□王翔宇

科技創(chuàng)新

弱膨脹土水泥改性試驗工藝在南水北調(diào)中線工程中的應(yīng)用

□王翔宇

膨脹土是一種典型的非飽和黏性土，會因水侵蝕發(fā)生膨脹軟化，在失水后出現(xiàn)收縮開裂。南水北調(diào)中線干線工程因沿線膨脹土段部位較多,在既不降低渠段質(zhì)量又節(jié)約建設(shè)經(jīng)費(fèi)、提高施工進(jìn)度的前提下,選擇使用水泥或改性有機(jī)硅弱膨脹黏土，對弱膨脹土段進(jìn)行換填處理。

弱膨脹土；水泥改性試驗；施工參數(shù)

南水北調(diào)中線一期工程總干渠邯鄲市到邯鄲縣段，作為南水北調(diào)中線工程的關(guān)鍵輸水區(qū)段之一，工程等別為Ⅰ等，關(guān)鍵渠道、還有不同河渠的交叉建筑物級別為1級，附屬建筑物級別為3級。該段渠道全長21.11km，其中渠道長0.39km、建筑物長0.76km。沿線設(shè)置有不同建筑物44座，其中大型交叉項目3座、左排建筑物9座、控制工程6座、跨渠橋梁25座、鐵路交叉1座?，F(xiàn)主要介紹該段工程施工1～2標(biāo)弱膨脹渠段，沿線發(fā)育的主要地層巖性為第三系N1黏土巖夾砂巖透鏡體，自由膨脹率為11%～81%，多具弱膨脹潛勢，沿線及附近區(qū)域填筑土料較為匱乏，且多為良田，為節(jié)省投資、保證施工進(jìn)度，需充分利用渠道挖棄的弱膨脹土摻水泥改性進(jìn)行渠坡?lián)Q填，處理后滿足設(shè)計要求并達(dá)到工程質(zhì)量要求。

1.試驗?zāi)康?/h2>

弱膨脹土水泥改性后在進(jìn)行渠道填筑、渠坡?lián)Q填施工前應(yīng)達(dá)到下列要求并取得以下技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)。

一是通過摻水泥改性土生產(chǎn)性試驗，確定弱膨脹土摻水泥改性是否滿足設(shè)計可用于渠道填筑。二是通過現(xiàn)場拌合試驗研究，為大規(guī)模施工選擇合適的碎土、拌制（水泥摻量控制、水泥均勻度控制、加水量控制）、碾壓施工機(jī)具及控制指標(biāo)。三是改性土換填前，首先要做好改性土碾壓試驗，確認(rèn)科學(xué)的建設(shè)壓實(shí)數(shù)據(jù)，包括鋪料厚度、水泥改性土拌合手段、單位體積使用量、使用土料含水量的合理區(qū)間、壓實(shí)器械及方式、人工夯實(shí)機(jī)具及遍數(shù)等。四是為保證項目的質(zhì)量，核對所確定建設(shè)設(shè)備的適用性還有其屬性的穩(wěn)定性、可靠性。

2.試驗依據(jù)

《土工試驗規(guī)程》（SL237-1999）；《堤防工程施工規(guī)范》（SL260-2014）；《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》NSBD-ZGJ-1-37以及建設(shè)環(huán)節(jié)中依據(jù)的其他有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范。

圖1 　渠道橫剖面圖

圖2 　換填部位圖

3.試驗實(shí)施及成果

3.1 試驗場地布置

試驗場地設(shè)在樁號43+525～43+625之間，渠道底寬為22.5m，規(guī)劃邊坡為1:2.25，見圖1。渠道開挖長度180m（含坡道），挖深7m～10m，渠坡主要是由弱膨脹土構(gòu)成。在渠底布置排水溝、排水井，渠道開挖區(qū)域四周布置排水溝，防止施工期間地下水、降水以及地表水等進(jìn)入工作面，以確保干場作業(yè)。

3.2 試驗前準(zhǔn)備

準(zhǔn)備膨脹性、EDTA滴定等試驗設(shè)備，培訓(xùn)相關(guān)技術(shù)人員；根據(jù)試驗段工程量選用穩(wěn)定土拌合機(jī)（生產(chǎn)能力600t），液壓驅(qū)動碎土設(shè)備（生產(chǎn)能力600t），清理場地，安裝調(diào)試；確定最具有特性的弱膨脹土展開實(shí)驗室EDTA滴定實(shí)驗，畫出水泥含量標(biāo)準(zhǔn)的曲線圖譜；確定最具有特性的土料進(jìn)行擊實(shí)測試，水泥改性土當(dāng)中的最大干密度，還有最優(yōu)含水率等參數(shù)由此得出；生產(chǎn)試驗前進(jìn)行碾壓試驗，確定碾壓機(jī)械、碾壓遍數(shù)及厚度等參數(shù)；整理弱膨脹土水泥改性土試驗段場地；每個測試單元均為600m3，均勻取5或者7組土樣進(jìn)行自由膨脹率實(shí)驗，若實(shí)驗得出該土樣的自由膨脹率極值小于60%、平均值小于55%，則該土樣滿足要求，視該土樣為合格，若自由膨脹率平均值超過55%的，規(guī)定要再次選擇重新確定取土的位置。

3.3 材料準(zhǔn)備

用挖掘機(jī)挖裝、自卸汽車運(yùn)輸，將渠道挖棄的弱膨脹土土料運(yùn)至拌合場；將渠道挖棄的弱膨脹土去除石塊和石渣，需再對合格的棄土進(jìn)行碎土和篩選，碎土以及篩選后的備料土塊，其粒徑要小于10cm，粒徑10cm～5cm的土塊，其含量必須小于5%，粒徑5cm～2cm之間的土塊含量必須小于15%，粒徑2cm～0.5cm之間的土塊，其含量必須小于35%；本次試驗水泥摻量現(xiàn)設(shè)定為4%，使用規(guī)格為P.O 42.5的普通硅酸鹽水泥。

3.4 水泥改性土生產(chǎn)要求

對合格的棄土以及符合要求的備料土塊采用液壓驅(qū)動設(shè)備對棄土及土塊進(jìn)行碎土，成品料直接進(jìn)入設(shè)備生產(chǎn)改性土，成品改性土應(yīng)避免長時間堆放，最多堆存時間不超過24h，土堆高度不得超過3m。

3.5 水泥改性土拌合試驗

弱膨脹土在完成水泥改性土拌合之前，確定現(xiàn)場當(dāng)中最具典型的被改性土樣，進(jìn)而開展實(shí)驗室EDTA滴定測試，且畫出水泥含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖譜，對于之后測試?yán)^續(xù)制備滿足要求的單位體積水泥改性土所需水泥含量提供方便，且需通過監(jiān)理確認(rèn)；在水泥改性土拌合前，首先需要檢測土料、水泥的出料速度，依次繪制出料速度和水泥含量的關(guān)系曲線，依據(jù)該曲線，按設(shè)定的水泥摻量，內(nèi)插法來得到確定出料速度；因為水泥改性在拌和環(huán)節(jié)中會發(fā)生水化反應(yīng)，改性土的含量會出現(xiàn)較大的變化，拌和環(huán)節(jié)當(dāng)中也會消耗一些含水量，再加上運(yùn)輸環(huán)節(jié)當(dāng)中含水量的消耗，因此應(yīng)通過拌和試驗，確定拌和時的添加水量；為保證改性效果，拌和必須均勻，水泥含量均勻度使用標(biāo)準(zhǔn)差來衡量，每拌和場次最多600m3，抽測最少6組樣品，每組樣品必須大于300g。對現(xiàn)場拌和完成的水泥改性土開展EDTA滴定試驗測試，其水泥摻量的平均值大于理論摻量，標(biāo)準(zhǔn)差需小于0.7,那么認(rèn)為均勻性符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.6 試驗段取樣檢測及成果整理

膨脹性檢測按14天自由膨脹率進(jìn)行初檢，28天自由膨脹率進(jìn)行復(fù)檢。初檢合格可作為檢驗結(jié)果。膨脹性的其他類型試驗視需要進(jìn)行。取樣進(jìn)行滲透試驗，數(shù)量根據(jù)試驗段長度、類型，每個單元不小于5組。完成實(shí)驗之后把資料展開整體性的規(guī)劃梳理剖析，繪制成果圖表，編制成果報告，且依據(jù)工程項目實(shí)際狀況，選定滿足規(guī)劃換填規(guī)范的壓實(shí)數(shù)據(jù)。

4.改性土渠坡?lián)Q填施工

一是用自卸汽車將合格的成品料運(yùn)輸至回填工作面，采用進(jìn)占法卸料。

二是推土機(jī)鋪料及平土。攤鋪時，水泥改性土其含水率最好為最優(yōu)含水率上浮1.0%～2.0%區(qū)間內(nèi)，得以彌補(bǔ)在完成攤鋪，還有碾壓環(huán)節(jié)當(dāng)中的水分消耗。在鋪料操作中，要完全依據(jù)碾壓試驗的數(shù)據(jù)掌握鋪料厚度，采用插纖檢測。

三是填筑碾壓。使用LSS218A型凸塊振動碾完成碾壓；水泥改性土在進(jìn)行鋪料時，要完成超填，其土料完全依照1∶1.5坡比完成放坡，且完全依據(jù)碾壓測試的數(shù)據(jù)掌握鋪料厚度，根據(jù)對應(yīng)的換填厚度(20cm～30cm），同層將規(guī)劃外坡坡腳作為基準(zhǔn)，頂部超填寬度不小于30cm；為提升處理層和被保護(hù)坡面之間的質(zhì)量，填料前邊坡面進(jìn)行開蹬，高度即為各層鋪土的碾壓厚度，見圖2；碾壓器械順著渠道軸線方向，采用進(jìn)退全振錯距法完成碾壓，其碾跡重疊要大于20cm，對邊角位置的大型機(jī)械設(shè)備碾壓不完全、遺漏的地方，需采用蛙夯人工夯實(shí)；各層填土碾壓完成后，要求在4個小時內(nèi)必須完成對填土的質(zhì)量檢測，在6個～8個小時內(nèi)實(shí)現(xiàn)上層土全覆蓋，當(dāng)表層的含水量較小時，要求馬上對填筑面、邊坡等位置展開灑水養(yǎng)護(hù)，盡量避免產(chǎn)生水泥改性土砂化現(xiàn)象；填料壓實(shí)度檢測取樣使用環(huán)刀法，1次/（100m3～200m3），并且每層大于3個點(diǎn)，壓實(shí)度最少應(yīng)為0.98。

四是渠坡在完成填筑建設(shè)后，通過人機(jī)結(jié)合展開削坡操作，削坡角度應(yīng)垂直于渠道軸線，從上到下順坡開展。土料收集到坡下，裝卸到拌合場，進(jìn)而完成再次拌合，使用到設(shè)計或是有關(guān)技術(shù)規(guī)定能夠利用的位置，使余料能夠發(fā)揮最大程度的利用效果。

五是建設(shè)施工注意。密切關(guān)注天氣預(yù)報，防止土料被雨淋濕，并做好防雨措施。下雨時馬上暫停作業(yè)，且對已攤鋪完成的位置迅速碾壓密實(shí)、封面要開展防雨操作，預(yù)防積水；灑水量要依據(jù)填筑面，還有填筑邊坡當(dāng)中的土體含水量的客觀狀況，在灑水后，等待填筑層的表面自由水被土體完全吸收后，才可以進(jìn)行之后的工序，以避免人機(jī)、器械馬上進(jìn)入倉面施工。

5.結(jié)語

經(jīng)過對弱膨脹土水泥改性試驗以及碾壓回填工藝試驗得出水泥摻量為4%時,將改性土料含水率控制在最優(yōu)含水率至超過最優(yōu)含水率2%以內(nèi),以及當(dāng)鋪土厚度達(dá)到25cm、28cm時,1.5t羊角碾碾壓8遍～10遍（強(qiáng)震4遍～6遍）時,成品土料壓實(shí)度保證率最高,可以滿足渠道填筑要求干密度為98%的標(biāo)準(zhǔn)，并為后期施工應(yīng)用選擇合適的施工機(jī)具。所以，通過進(jìn)行弱膨脹土水泥改性試驗，對以后有膨脹土地區(qū)的填筑施工具有重要指導(dǎo)意義。

這一試驗實(shí)現(xiàn)了對弱膨脹土的有效治理，現(xiàn)場施工容易控制、操作簡便，非常適用于渠道回填和倒虹吸施工應(yīng)用，可以連續(xù)大規(guī)模實(shí)施。這一措施的應(yīng)用可以有效解決工程中挖筑平衡問題，降低工程造價，節(jié)約施工成本，加快施工進(jìn)度，同時可變廢為寶、保護(hù)環(huán)境?！?/p>

2022-12-08

王翔宇，男，漢族，河北省水利工程局集團(tuán)有限公司，助理工程師。