渠道底宽为22.5m，规划边坡为1:2.25，见图1。渠道开挖长度180m（含坡道），挖深7m～10m，渠坡主要是由弱膨胀土构成。在渠底布置排水沟、排水井，渠道开挖区域四周布置排水沟，防止施工期间地下水、降水以及地表水等进入工作面，以确保干场作业。

3.2 试验前准备

准备膨胀性、EDTA滴定等试验设备，培训相关技术人员；根据试验段工程量选用稳定土拌合机（生产能力600t），液压驱动碎土设备（生产能力600t），清理场地，安装调试；确定最具有特性的弱膨胀土展开实验室EDTA滴定实验，画出水泥含量标准的曲线图谱；确定最具有特性的土料进行击实测试，水泥改性土当中的最大干密度，还有最优含水率等参数由此得出；生产试验前进行碾压试验，确定碾压机械、碾压遍数及厚度等参数；整理弱膨胀土水泥改性土试验段场地；每个测试单元均为600m3，均匀取5或者7组土样进行自由膨胀率实验，若实验得出该土样的自由膨胀率极值小于60%、平均值小于55%，则该土样满足要求，视该土样为合格，若自由膨胀率平均值超过55%的，规定要再次选择重新确定取土的位置。

3.3 材料准备

用挖掘机挖装、自卸汽车运输，将渠道挖弃的弱膨胀土土料运至拌合场；将渠道挖弃的弱膨胀土去除石块和石渣，需再对合格的弃土进行碎土和筛选，碎土以及筛选后的备料土块，其粒径要小于10cm，粒径10cm～5cm的土块，其含量必须小于5%，粒径5cm～2cm之间的土块含量必须小于15%，粒径2cm～0.5cm之间的土块，其含量必须小于35%；本次试验水泥掺量现设定为4%，使用规格为P.O 42.5的普通硅酸盐水泥。

3.4 水泥改性土生产要求

对合格的弃土以及符合要求的备料土块采用液压驱动设备对弃土及土块进行碎土，成品料直接进入设备生产改性土，成品改性土应避免长时间堆放，最多堆存时间不超过24h，土堆高度不得超过3m。

3.5 水泥改性土拌合试验

弱膨胀土在完成水泥改性土拌合之前，确定现场当中最具典型的被改性土样，进而开展实验室EDTA滴定测试，且画出水泥含量的标准曲线图谱，对于之后测试继续制备满足要求的单位体积水泥改性土所需水泥含量提供方便，且需通过监理确认；在水泥改性土拌合前，首先需要检测土料、水泥的出料速度，依次绘制出料速度和水泥含量的关系曲线，依据该曲线，按设定的水泥掺量，内插法来得到确定出料速度；因为水泥改性在拌和环节中会发生水化反应，改性土的含量会出现较大的变化，拌和环节当中也会消耗一些含水量，再加上运输环节当中含水量的消耗，因此应通过拌和试验，确定拌和时的添加水量；为保证改性效果，拌和必须均匀，水泥含量均匀度使用标准差来衡量，每拌和场次最多600m3，抽测最少6组样品，每组样品必须大于300g。对现场拌和完成的水泥改性土开展EDTA滴定试验测试，其水泥掺量的平均值大于理论掺量，标准差需小于0.7,那么认为均匀性符合标准。

3.6 试验段取样检测及成果整理

膨胀性检测按14天自由膨胀率进行初检，28天自由膨胀率进行复检。初检合格可作为检验结果。膨胀性的其他类型试验视需要进行。取样进行渗透试验，数量根据试验段长度、类型，每个单元不小于5组。完成实验之后把资料展开整体性的规划梳理剖析，绘制成果图表，编制成果报告，且依据工程项目实际状况，选定满足规划换填规范的压实数据。

4.改性土渠坡换填施工

一是用自卸汽车将合格的成品料运输至回填工作面，采用进占法卸料。

二是推土机铺料及平土。摊铺时，水泥改性土其含水率最好为最优含水率上浮1.0%～2.0%区间内，得以弥补在完成摊铺，还有碾压环节当中的水分消耗。在铺料操作中，要完全依据碾压试验的数据掌握铺料厚度，采用插纤检测。

三是填筑碾压。使用LSS218A型凸块振动碾完成碾压；水泥改性土在进行铺料时，要完成超填，其土料完全依照1∶1.5坡比完成放坡，且完全依据碾压测试的数据掌握铺料厚度，根据对应的换填厚度(20cm～30cm），同层将规划外坡坡脚作为基准，顶部超填宽度不小于30cm；为提升处理层和被保护坡面之间的质量，填料前边坡面进行开蹬，高度即为各层铺土的碾压厚度，见图2；碾压器械顺着渠道轴线方向，采用进退全振错距法完成碾压，其碾迹重叠要大于20cm，对边角位置的大型机械设备碾压不完全、遗漏的地方，需采用蛙夯人工夯实；各层填土碾压完成后，要求在4个小时内必须完成对填土的质量检测，在6个～8个小时内实现上层土全覆盖，当表层的含水量较小时，要求马上对填筑面、边坡等位置展开洒水养护，尽量避免产生水泥改性土砂化现象；填料压实度检测取样使用环刀法，1次/（100m3～200m3），并且每层大于3个点，压实度最少应为0.98。

四是渠坡在完成填筑建设后，通过人机结合展开削坡操作，削坡角度应垂直于渠道轴线，从上到下顺坡开展。土料收集到坡下，装卸到拌合场，进而完成再次拌合，使用到设计或是有关技术规定能够利用的位置，使余料能够发挥最大程度的利用效果。

五是建设施工注意。密切关注天气预报，防止土料被雨淋湿，并做好防雨措施。下雨时马上暂停作业，且对已摊铺完成的位置迅速碾压密实、封面要开展防雨操作，预防积水；洒水量要依据填筑面，还有填筑边坡当中的土体含水量的客观状况，在洒水后，等待填筑层的表面自由水被土体完全吸收后，才可以进行之后的工序，以避免人机、器械马上进入仓面施工。

5.结语

经过对弱膨胀土水泥改性试验以及碾压回填工艺试验得出水泥掺量为4%时,将改性土料含水率控制在最优含水率至超过最优含水率2%以内,以及当铺土厚度达到25cm、28cm时,1.5t羊角碾碾压8遍～10遍（强震4遍～6遍）时,成品土料压实度保证率最高,可以满足渠道填筑要求干密度为98%的标准，并为后期施工应用选择合适的施工机具。所以，通过进行弱膨胀土水泥改性试验，对以后有膨胀土地区的填筑施工具有重要指导意义。

这一试验实现了对弱膨胀土的有效治理，现场施工容易控制、操作简便，非常适用于渠道回填和倒虹吸施工应用，可以连续大规模实施。这一措施的应用可以有效解决工程中挖筑平衡问题，降低工程造价，节约施工成本，加快施工进度，同时可变废为宝、保护环境。□

2022-12-08

王翔宇，男，汉族，河北省水利工程局集团有限公司，助理工程师。