胡愛國(guó)，邱洪志，董建輝

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水泥土墻在水土保持工程中的應(yīng)用研究

胡愛國(guó)1，邱洪志2，董建輝2

（1.四川省核工業(yè)地質(zhì)局二八二大隊(duì)，德陽 618000；2.成都大學(xué)，成都 610106）

水泥土是一種經(jīng)濟(jì)適用的建筑材料，它常被用于大壩防滲與加固、樁基、基坑支護(hù)、土基、面墊層等工程中。本文根據(jù)水泥土的力學(xué)特性，探討了水泥土墻在水土保持工程中的應(yīng)用；通過一個(gè)工程實(shí)例，重點(diǎn)分析了水泥土擋土墻和漿砌石擋土墻建設(shè)成本的差異，驗(yàn)證了水泥土材料用于水土保持工程的可行性。實(shí)例分析表明，相同體積的水泥土墻和漿砌石擋土墻相比，水泥土墻的造價(jià)不到漿砌石擋墻的一半，并且材料運(yùn)輸距離越遠(yuǎn)水泥土墻造價(jià)越低。

水泥土墻；水土保持；力學(xué)特性；應(yīng)用

1967年瑞典人首先提出了石灰樁法；1970年日本開發(fā)了采用水泥、石灰和粉煤灰的DJM法。自1977年起，深層攪拌樁法被引入我國(guó)，由于粉噴技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的土體加固中顯示出造價(jià)低，效果好，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，粉噴法施工工藝得到迅速推廣。

水泥土在工程中得到了廣泛應(yīng)用，在基坑工程上的應(yīng)用，基坑深度較淺時(shí)，可以采用水泥土樁作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)；對(duì)于地下水位較高的深基坑，水泥土墻（樁）可以作為止水帷幕，能夠有效的防水止水。在地基處理工程方面的應(yīng)用，工程建設(shè)中往往會(huì)遇到地基承載力不足的情況，特別是淤泥質(zhì)土的地區(qū)，按照一定的配合比，摻入適量的水泥，可以提高地基的承載力，是一種有效的地基處理方法[1]。

我國(guó)從20世紀(jì)70年代初開始對(duì)水泥土進(jìn)行試驗(yàn)、應(yīng)用和推廣，其中有在石料奇缺的長(zhǎng)江荊江大堤上的水泥土護(hù)坡試驗(yàn)，在塞外嚴(yán)寒地區(qū)的紅領(lǐng)巾水庫灌區(qū)用水泥土做的渠道防滲試驗(yàn)，在深圳寶安德松白公路一級(jí)公路和新城大道的路面結(jié)構(gòu)中均采用了水泥土復(fù)合地基，上海靜安寺下沉廣場(chǎng)圍護(hù)工程和輕軌寶興路站承臺(tái)圍護(hù)工程中應(yīng)用了型鋼水泥土復(fù)合樁等。70年代后期，山東、天津、北京、上海等省市水利科研、設(shè)計(jì)單位相繼開展了水泥土的應(yīng)用研究工作，比較深入地研究了該材料的基本物理力學(xué)性能。80年代，水利部門對(duì)水泥土的研究使用更為普遍。建設(shè)部門也是在該時(shí)期采用深層攪拌技術(shù)將地基軟土和水泥漿強(qiáng)制拌和來加固地基，得到了具有整體性、水穩(wěn)性和足夠強(qiáng)度的地基土[2]。

水土保持工程經(jīng)常采用的工程措施為漿砌塊石和毛石混泥土，無論是哪種結(jié)構(gòu)措施，所用的主要工程材料為塊石。我過山區(qū)占地面積很大，占全國(guó)土地面積的70%。山區(qū)地理環(huán)境復(fù)雜，很多水土保持工程建設(shè)自身又存在特殊性，如水保工程點(diǎn)分散，單個(gè)點(diǎn)水土保持工程量??；當(dāng)?shù)刂饕こ滩牧先狈Φ萚3,4]。受地形條件限制，交通不便利，為材料的二次運(yùn)輸帶來很大的不便，由于二次運(yùn)輸帶來的成本，也直接增加了工程建設(shè)總成本。

近年來我國(guó)工程技術(shù)人員對(duì)水泥土的研究表明，水泥土是一種經(jīng)濟(jì)適用的建筑材料，它不僅被用于大壩防滲與加固、樁基、基坑支護(hù)、土基、面墊層等工程中，也可用于水土保持工程中，在我國(guó)的工程建設(shè)中發(fā)揮著越來越大的作用。目前，有關(guān)水泥土的工程應(yīng)用研究尚有不足，需要進(jìn)一步研究，以便其充分發(fā)揮作用。本文根據(jù)水泥土的力學(xué)特性，探討了水泥土墻在水土保持工程中應(yīng)用的可能性，通過一個(gè)工程實(shí)例，重點(diǎn)分析了水泥土擋土墻和漿砌石擋土墻建設(shè)成本的差異，驗(yàn)證了水泥土材料用于水土保持工程的可行性。對(duì)水泥土的工程應(yīng)用作進(jìn)一步的研究和探索，使其在我國(guó)得到更為廣泛的利用，從而為社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)發(fā)揮巨大作用。

1 水泥土力學(xué)特性

1.1 抗拉強(qiáng)度

水泥土的抗拉強(qiáng)度一般很低，為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的15%左右。當(dāng)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度u<1.5MPa時(shí)，抗拉強(qiáng)度t約等于0.2MPa。在設(shè)計(jì)中一般不考慮水泥土的抗拉強(qiáng)度。

1.2 抗剪強(qiáng)度

文獻(xiàn)[5]指出，一般水泥土的內(nèi)摩擦角約在20°～30°之間，而粘聚力c在0.1～1.1MPa之間，隨著水泥摻入比的提高，粘聚力提高，而內(nèi)摩擦角變化不大。林瓊等[6]認(rèn)為：抗剪強(qiáng)度隨著固結(jié)壓力σ3的增大而略有提高；由于固結(jié)壓力σ3的作用，試樣的破壞特征有所變化，由原來無側(cè)限條件下的脆性破壞變?yōu)樗苄云茐?。?越大，這種趨勢(shì)越明顯。

1.3 抗壓強(qiáng)度

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是水泥土最基本最重要的力學(xué)指標(biāo)。由于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)簡(jiǎn)單易行，且試驗(yàn)結(jié)果比較可靠，目前，工程界均以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為檢驗(yàn)水泥土強(qiáng)度的主要依據(jù)。水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大約比天然土強(qiáng)度提高數(shù)十倍到數(shù)百倍，受很多因素的影響。

1.4 變形模量

式中，Pu為水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，ε0.5為應(yīng)力等于0.5Pu時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值。

2 水泥土力學(xué)特性影響因素

水泥土是按一定的水灰比形成漿液與土體均勻攪拌，使水泥與土發(fā)生物理、化學(xué)作用，生成整體的、堅(jiān)硬的、水穩(wěn)定性的生成物。

圖2 水泥土加固后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.1 不同土質(zhì)

2.2 水泥摻入比

文獻(xiàn)[9]指出，對(duì)于不同的水泥摻入比，漿噴水泥土強(qiáng)度隨齡期的增值率變化不大；而對(duì)于粉噴水泥土，水泥摻入比對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響較大；無論是漿噴或粉噴水泥土，還是不同的水泥摻入比，28d與60d之間的強(qiáng)度與齡期的變化斜率基本相同。

圖3 水泥摻入比與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖4 土體含水量與強(qiáng)度的關(guān)系

李健等[10]通過試驗(yàn)研究了不同水泥摻入比對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明：隨著水泥摻入比的增加，水泥土的抗壓強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；水泥摻入比對(duì)水泥土早期強(qiáng)度的影響小于對(duì)后期的影響。

梁仁旺等[11]通過試驗(yàn)得出：水泥土立方體抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻入比的增加而增大，他們之間的關(guān)系呈現(xiàn)出非線性。

2.3 天然土含水量

在同一水泥摻入比情況下，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度并不遵循含水量越高，水泥土強(qiáng)度越低的規(guī)律，水泥漿和軟土的固化反應(yīng)需要原地土有一定的含水量，因此，原地土含水量與水泥摻入比存在有最優(yōu)的配合比關(guān)系[12]。土體含水量較高時(shí)宜選用粉噴攪拌工藝，含水量小于30%宜采用漿噴濕攪工藝。軟土含水量越高，加固土強(qiáng)度越低；含水量從30%增長(zhǎng)到50%，同一摻入比下，強(qiáng)度降低約30%。因此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)荷載要求和實(shí)際軟土含水量調(diào)整設(shè)計(jì)，對(duì)不同地段、不同土質(zhì)宜采用不同的水泥摻入比或改變置換率。并且，由于軟土中水泥的摻入，軟土中的水量為水泥作用吸收，地基含水量將發(fā)生改變。在干攪、 養(yǎng)護(hù)條件下，隨著水泥摻入比的增大，經(jīng)過處理后的加固土實(shí)測(cè)含水量與原地土含水量之比隨之減小[13]。

2.4 其它

已有文獻(xiàn)研究表明，影響水泥土力學(xué)特性的主要因素包括土質(zhì)、摻入水泥量、含水量，除此之外，還有其它一些影響因素，諸如：水泥品種與標(biāo)號(hào)、外摻劑、養(yǎng)護(hù)條件及施工工藝等。

3 水泥土墻在水土保持中的應(yīng)用

3.1 實(shí)例概況

以中國(guó)石油化工集團(tuán)公司某成品油管道沿線水土保持工程為例，該工程線路全長(zhǎng)700余公里，管道穿越了廣西和云南兩省，沿途地形多以低山、中山為主，地形條件較為復(fù)雜；云廣（廣西）地區(qū)降雨量相對(duì)較為豐富，為保證該成品油管道安全正常運(yùn)營(yíng)，管道沿線進(jìn)行了水土保持工程。

管線經(jīng)過的6個(gè)縣鎮(zhèn)中，選取6個(gè)典型段的水土保持工程為例，水保措施均采用的是漿砌石擋土墻進(jìn)行防治。擋土墻所采用的原材料主要包括：塊石、水泥、細(xì)沙和粗砂，其中塊石作為主要建筑材料，它的成本比重最高。水土保持工程所需要的塊石就近采購，一般石料廠與工程場(chǎng)地之間的距離約為3～35km，其中二次運(yùn)輸距離0.1～2.2km。由于工程建設(shè)場(chǎng)地多是在山上，沒有道路，所有工程所需材料都是通過人工或馬隊(duì)搬運(yùn)，因此，材料運(yùn)輸成本很高。

表1 單位體積塊石的成本

3.2 實(shí)例分析

表1列出了6個(gè)典型段不同地方，將1m3塊石運(yùn)輸?shù)绞┕?chǎng)地的所有費(fèi)用。1m3塊石砌筑成1m3的擋土墻，根據(jù)砌筑工人的技術(shù)水平、塊石形狀和塊徑的不同，塊石換算成擋土墻，需要乘以一個(gè)折減系數(shù)。換算成1m3擋土墻需要的塊石體積用下式表示：

V=V

式中，為換算成1m3擋土墻需要的塊石體積；為換算前的塊石體積，即為1m3；為折減系數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取值范圍為0.85～0.92。

同樣，砌筑1m3擋土墻的成本，可按1m3塊石成本除以折減系數(shù)得到。表1中給出的是線路不同標(biāo)段典型段塊石成本費(fèi)用情況，不同地區(qū)塊石價(jià)格會(huì)有差別。

3.3 對(duì)比分析

在選取的標(biāo)段位置用水泥土墻來代替漿砌石擋土墻，水泥土墻需要的主要材料土，可以利用管溝開挖產(chǎn)生的棄土、棄碴；漿砌石擋土墻所用的砂漿量是比較少的，水泥土墻需要增加水泥用量，二者需要用的水量接近。水泥土墻修筑除了必須的建筑材料外，還要用到模板和夯實(shí)設(shè)備。

表2 單位體積擋土墻成本對(duì)比

根據(jù)表2可知，修筑單位體積擋土墻水泥土所用成本占漿砌石成本不到一半，運(yùn)輸距離越短，比值越小。漿砌石與水泥土墻在水土保持工程中，其功能均是防止水土流失，保護(hù)管道正常運(yùn)營(yíng)。從擋土墻的受力特征分析，主要受到墻后填土的土壓力和水壓力作用，這些外力作用主要是由擋土墻自重來承擔(dān)的。試驗(yàn)表明，漿砌石擋土墻的抗拉強(qiáng)度不及水泥土墻的抗拉強(qiáng)度，因此，水泥土墻承受荷載的能力是優(yōu)于漿砌石擋墻的。另外，由于風(fēng)化作用，水泥土墻表面的水泥土?xí)L(fēng)化形成土，并在短時(shí)間內(nèi)長(zhǎng)出植被；漿砌石擋墻則很難風(fēng)化，很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，管道經(jīng)過的地方因采取的水保措施，而留下“疤痕”。

4 結(jié)論

本文以水泥土為研究對(duì)象，分析了水泥土的力學(xué)特性及其影響因素，并結(jié)合工程實(shí)例，研究了水泥土墻在成品油管道沿線水土保持工程中的應(yīng)用，得到以下結(jié)論。

1）水泥土的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相比抗壓強(qiáng)度要小的多，為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的15%左右，在水泥土攪拌設(shè)計(jì)中，一般不考慮水泥土的抗拉強(qiáng)度；在水土保持工程中，水泥土的抗拉強(qiáng)度可以發(fā)揮作用。

2）影響水泥土力學(xué)特性的諸多因素中，土質(zhì)、水泥摻入量和含水量是主要因素，為保證水泥土墻的質(zhì)量，應(yīng)合理控制。

3）實(shí)例分析表明，相同體積的水泥土墻和漿砌石擋土墻相比，水泥土墻的造價(jià)不到漿砌石擋墻的一半，并且材料運(yùn)輸距離越遠(yuǎn)水泥土墻造價(jià)越低。

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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

胡愛國(guó)（1974-），男，四川蓬安縣人，碩士，高級(jí)工程師，從事工程地質(zhì)與水文地質(zhì)相關(guān)工作。

P642.3

A

1006-0995（2018）02-0321-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.02.030