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标题

水泥改性膨胀土渠道施工研究

范文

孙玉齐张宏杜旭斌

摘 ?????要：为了节约填土材料和降低膨胀土对渠道的影响，将弱中膨胀性的膨润土掺加水泥进行改性，采用水泥改性后，膨胀土的膨胀性和无侧限抗压强度得到提高，抗剪强度等指标可以满足施工用土要求。测定了膨胀土的各项试验指标，采用不同水泥掺配比例的方法确定出水泥改性膨胀土的最佳用量，分析改性后膨胀土各项性能指标和施工方法差异。结果表明，利用水泥改性弱中膨胀土的效果显著。施工中不同碎土方法差异性大，水泥应不碎土时加入拌和均匀度更佳，最佳含水率確定和碾压遍数同压实度关系，为弱中膨胀土研究及施工提供参考。

关 ?键 ?词：渠道;膨胀土;水泥改性;碎土方法

中图分类号：TU751+.5 ?TV443 ????文献标识码： A ??????文章编号： 1671-0460（2019）06-1254-04

Abstract： In order to save filling materials and reduce the influence of expansive soil on channels， weak-medium expansive bentonite was mixed with cement for modification. After cement modification， the expansibility and unconfined strength of expansive soil were improved， and the indexes such as shear strength and so on can meet the requirements of construction soil indexes. Various test indexes of expansive soil were measured， and the optimal dosage of cement was determined by using different cement blending ratios， the performance indexes and construction methods of modified expansive soil were analyzed. The results showed that the effect of modifying weak-medium expansive soil with cement was remarkable. Different methods of crushing soil varied greatly during construction. When cement was added before crushing soil， the mixing uniformity was better. The determination of optimum moisture content and the relationship between and the compaction degree and the number of rolling passes can provide some reference for the research and construction of weak-medium expansive soil.

Key words： Channel; Expansive soil; Cement modification; Crushing method

膨胀土在我国中西部地区广泛分布，划分为壤土、粉质壤土、粉质黏土、黏土四个种类[1]。主要矿物组分为蒙脱石、伊利石和高岭石成分的黏土矿物为主，不同含量矿物可以改变膨胀土遇水变形和温度限度变化等特性。失水时，土体发生收缩变形，土体中产生裂隙[2]，多次胀缩导致土体碎裂成小土块，遇水后土体强度急剧下降，失水越多，对土体强度影响越大[3，4]。

膨胀土天然强度较高，但在经过干湿循环后，抗剪强度明显下降，降低幅度与干湿循环中含水量变化大小有关，含水量变化达到15%时，第一次循环抗剪强度降低约60%，循环次数越多，减低幅度越大造成各类工程等遭受破坏，渠道填筑对土用量巨大，换填土和地基加固等措施使工程成本大幅增加[5]，同时还存在延长施工期限等缺点，因此对膨胀土的改性成为研究热门。

在渠道项目施工中，为了降低自由膨胀率和增大饱和抗压强度，向膨胀土内掺入一些无机结合料，使其与膨胀土发生物理化学反应形成新的物质，以改变性质。

目前，在道路上主要应用石灰改性土[6]、石灰和粉煤灰改性土[7]、水泥改性土[8]。水利上在南水中线北调工程渠道上大量应用水泥改性膨润土，水泥改良膨胀土能大幅度地提高膨胀土的稳定性和耐久性，强度和胀缩等特性也发生改变，取得了很好的应用效果[9，10]。

1 ?膨胀土指标分析

所用原材料膨润土来源陕西延安地区，其主要矿物成分以蒙脱石为主，胶结程度差，黏粒含量高，呈硬塑状态，土体多裂隙，剪切裂隙发育，属于典型的沉积型膨胀土[11]。在水中土块快速崩解为小颗粒，粘结强度丧失;干湿循环次数越多，遇水后土体粘结强度丧失越大。

1.1 ?膨胀土含水率与剪应力试验分析

制作对不同含水率膨胀土试件，在200 kN压力下进行直剪试验[12]，得到含水量与剪应力关系如图1所示。从图中可以得出，受软化系数的影响，随着含水量的增加膨胀土抗剪强度呈现下降趋势，下降速率逐渐变小。

1.2 ?所选膨胀土地层结构特征

膨胀土地层结构特征分为三个影响带：大气剧烈影响带，过渡带，非影响带。膨胀土各影响带分布如图2所示。

大气剧烈影响带深度2～3.5 m，胀缩裂隙发育，土体通常被裂隙分割成散粒状，含水量与大气条件关系密切，含水量变化大。土体在非雨季时力学强度较高，下雨时或饱水后力学强度迅速降低。过渡带位于剧烈影响带以下，埋深位于地表以下3～7 m，土体一般情况下饱和度大于90%，土体的含水量年变幅相对较小，静力触探和竖井显示本带为相对软弱层。过渡带不仅发育有大裂隙和长大裂隙，而且还分布上层滞水。非影响带的膨胀土明显体现出其超固结性和微透水性，一般呈非饱和状态，为典型的非饱和土。土体中的大裂隙随深度增加逐步减少，且多呈闭合状，呈光滑镜面，土体渗透性微弱，为不透水层。

2.2 ?膨胀土水泥改性试验

可用于改性的膨胀土属于弱和中膨胀性，高膨胀性改性很难达到指标要求，一般采用换填处理。膨胀土破碎后，土块粒径不大于10 cm，0.5～5 cm粒径含量<50%，5～10 cm颗粒含量<5%。水泥掺量根据膨胀土的膨胀率确定掺配比例（一般弱膨胀土参考掺量3%～5%，中膨胀土掺量6%～8%[4]）。

按不同水泥掺量，利用轻型击实试验确定最佳含水率;根据各组最佳含水率拌和成型试件，测得7 d饱和无侧限抗压强度和不同龄期自由膨胀率试验结果见表2。

由表2数据分析，利用轻型击实试验确定最佳含水率，含水率在23%～26%之间，随水泥的掺加量增加最佳含水率降低。在掺入水泥改性后，弱膨胀土和中膨胀土7 d饱和无侧限抗压强度值都有很大提高。弱膨胀土水泥掺量自3%提高到4%，抗压强度值增加52.9 kPa;自4%提高到5%，抗压强度值增加5.6 kPa。可知，弱膨胀土水泥改性掺量大于4%后对强度影响较小，再增加水泥掺加量经济效益较差，选择4%掺量效果较好。中膨胀土水泥摻量自6%提高到7%，抗压强度值增加6.4 kPa;自7%提高到8%，抗压强度值增加1.3 kPa，对强度影响都不高。可知，中膨胀土水泥改性掺量大于6%后对强度影响变弱，再增加水泥掺加量获得强度已经效果较差，就强度而言选择6%掺量效果较好。

中膨胀土弱膨胀土和中膨胀土不同龄期自由膨胀率整体趋势是随水泥掺加量增加而降低。龄期由0 d到7 d过程中，水泥改性对膨润土自由膨胀率影响大，降低膨胀率都在20%以上。龄期由7 d到28 d过程中，水泥改性对膨润土自由膨胀率影响减弱，降低膨胀率在6%上下。水泥掺量自4%提高到5%时，弱膨胀土的28 d自由膨胀率减小很少，掺加4%水泥综合性能较好。水泥掺量自6%提高到7%时，中膨胀土的28 d自由膨胀率减小也很少，但是二者在弱膨胀土自由膨胀率下限40%两侧，应根据要求合理选择水泥用量为6%或7%。

3 ?施工工艺

3.1 ?水泥土拌和

路拌法具有施工方便，不需要多次装卸运输，节约工期的特点，在环境允许情况下有很好的经济价值。弱膨胀土和中膨胀土水泥改性施工关键主要集中在碎土，最佳含水率控制和碾压过程。各种碎土方法差异较大，应根据具体情况合理选择，碎土方法差异见表3。施工条件满足条件下，根据工程量大小选择适应的碎土方法，有利于提高效率，保证施工质量。

拌和水泥方式采用先碎土两边再添加水泥拌和同不碎土直接拌和对比，两种拌和方法水泥含量均匀度与拌和遍数的关系如图3所示。由图分析，不碎土直接拌和水泥表现出更易于拌和的特性，当拌和次数达到4次及以上时，两种方法水泥含量均匀度已非常接近。这说明采用直接拌和优于碎土后的拌和方式，并且减少了单独碎土过程，使施工更经济快速。

3.2 ?含水率确定

根据实验室确定最佳含水率指导实际施工，应考虑施工中拌和、运输、摊铺等施工过程水分蒸发量，适当提高含水率，以保证压实度。一般厂拌法含水率在最佳含水率基础上增加2%～3%，路拌法应考虑天气情况和拌和机械，一般应该在最佳含水率基础上增加3%～6%。抽样检测含水率和水泥含量，弱膨胀水泥改性土水泥含量标准差小于0.7;初期拌和场面积小于600 m2水泥改性土抽检大于6个样，中后期检测频次可适当减少。

3.3 ?碾压遍数确定

弱膨胀土水泥改性碾压遍数与压实度关系如图4所示。中膨胀土水泥改性碾压遍数与压实度关系如图5所示。

由图4可以看出，在碾压6～14遍时，弱膨胀土水泥改性碾压遍数与压实度呈线性关系，随碾压遍数增加压实度增大，应根据需要达到的压实度选择合理的碾压遍数。由图5可以看出中膨胀土水泥改性碾压遍数与压实度呈抛物线关系，在碾压6～7遍时具有较好的压实度。

4 ?结论

（1）膨胀土进行直剪试验，受软化系数的影响，随着含水量的增加膨胀土抗剪强度在下降。含水量大于20%时对强度影响变小，小于20%时对强度影响较大。利用轻型击实试验确定最佳含水率，含水率在23%～26%之间，随水泥的掺加量增加而降低。

（2）弱膨胀土水泥改性掺量选择4%时，无侧限抗压强度同5%水泥掺量差异不大，28 d自由膨胀率也很小。中膨胀土水泥掺量自6%提高到7%，无侧限抗压强度增加量同7%提高到8%相差不多，但是28 d自由膨胀率在弱膨胀土自由膨胀率下限40%两侧，应根据要求合理选择水泥掺量为6%或7%。

（3）在施工中采用不碎土方式拌和水泥土效果佳，动态控制最佳含水率，根据碾压关系确定碾压遍数。

参考文献：

[1]阳云华.南阳盆地弱"中"强膨胀土特征对比分析[J].人民长江，2014，45（6）：60-62.

[2]赵峰，刘百兴，彭静，等.南水北调中线膨胀土地区渠道施工关键技术[J].人民长江，2014，45（21）：7-9.

[3]黄定强，董忠萍，涂运中.引江济汉工程膨胀土处理研究与实践[J].水利水电技术，2016，47（7）：23-26+31.

[4]张天祥.浅析南水北调工程渠道膨胀土划分原则及处理要点[J].甘肃水利水电技术，2015，51（11）：48-52.

[5]陆定杰，陈善雄，罗红明，等.南阳膨胀土渠道滑坡破坏特征与演化机制研究[J].岩土力学，2014，35（1）：189-196.

[6]庄心善，彭伟珂，吴镜泊.石灰改良膨胀土强度试验研究[J].科学技术与工程，2017，42（5）：1-5.

[7]隋淑梅，海龙，曾瑞萍.粉煤灰的路用土工性质试验分析[J].科学技术与工程，2017，35（2）：278-283.

[8]刘熙媛，赵玮，马占海，等.水泥改良黄土在冻融循环作用下的渗透性能[J].科学技术与工程，2018，18（34）：221-225.

[9]陈世刚，牟伟，刘军.南水北调中线工程膨胀土渠段改性土施工中存在的困难及对策研究[J].长江科学院院报，2013，30（9）：85-88.

[10]黄定强，董忠萍，曾斌，等.引江济汉工程混合膨胀土水泥改性试验研究[J].资源环境与工程，2016，30（3）：425-428.

[11]李灿，周海清，赵尚毅，等.低掺量水泥土早期强度特性试验研究[J].当代化工，2019，48（1）：13-16.

[12]中华人民共和国交通部. JTG E40-2007公路土工试验规程[S]. 北京：人民交通出版社，2007.

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