杜建偉，王連超

（河南省河川工程監(jiān)理有限公司，河南 鄭州450000）

1 水泥改良膨脹土機(jī)理

當(dāng)水泥摻入到膨脹土中后，會(huì)引起水泥的水解和水化反應(yīng)，產(chǎn)生水泥水化物。一部分水泥水化物與黏土顆粒發(fā)生相互作用，水泥水化物中的氫氧化鈣又與二氧化碳發(fā)生碳化作用。經(jīng)過這些反應(yīng)與相互作用后，改變膨脹土的原有性質(zhì)。

2 水泥改性膨脹土力學(xué)性能研究

2.1 計(jì)算原理

通過計(jì)算軟件FLAC3D對魯山南1段膨脹土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度力學(xué)性能試驗(yàn)的數(shù)值模擬研究，研究水泥改性對抑制膨脹土強(qiáng)度軟化模量減小的效果。

2.2 計(jì)算模型及參數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)的模型幾何尺寸高為4 m，直徑為2 m（見圖1）。計(jì)算過程中，采用在頂面和底面進(jìn)行位移加載，大小為0.25 m，即相當(dāng)于對于試樣整體施加6.25%的軸向應(yīng)變。

圖1 圓柱體試樣模型

本段膨脹土巖性主要為粉質(zhì)粘土，褐黃色、灰黃色，呈可塑～硬塑狀，局部微裂隙發(fā)育，裂隙中見少量灰白色泥質(zhì)充填，膨脹土中粘土礦物除局部以綠泥石、伊利石為主外，多數(shù)由伊利石和蒙脫石組成，參考室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，本次計(jì)算中膨脹土的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 膨脹土的物理力學(xué)參數(shù)

將表1參數(shù)輸入FLAC3D軟件中，可得出剪切應(yīng)變、位移等結(jié)果。

2.3 模擬結(jié)果

2.3.1 原狀土分析結(jié)果

從圖2可以看出，原狀土試樣外表面形成了明顯塑性區(qū)，試樣兩側(cè)中部位置塑性變形最大，表明試樣發(fā)生了破壞。原狀土試樣的側(cè)向位移、變形見圖3和圖4，由圖可知，試樣在荷載作用下產(chǎn)生了明顯的鼓脹變形。

圖2 原狀土塑性剪切應(yīng)變

圖3 原狀土側(cè)向位移

圖4 原狀土變形圖

2.3.2 水泥改性膨脹土分析結(jié)果

從圖5可以看出，隨著水泥摻量的增加改性土試樣的塑性區(qū)域逐漸縮小，2%水泥摻量改性土試樣的整體強(qiáng)度有所提高，試樣內(nèi)部產(chǎn)生了較為明顯的斜向剪切帶，表明試樣的破壞模式為整體性破壞；4%水泥摻量改性土和6%水泥摻量時(shí)試樣的受力條件明顯改善，試樣內(nèi)部產(chǎn)生了一定的剪切應(yīng)力集中，由圖6、圖7可以看出，兩種的側(cè)向位移和變形形態(tài)差別不大。

圖5 試樣的等效塑性應(yīng)變

圖6 試樣的X方向位移場

圖7 試樣的變形圖

圖8 ～圖11為試樣軸向應(yīng)力-軸向位移曲線。從圖可以看出，隨水泥的摻量的增加，改性土的變形模量明顯增加，相同荷載水平作用下試樣的變形量明顯減小，表明摻入水泥后能夠抑制膨脹土的強(qiáng)度軟化。當(dāng)水泥摻量超過4%時(shí)，對試樣強(qiáng)度的提高不明顯，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，建議膨脹土水泥摻量控制在4%左右。

圖8 軸向應(yīng)力-軸向位移曲線（原狀土）

圖9 軸向應(yīng)力-軸向位移曲線（2%水泥改性土）

圖10 軸向應(yīng)力-軸向位移曲線（4%水泥改性土）

圖11 軸向應(yīng)力-軸向位移曲線（6%水泥改性土）

3 水泥改性土的力學(xué)性能及最優(yōu)摻量室內(nèi)試驗(yàn)

隨著對膨脹土認(rèn)識的不斷加深，自由膨脹率指標(biāo)反映的是膨脹土物質(zhì)成分的膨脹性能，與含水量、密度等狀態(tài)無關(guān)，故可作為判別水泥改性效果的主要指標(biāo)。因此，本節(jié)主要基于膨脹土特性試驗(yàn)研究和實(shí)際工程情況研究不同膨脹率的膨脹土改良后達(dá)到的物理力學(xué)性能指標(biāo)，確定改性土的水泥摻量。

3.1 改性土料天然狀態(tài)下物性試驗(yàn)

3.1.1 土料化學(xué)成分測試與分析

根據(jù)土料場的特性粉質(zhì)粘土：pH值呈中性，有機(jī)質(zhì)含量0.19%～0.81%，易溶鹽含量0.156 g/kg～0.32 g/kg，燒失量7.62%～9.82%。礦物成分主要是粘土礦物和石英，粘土礦物以蒙脫石為主，少量伊利石、高嶺石。

粉質(zhì)壤土：pH值呈中性，有機(jī)質(zhì)含量0.70%，易溶鹽含量0.192 g/kg，燒失量5.14%。礦物成分主要是粘土礦物和石英，粘土礦物以蒙脫石為主，少量伊利石、高嶺石。

3.1.2 土料天然狀態(tài)下的物性指標(biāo)

料場土料天然狀態(tài)下的物性指標(biāo)及土料擊實(shí)及擊實(shí)后物理力學(xué)試驗(yàn)成果見表2、表3。

表2 料場土料天然狀態(tài)下的物性指標(biāo)

表3 土料擊實(shí)及擊實(shí)后物理力學(xué)試驗(yàn)成果

根據(jù)表2所列料場土料天然狀態(tài)下的物性指標(biāo)可以看出，土料除局部具弱膨脹性外，總體不具膨脹性。

3.1.3 土料質(zhì)量評價(jià)

按照《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》（SL 251-2000）均質(zhì)土壩質(zhì)量技術(shù)要求，對土料場質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)，粉質(zhì)粘土的粘粒含量、塑性指數(shù)和天然含水率偏高，其它指標(biāo)滿足質(zhì)量技術(shù)要求，自由膨脹率20%～57%，平均值37%，大于40%的組數(shù)占總組數(shù)的24%，土料總體不具膨脹性，僅局部具弱膨脹性。粉質(zhì)壤土的天然含水率偏高，其它指標(biāo)滿足質(zhì)量技術(shù)要求，自由膨脹率11%～40%，平均值24%，土料不具膨脹性。

3.2 不同摻量水泥改性土力學(xué)性能試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

①試驗(yàn)點(diǎn)分布

按《南水北調(diào)中線一期工程總干渠渠道水泥改性土施工技術(shù)規(guī)定》（試行）（NSBD-ZGJ-1-37）的規(guī)定，天然土料的自由膨脹率確定應(yīng)在開采區(qū)按控制范圍不大于100 m×100 m，取樣點(diǎn)不少于9個(gè)進(jìn)行檢測。當(dāng)土層厚度大于2 m時(shí)，在距開采頂、底0.3 m處及其間等距離多點(diǎn)（高差不大于1 m）采樣等體積混合進(jìn)行自由膨脹率檢測。

②試驗(yàn)方案

根據(jù)《南水北調(diào)中線一期工程總干渠渠道水泥改性土施工技術(shù)規(guī)定》（試行）（NSBD-ZGJ-1-37）中要求，當(dāng)原土自由膨脹率在40%～45%之間時(shí)，推薦水泥摻量4%，最小水泥摻量3%。故本次現(xiàn)場試驗(yàn)方案水泥摻量按照表4進(jìn)行控制，擬定水泥摻量為3%和4%，再進(jìn)行28 d自由膨脹率、標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)最大干密度和28 d飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

表4 不同水泥摻量膨脹土試驗(yàn)方案及控制指標(biāo)

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)結(jié)果，摻入4%水泥時(shí)，28 d自由膨脹率均在25%以下；摻入3%水泥時(shí)，28 d自由膨脹率在26%～34%，高于規(guī)范中的控制值25.2%。

此外，摻入4%水泥時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)最大干密度為1.72 kg/m3～1.74 kg/m3，28 d 飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為 319 kPa～478 kPa，均能滿足規(guī)范要求。摻3%水泥的改性土，28 d自由膨脹率和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度部分不能滿足規(guī)范要求。

因此根據(jù)NSBD-ZGJ-1-37的規(guī)定，當(dāng)采用白廟土料場該區(qū)域土料進(jìn)行改性施工時(shí)，水泥摻量應(yīng)控制在4%。

3.3 水泥改性土的力學(xué)性能及最優(yōu)摻量現(xiàn)場試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)方案

選擇總干渠3#營地內(nèi)作為本次碾壓試驗(yàn)的試驗(yàn)場地（30 m×20 m）。鋪筑厚度分0.30 m、0.35 m、0.40 m填筑三層，每一層采用20 t振動(dòng)碾碾壓，行走速度采用1檔，速度為2 m/h～3 m/h，試驗(yàn)?zāi)雺罕閿?shù)為4遍、6遍、8遍（來回為2遍，鋪土后先靜碾碾壓2遍，弱振2遍，其中碾壓遍數(shù)2遍的為弱振，下同）。

3.3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

碾壓后的干容重等，每層碾壓4遍、6遍、8遍各取4個(gè)樣，共90個(gè)樣。測定碾壓6遍和8遍后的干容重，并通過以下公式進(jìn)行復(fù)核：

式中：γR表示現(xiàn)場碾壓完后取樣的干密度;β為設(shè)計(jì)根據(jù)工程需要確定的改性土壓實(shí)度（＞98%）；γs標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度；γ6最優(yōu)含水量下20 t凸塊振動(dòng)碾振動(dòng)碾壓6遍對應(yīng)的干密度。

3.3.3 試驗(yàn)方法

每個(gè)試驗(yàn)小塊按試驗(yàn)要求鋪土、平整、碾壓，當(dāng)碾壓進(jìn)行完后進(jìn)行取樣，做密度試驗(yàn)，碾壓每增加2遍，各試驗(yàn)塊取樣一次，每個(gè)試驗(yàn)塊每次取樣4個(gè)，采用環(huán)刀法取樣，測定干密度和含水率，干密度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系見圖12；并測定壓實(shí)后土層厚度，觀察壓實(shí)土層底部有無虛土層、上下層面結(jié)合是否良好、有無光面及剪力破壞等，并做出詳盡的記錄。

3.4 現(xiàn)場試驗(yàn)成果

3.4.1 總體趨勢

鋪料30 cm，壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)的增加而增大，從碾壓4遍到碾壓6遍，增長較明顯，從碾壓6遍到碾壓8遍，無明顯增長。由此可見，鋪料30 cm，碾壓6遍后，繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)已無明顯壓實(shí)效果，所以在鋪料厚度30 cm的條件下，碾壓遍數(shù)宜控制在6遍。鋪料35 cm，壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)的增加而變大（圖13），碾壓6遍后可滿足壓實(shí)度要求，繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)可提高壓實(shí)效果，所以在鋪料35 cm的條件下，碾壓遍數(shù)宜控制在8遍。鋪料40 cm，碾壓8遍后，壓實(shí)度可滿足壓實(shí)度要求，繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)可提高壓實(shí)效果。

圖12 干密度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系曲線圖

圖13 壓實(shí)度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系曲線圖

（1）鋪料30 cm

成果分析：鋪料30 cm，碾壓4遍，可滿足設(shè)計(jì)要求，但接近下限，繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)，碾壓6遍、8遍后，壓實(shí)度均能滿足設(shè)計(jì)要求，且已無明顯增長，因此鋪料30 cm時(shí)，宜碾壓6遍。

（2）鋪料35 cm

成果分析：鋪料35 cm，碾壓4遍，不能滿足設(shè)計(jì)要求，繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)，碾壓后6遍后，壓實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求，但接近下限，繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)，因此鋪料35 cm時(shí)，宜碾壓8遍。

（3）鋪料40 cm

成果分析：鋪料40 cm，碾壓4遍、6遍后，壓實(shí)度均不滿足設(shè)計(jì)要求，因此繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)，碾壓8遍后，可滿足設(shè)計(jì)要求，但接近下限。因此鋪料40 cm繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)。

3.4.2 最優(yōu)參數(shù)的確定

通過現(xiàn)場試驗(yàn)的對比，得出摻4%水泥的改性土，鋪料厚度35 cm，碾壓8遍，相對最優(yōu)，相關(guān)施工參數(shù)見表5。

表5 摻4%水泥改性土擬定施工參數(shù)

4 結(jié)論

（1）數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著水泥摻量的增加改性土試樣的塑性區(qū)域逐漸縮小，4%水泥摻量改性土和6%水泥摻量時(shí)試樣的受力條件明顯改善，試樣內(nèi)部產(chǎn)生了一定的剪切應(yīng)力集中；建議膨脹土水泥摻量控制在4%左右。

（2）室內(nèi)試驗(yàn)的研究結(jié)果表明，摻入4%水泥時(shí)28 d自由膨脹率均在25%以下；標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)最大干密度為1.72 kg/m3～1.74 kg/m3，28 d 飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為 319 kPa～478 kPa，均能滿足規(guī)范要求。根據(jù)NSBD-ZGJ-1-37的規(guī)定，當(dāng)采用白廟土料場該區(qū)域土料進(jìn)行改性施工時(shí)，水泥摻量應(yīng)控制在4%。

（3）通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究，得出摻4%水泥的改性土，鋪料厚度35 cm，碾壓8遍，相對最優(yōu)，并提出了相應(yīng)的施工參數(shù)及注意事項(xiàng)。