富水山区水泥改性膨胀土施工关键技术研究

黄朱盛 许康 龙一平

1.北京市政路桥股份有限公司 工程总承包一部 北京 100067

2.贵州省天柱公路管理段 贵州 黔东南州 556600

膨胀土是一种具有显著胀缩性的非饱和土，在我国有着广泛的分布[1]，遍布鄂、川、桂、豫等多个省，导致工程建设中出现极大的经济、资源损失，所以，其工程问题一直很受关注。我国高等级公路建设及路网连接线等提级改造越来越多，为保证高等级公路道路指标，公路路线不得不通过有膨胀土的地区，富水山区膨胀土的病害尤其突出，诸如坍肩、沉陷、坍滑、溜塌等。公路工程建设中，国内常用的方法有水泥、掺灰等化学改性法、土工膜法、换填法、浆砌圬工支挡法等，应结合工程经验因地制宜的选用具体方法。其中，化学改性法因可以就地取材、施工条件的限制较小等优点[2]，同时有对水体污染小的特性，广泛应用于公路工程的建设中。化学改性法是通过在膨胀土内掺入有效的固化剂，使其与膨胀土内部颗粒进行作用，能降低膨胀土的膨胀性以及膨胀土的吸水性，提高膨胀土的强度，从而达到施工需要的条件[3]，其中以水泥掺入膨胀土的水泥改性法是改良膨胀土最常用的方法。

本文以地处富水山区的鄂西北某公路工程的弱膨胀土水泥改性填筑施工为例，对富水山区的水泥改性施工过程中室内试验、现场碾压试验段、分层填筑施工技术等关键施工技术进行研究与总结。

1 水泥改性膨胀土机理

当水泥掺入到膨胀土中后，会引起水泥的水解和水化反应，产生水泥水化物。一部分水泥水化物与黏土颗粒发生相互作用，水泥水化物中的氢氧化钙又与二氧化碳发生碳化作用，经过这些反应与相互作用后，改变了膨胀土的原有性质[4]，使膨胀土的胀缩性能及水稳定性得到改善，从而达到路基填料的要求。这是因为随着水泥掺入量增加，水化反应产生更多的水化产物与土颗粒发生团聚，土颗粒之间逐渐黏联形成体积较大的絮状物或者絮状体，土颗粒间的孔隙被絮状物逐渐填充，孔隙体积减小[5]。

2 工程概况

本项目有全挖方段、半挖半填及全填方段，均位于弱膨胀土区，山体河道常年有水，降雨较多，地下富水，线路依山傍水修建，水泥改性土回填工程量约20万立方米。因此，富水的特点对富水山区路基填筑施工质量提出了更高的要求。

依据设计要求，改性材料选择P.O42.5水泥，掺水泥比例参考3%-4%，原土采用弱膨胀土自由膨胀率（40%≤δef＜65%），不可采用中或强膨胀原土，改性后要求的自由膨胀率（δef＜40%）。

本文将通过室内试验确定合理的水泥掺入量，通过现场碾压试验，优化施工压实参数，结合实际施工过程，介绍水泥改性膨胀土分层填筑施工等施工关键技术。

3 水泥改性膨胀土室内试验

3.1 试验目的

在工地实验室进行室内试验的主要目的是确定相关技术参数，为改性土拌合施工提供合理指导意见。

3.2 试验过程及成果整理

在室内，在膨胀土中掺入不同含量的水泥，研究水泥改性膨胀土最大干密度和自由膨胀率的变化与水泥掺入量的关系。试验土样采用现场工作面土样，进行了原土样自由膨胀率试验，得到自由膨胀率为64%，依据规范要求属于弱膨胀土。

水泥采用三峡P.O42.5普通硅酸盐水泥，本次试验在室内测定土样的天然含水率，其天然含水率为25.8%，本次试验在室内采用筛分法对土样颗粒进行分析。

本次试验在室内测定土样的界限含水率，测定结果分别为：液限55.9，塑限25.9，塑性指数30。依据该土样界限含水率与颗粒分析判定其属于含砾高液限粘土。

在水泥作为固化剂改性膨胀土时，水泥的掺入比例应控制在4%～10%之间[6]，试验过程中，室内对土样分别掺入0%、3.0%、3.5%、4.0%水泥进行击实试验，得出技术指标如下表1。

表1 技术指标

在工地试验室配置掺水泥量分别为1%、2%、3%、4%、5%的水泥改性土土样，采用EDTA滴定法进行试验检测。

在室内对土样按最佳含水率分别掺入3.0%、3.5%、4.0%水泥，用击实仪分别制作试样各3个，脱模后分别装入塑料袋养护，在击实成型后第7天，分别取每组试样中的1个试样，整个放入烘箱烘干后碾碎，再通过过0.5mm筛，然后参照SL237-024-1999中自由膨胀率试验方法操作。在击实成型后第28天，分别取每组剩余的2个试样检测自由膨胀率。

检测试样7天与28天的自由膨胀率，试验结果如下表2。

表2 7天与28天的自由膨胀率试验结果

在室内对土样按最佳含水率分别掺入3.0%、3.5%、4.0%水泥，制备给定密度的环刀试样，做变水头渗透试验，现经过7天试样均未出现渗水现象。

3.3 试验结论

通过上述试验得出结论：取土场土样为弱膨胀土，当土样分别掺入3.0%、3.5%、4.0%三峡牌P.O42.5水泥后，其改性后各项试验结果均符合规范及设计要求，可用于回填碾压。考虑到富水山区特殊气候、经济合理和节约成本等，现推荐掺入3.0%的水泥，施工时土体的天然含水率控制在最佳含水率±2%范围。

4 现场碾压试验选定合理压实参数

通过现场碾压试验，选定合理施工压实参数：松铺厚度多少、压实方法和压实遍数多少、最佳含水率多少。

现场碾压试验施工工艺选择30㎝、40㎝、50㎝三种不同的松铺厚度，碾压时采用进退错距法进行施工，如下表3。

表3 松铺厚度及碾压遍数一览表

根据碾压试验成果分析，松铺厚度40cm时，采用碾压四或六遍，所检测的压实度均超过96%，压实度合格率为100%，达到设计规定值。40cm碾压四或六遍成果见下表4。

表4 0cm碾压4、6遍成果表

根据上述成果分析可知，从天然含水率、施工工期及填筑压实度要求方面综合考虑，推荐选择以下两种方案进行现场回填施工：

1、松铺厚度40㎝，先静压两遍，再振动碾压四遍。

2、松铺厚度40㎝，先静压两遍，再振动碾压六遍。

以上两种施方案均要求将现场含水率控制在20%～23%，推荐现场回填碾压参数详见下表5。

表5 现场回填碾压参数表

5 分层填筑施工关键技术

按设计和相关规范要求，对开挖基础面进行大小尺寸、填前高程、平整度以及基底压实度等有关内容的检查，经项目自检合格并通过监理单位验收合格后方可进行水泥改性膨胀土的填筑施工，施工中注意事项如下：

5.1 备料

水泥改性膨胀土原土料备料来源于现场开挖运至渣场的可利用土，渣场内存放有大量满足填筑强度的土料。同时采取防雨措施遮挡晾晒、粗碎粒径合格的土料，在掺入水泥搅拌生产且含水率满足要求的水泥改性碎土堆料仓搭建遮雨棚。

5.2 土料旋耕破碎及晾晒

目前由于富水山区原料土粒径较大、水分较多，一般需经晾晒、粗碎合格。首先使用装载机结合定制的网筛（间距100mm）将原状土进行筛分，再用推土机在旋耕场内将简单筛分后的土料进行摊铺（厚度400mm），然后用旋耕耙在摊铺料上行走，将粒径较大的土块破碎至较小土块，并晾晒。待土料表层稍干后继续用旋耕耙旋耕破碎和继续晾晒，如此反复，直至土料的含水率降低到略高于施工控制含水率范围为止[7]。

5.3 水泥改性土的拌制与检测

根据试验参数来控制土料、水泥的重量并进行充分地搅拌，水泥改性土拌制料检测合格后，直接装车运至现场填筑。掺水泥量平均值不得小于设计值（3%），不合格的改性土混合料不得施工。

5.4 运输

施工时，自卸汽车在拌和站出料口装满料后覆盖防尘布，然后运输至填筑部位进行施工；水泥改性土检测合格后的应尽快回填，从出料到回填碾压结束，时间不宜超过4个小时。

5.5 铺料

采用“进占法”铺料，以减少机械对已压实基础面或已填筑面碾压破坏；水泥改性土的含水率宜控制在最佳含水率的±2%，松铺厚度为40cm。

5.6 碾压

本项目采用26t凸块振动压路机压，先静压两遍，再振动碾压四至六遍，碾压采用进退错距法，碾迹重叠0.3～0.5m，碾压速度控制在2～4km/h范围内，碾压时，按照“先慢后快，先静压、后振动”的操作进行。

为保证碾压机械的工作面及行走安全、确保边坡压实度，路基每侧需加宽填筑，边坡部分与主体一并施工和压实；需根据天气和层面干燥情况对层间进行洒水湿润；用层厚标尺来控制铺料厚度，每一层进行高程测量。

6 富水山区水泥改性膨胀土填筑施工关键技术

富水山区地形起伏沟壑纵横，且水流水系较丰富，降雨较多，干湿交替频繁，对工期进度影响较大，同时严重影响到施工质量，因此，必须从设计、施工环节综合考虑合理采用具体措施。

施工线路或场址选择时，宜选择地形条件比较简单，且土质比较均匀、胀缩性较弱的地段，或宜具有排水通畅或易于进行排水处理的地形条件，或宜避开地裂、冲沟发育和可能发生浅层滑坡等地段，或宜避开地下溶沟、溶槽发育、地下水变化剧烈的地段[8]。

应完善排水系统，做到坡脚排水通畅，积水及时清排，避免浸泡，坡顶截水沟优先施工，按设计修整边坡坡面后，应立即做好边坡坡面防护施工，防止雨水直接侵蚀坡面，如无法及时施工因在雨前用雨篷布覆盖坡面。

施工用水应加强管理，并防止管线漏水，水池、水沟、化粪池等渗水，水池、水沟等水工构筑物应符合防漏、防渗要求。

避开雨天施工，来不及回填时应覆盖防水。路侧绿化地带浇水应控制水量。

宜选用非膨胀土或经改良的弱膨胀土来作为填筑路肩或至路床的填料，回填压实度不少于96%，填筑高度不足1米的填方路堤，必须填筑非膨胀土，并进行压实。

路堑边坡不要按设计线一次开挖到位，沿坡面宜留一层300～500mm厚土体，待路堑开挖施工完毕后再挖除，并及时封闭防水。

7 结语

本项目水泥改性技术的顺利实施，为富水山区的水泥改性膨胀土填筑施工提供了一定的借鉴，通过以本项目水泥改性弱膨胀土填筑施工为研究对象，对比、分析试验结果，可得出结论如下：

1.水泥改性土较素膨胀土的自由膨胀率有明显降低，自由膨胀率下降最多达44%。2.加大水泥的掺入量能加强膨胀土的改性效果，但当水泥掺量到达一定程度之后，改性效果不好不再明显，改性土的性质随着水泥掺量的增大逐渐趋向于稳定[9]。本项目弱膨胀土试验最佳水泥掺量为3%。3.为保证水泥改性膨胀土填筑施工质量，试验段得出的合理压实参数为：松铺40cm，先静压两遍，再振动碾压四至六遍。4.实践证明，水泥处理膨胀土作为回填土可以解决膨胀土边坡的浅层失稳问题[10]。