水泥改性土參數確定

劉洪森

【摘 要】為保護膨脹土地區引水渠道邊坡的穩定，采用膨脹土摻加適量水泥加水拌和進行改性處理，通過渠道邊坡換填實際應用，分析總結了水泥改性土施工方法的優缺點，并通過實驗區的模擬運行試驗，分析其在膨脹土地區換填的試驗效果。

【關鍵詞】水泥改性土

【Abstract】In order to protect the stability of diversion canal slope in expansive soil area， the expansive soil is mixed with cement and mixed with water to modify. The experimental results of the experiment in the expansive soil area were analyzed.

【Key words】Cement modified soil

引言：膨脹土中含有較多的粘粒及親水性較強的蒙脫石或伊利石等粘土礦物成分，是一種遇水膨脹、強度驟減、失水干縮、堅硬而又常有收縮裂隙的高塑性粘土。膨脹土渠坡易產生溜坍、坍塌、滑坡等嚴重事故，還會產生收縮開裂、膨脹、松散、剝落等病害，對工程建設潛在著嚴重的破壞性。通過在膨脹土中加入水泥，使其改變性質，變成常規土，改變膨脹土這種縮脹性質，是水泥改性土膨脹土換填的主要目的。

1. 水泥改性膨脹土作用機理

消除膨脹土的破壞性是膨脹土施工中的關鍵環節。在膨脹土摻加水泥后，二者發生化學及物理作用，包括離子交換、凝硬反應、碳化作用、膠結作用。改變膨脹土的力學性質，其強度和水穩定性大大提高，膨脹性也得到控制。水泥改性土在換填的膨脹土邊坡中能改良膨脹性、減少與水接觸后劇烈反應，消弱了膨脹土自身因水量變化而產生的縮脹應力。

2. 填筑施工碾壓控制參數

碾壓施工參數如下（表1）：

布置寬度為14m，長度為50m的4%水泥摻量改性土、10%水泥摻量水泥土填筑碾壓試驗場地，在試驗場地按鋪料厚度30cm和35cm布置兩個試驗區，每個試驗區域內再按碾壓遍數、劃分為三個小區域，確定試驗采樣點，試驗布置圖如圖1所示：

3. 試驗材料

水泥改性土試驗材料：進行水泥摻量4%水泥改性土和水泥摻量10%水泥土填筑碾壓試驗的材料。

4. 試驗方案（見圖2）

5. 試驗步驟

5.1 試驗材料與室內實驗。

5.1.1 進行水泥摻量4%水泥改性土和水泥摻量10%水泥土填筑碾壓試驗的材料，均采用十二里河西支排水涵洞2m處開挖料。

5.1.2 在進行填筑或換填之前，我標將先進行碾壓試驗，試驗結果通過審批后，在嚴格執行各項碾壓參數的基礎上，根據施工實際情況不斷分析總結和相應的局部微調優化，以指導后續渠道改性土和建筑物水泥改性土的填筑施工。

（1）在碾壓試驗之前，根據設計圖紙，在監理工程師的見證下，我標于2011年4月27日對十二里河西支排水涵洞2m處的開挖料進行了取樣，隨即進行了土工試驗，經過檢測十二里河西支排水涵洞2m處的開挖料為弱膨脹土，具體的試驗時間和試驗結果見表2所示：

此表試驗數據根據附件自由膨脹率檢測報告（ZYPZL-027）、液塑限聯合測定試驗報告（YSX-003）、改性前的開挖土料的擊實試驗報告（JS-008）而知（原狀土擊實曲線圖見圖3）。

（2）對取樣土樣，實驗室按4%、10%水泥摻量進行了均勻拌制，進行室內配合比試驗和室內EDTA滴定試驗及均勻性檢測，取得了水泥含量標準曲線（見附件EDTA法標準曲線測定報告（EDTA-1），根據取樣料源，對4%水泥摻量水泥改性土、10%水泥摻量水泥土，在室內分別進行水泥改性土擊實試驗，確定了水泥土和水泥改性土的最優含水量及最大干密度等實驗數值，具體的試驗結果見表3：

（3）此表試驗數據根據附件：配合比報告編號GXT-PHB2011-002而知（10%水泥摻量水泥土擊實試驗結果見表4， 4%水泥摻量水泥改性土配合比報告見表5，4%水泥摻量水泥改性土擊實試驗結果見表6）。

（4）此表試驗數據根據附件：配合比報告編號GXT-PHB2011-001而知。

（5）此表試驗數據根據附件：改性后的擊實試驗報告編號JS-009而知（4%水泥摻量水泥改性土擊實擊實曲線圖見圖5）。

（6）對于換填10%水泥摻量的水泥土，在室內進行了無側限抗壓強度試驗，其檢測結果見附件（無側限抗壓強度報告，編號NSBD-WCX-001）。10%水泥土無側限抗壓強度統計表（10%水泥摻量水泥土無側限抗壓強度統計表見表7）：

5.2 碾壓參數組合。

水泥土和改性土填筑碾壓試驗參數組合按表8進行。

碾壓試驗參數初選，初步選擇碾壓初選參數如表9所示：

5.2.1 碾壓機械設備檢驗。

進行水泥土、水泥改性土碾壓試驗，選用的碾壓機械均為SEM8222型凸塊振動平碾，施工中使用2Km/h速度。經現場觀察開啟振動碾進行振動、行走試驗，判斷其工作狀態是正常的。碾壓機械主要的性能指標為（見表10）：

5.2.2 拌合工藝試驗。

（1）在拌合之前，對拌合土料進行了天然含水率的檢測，結合改性土的配合比，現場實驗室下發了改性土配料單，灰土拌合站根據改性土配料單的要求進行了配料。

（2）配料完成后，灰土拌合站（MWB-400I灰土拌合站）隨即進行了改性土的拌制，由ZL50C裝載機上料，拌合機由集料系統、計量傳送系統、拌制系統、水泥罐體四部分組成。集料系統用于盛放土料，配置了4個料斗；在集料斗下部有電子計量系統，通過控制液壓斗門開啟或關閉來確定土料的重量，土料落至皮帶機上后，傳送至拌合機內；在拌合系統運行后，電腦自動控制水泥罐添加水泥至拌合機內，并根據改性土配料單的要求添加水，拌制完成后經皮帶機卸料。為保證土料質量，集料斗上口加工成帶坡度的型式，并在上口設置篩網，每個小網格邊長不宜大于5cm，以過濾掉粒徑不合格的土料。拌合稱量系統按改性土配料單，控制土料、水泥和水的重量，進行充分拌合。

（3）水泥土的拌合工藝試驗流程與上述拌合工藝試驗流程相同。

（4）出料后，在監理工程師的見證下，取樣進行了室內的均勻性檢測、水泥含量檢測，檢測后灰土拌合站的拌合工藝達到了改性土和水泥土拌合工藝及相關控制指標的要求（詳見編號EDTA-2、EDTA-3：EDTA法測水泥含量檢測報告）。

5.2.3 填筑試驗場地平整。

在選定的填筑碾壓試驗場地，采用TY220推土機，配合人工，將填筑基面或接觸面的腐植土、草皮、樹根、廢渣、垃圾等進行清除，基面清理后，對試驗場地進行精平，達到平整度的要求。

5.2.4 填筑試驗場地基底處理。

由于選定的填筑碾壓試驗場地基礎面均為原土地基面，在進行填筑試驗之前，用振動平碾對地基面進行碾壓2遍；碾壓結束后，利用控制點坐標，測放出改性土填筑碾壓試驗場地邊線， 每側均超出試驗場地寬度100cm，并用石灰線和木樁明顯標示。

5.2.5 水泥改性土拌制。

（1）在進行水泥土（水泥改性土）拌合之前，在現場監理工程師的見證下，我標對拌合土料進行了天然含水率的檢測，結合配合比，現場實驗室下發了水泥土（水泥改性土）配料單，灰土拌合站根據配料單的要求進行了配料。

（2）配料完成后，灰土拌合站（MWB-400I灰土拌合站）拌合稱量系統按水泥土（水泥改性土）配料單，控制土料、水泥和水的重量，進行充分拌合，嚴格按照拌合工藝試驗的拌合程序進行拌制。出料后，在監理工程師的見證下，取樣進行均勻性檢測和水泥含量檢測，檢測合格的水泥土（水泥改性土），由20T自卸汽車運送至填筑試驗場地工作面（詳見附件，編號EDTA-2、EDTA-3：EDTA法測水泥含量檢測報告）。

5.2.6 填料運輸、入倉。

碾壓填料，由20T自卸汽車運送至試驗區域，順長方向采取進占法入倉卸料，汽車不得在已壓實土料上行駛，填料含水率必須均勻（最優含水量+2%以內），用ZL50C裝載機進行輔助補料，在邊角處采用人工進行補料，以達到鋪填厚度和較為合理的級配。

5.2.7 填料攤鋪、平整。

（1）采用TY220推土機鋪料，平整，兩側每10m插設一根標桿，上面白油漆標示鋪土厚度，作為推土機攤鋪時的參照，局部人工配合精平。若拌合后水泥改性土含水率偏低的土料進行灑水調整；對含水率超標的進行翻松晾曬。采用五鏵犁對改性土料進行翻松，調整含水量進行晾曬的場地在填筑現場進行。

（2）為保證壓路機壓輪表面能基本均勻接觸填筑面進行碾壓，以達到理想的壓實效果，采用TY220推土機對回填土料進行平整，做到攤鋪面縱向和橫向平順均勻，在填筑邊線外側均增加100cm寬的超鋪余量。同時利用坐標法對場地進行4×4m方格定位測量，測定虛鋪高程厚度，作好鋪料前高程記錄，作為鋪土厚度控制、壓實后高程（厚度）比較的依據。

5.2.8 碾壓方式。

（1）碾壓前由主管技術人員進行檢查，確認分層厚度、平整程度，符合要求后進行碾壓；

（2）碾壓機械，采用凸塊振動碾。

（3）碾壓采用振動碾沿長方向進行碾壓，前進、后退，一個來回按二遍計，壓實順序按先兩側后中間，按照先進行靜壓1遍使填料穩定，再進行弱振碾壓1遍，隨即進行強振的操作程序進行碾壓。

（4）碾壓采用進退錯距法進行條帶式碾壓，相鄰碾壓軌跡及相鄰土料連接處的碾壓搭接寬度為10cm。

（5）振動碾對A、B試驗區填筑料慢一檔強振4遍。用水準儀按檢測點測量壓實后的高程，與其對應點的起始高程比較，記錄壓縮沉降量。用環刀法取樣測定A1、B1條帶干密度，每個條帶的每個檢測區域內檢測5點。

（6）振動碾對A2、B2 、A3、B3試驗區填筑料慢一檔再強振2遍（累計共8遍）。用水準儀按檢測點測量壓實后的高程，與其對應點的起始高程比較，記錄壓縮沉降量。用環刀法取樣測定A2、B2條帶干密度，每個條帶的每個檢測區域內檢測5點。

（7）振動碾對A3、B3試驗區填筑料慢一檔再強振2遍（累計共10遍）。用水準儀按檢測點測量壓實后的高程，與其對應點的起始高程比較，記錄壓縮沉降量。用環刀法取樣測定A3、B3條帶干密度，每個條帶的每個檢測區域內檢測5點。

6. 檢測

6.1 碾壓試驗檢測方法。

水泥改性土的試驗檢測根據《土工試驗規程》（SL237-1999）進行；采用環刀法進行取樣，烘干后檢定土樣的含水率，每一組合取樣5個；碾壓累計遍數達到第六遍后，測定方格點高程并作干密度試驗。碾壓累計遍數達到第八遍后，又測定方格點高程做干密度。碾壓累計遍數達到第十遍后，作最后一次干密度，用水準儀測定最終壓實高程，作好每次測定原始記錄。

6.1.1 碾壓后試驗場地的處理。

由于布置在1#副營地灰土拌合站土料堆放場，為進一步研究改性土的特性，我標將保持改性土碾壓試驗場地一個月，碾壓完成，進行試驗檢測后及時用塑料薄膜對碾壓現場進行覆蓋。

6.1.2 承載力檢測。

根據現有的施工圖紙，左岸排水工程基礎使用水泥摻量為10%的水泥土進行基礎換填， 2011年5月21日，在現場監理工程師的見證下，我標采用輕型的動力觸探對水泥摻量10%的水泥土進行承載力檢測，經檢測，所測各點均符合設計要求，其檢測的結果見附件動力觸探試驗報告：編號NSBD-DLCT-20110521-1。10%的水泥土動力觸探試驗統計表見表11：

6.2 檢測單位。

中國水利水電第七工程局有限公司。

6.3 碾壓質量檢測標準。

根據《土工試驗規程》（SL237-1999）進行動力觸探試驗，碾壓后承載力≥400KPa。

6.4 膨脹性檢測。

根據《土工試驗規程》（SL237-1999）進行自由膨脹率檢測。

6.5 滲透試驗。

根據《土工試驗規程》（SL237-1999）進行滲透試驗。

6.6 填料壓實度檢測。

根據《土工試驗規程》（SL237-1999），用環刀法進行壓實度檢測（10%水泥摻量水泥土碾壓試驗高程測量記錄表見表12，10%水泥摻量水泥土試驗場地高程點布置圖見圖6，4%水泥摻量改性土高程點布置圖見圖7）。

7. 水泥改性土試驗高程測量記錄表

7.2 壓實度檢測成果表（10%水泥摻量水泥土壓實度檢測成果統計表見表14，水泥摻量4%改性土壓實度檢測成果統計表見表15）

7.3 碾壓遍數與沉降量的關系曲線（見圖8，圖9）。

7.4 碾壓遍數與干密度的關系曲線（見圖10，圖11）。

7.5 碾壓遍數與壓實度的關系曲線（見圖12，圖13）。

7.6 填筑碾壓試驗成果分析。

7.6.1 水泥摻量10%水泥土試驗成果分析。

（1）從表14，圖8～圖13可以看出，鋪料厚度相同時，沉降量隨碾壓遍數的增加而增大；碾壓8遍與碾壓10遍的沉降量差值不大，再增加碾壓遍數，沉降不明顯，故再增加碾壓遍數已不經濟。比較如表16：

從表14，圖7～圖12可以看出，平均壓實度隨碾壓遍數的增加而增大，隨鋪土的增加而減小，符合填筑材料的特性。

（2）根據表14中不同碾壓遍數和不同鋪土厚度，得到的平均干密度和壓實度統計如17表所示：

（3）本次水泥摻量10%水泥土碾壓試驗所用土料的含水率在13.78%～16.11%之間，土料最大含水率為16.11%，碾壓過程中土料可塑性好，未出現異常現象。

7.6.2 水泥摻量4%水泥改性土試驗成果分析。

（1）從表15，圖8～圖13可以看出，鋪料厚度相同時，沉降量隨碾壓遍數的增加而增大；碾壓8遍與碾壓10遍的沉降量差值不大，再增加碾壓遍數，沉降不明顯，故再增加碾壓遍數已不經濟。比較如表18：

（2）從表15，圖9、圖11、圖13可以看出，平均壓實度隨碾壓遍數的增加而增大，隨鋪土的增加而減小，符合填筑材料的特性。

（3）根據表15中不同碾壓遍數和不同鋪土厚度，得到的平均干密度和壓實度統計如表19所示：

（4）本次水泥摻量4%水泥改性土碾壓試驗所用土料的含水率在15.82%～16.36%之間，土料最大含水率為16.36%，碾壓過程中土料可塑性好，未出現異常現象。

7.7 填筑碾壓試驗結論。

（1）經過試驗段的施工，使所有的參加人員明確了水泥改性土碾壓的基本流程，達到規定壓實度所需的配套機具、碾壓遍數和人員組織，達到了試驗段的目的。

（2）綜合分析試驗結果，選擇最優施工碾壓參數為（見表20，表21）：

（3）試驗段進行水泥改性土填筑碾壓試驗后，從經濟和其他方面綜合考慮，我部4%水泥摻量水泥改性土、10%水泥摻量水泥土，推薦采用機械松鋪30cm，靜壓弱振各一遍，然后強振6遍的碾壓參數，具體的碾壓參數如下（表22）：

A.施工鋪土厚度：30cm 含水量范圍：最優含水量+2%以內。

B.確定壓實設備類型及機械最佳組合方式：

C.鋪土方式：自卸車到拌和站集料，運至填筑工作面，鋪土找平采用TY220推土機攤平，人工配合，以保證鋪土厚度均勻；含水量偏低的土料進行灑水調整，對含水量超標的進行翻松晾曬；沿軸線或平行軸線進行攤鋪。

D.碾壓遍數： 采用凸塊碾碾壓靜壓一遍、弱振一遍、強振6遍。碾壓速度：2Km/h（見表23）。

8. 結論及建議

（1）水泥改性土現場碾壓最適合的機械是凸塊振動碾，經過在渠道邊坡換填試驗使用壓路機碾壓和凸塊振動碾碾壓后經過機械削坡的對比后發現，換填時壓路機（平碾）碾壓后盡管也對結合層進行了刨毛處理，但結合層仍有分層現象，而凸塊振動碾不明顯。

（2）水泥改性膨脹土換填施工所需要的人工較多（特別是在土料拌制時撒水泥，加水），工藝復雜，對土的含水率要求較高，受天氣影響較大，費用高。

（3）在進行換提施工中不需要每層削坡，水泥改性膨脹土易受外界陽光、大風影響。超填部分可以考慮每填筑3m高時削一次，削坡時留一定保護層，減少水泥土表面與大氣反應而產生風干。

（4）水泥改性膨脹土換填施工后，邊坡如果不加防護，土體易受雨水沖刷失穩而造成變形。

參考文獻

[1] SL237-1999，土工試驗規程[S].

[2] GBJ112-87，膨脹土地區建筑技術規范[S].

[3] 王保田、張福海.膨脹土的改良技術與工程應用.科學出版社.2008.

[4] SL260-98，堤防工程施工規范[S].

[5] 王年香.高液限土路基設計與施工技術[K].北京：中國水利水電出版社.2005.

[6] 《堤防工程施工規范》SL260-98；

[7] 《碾壓式土石壩設計規范》SL274-2001；

[8] 《土工試驗規程》SL/T237-1999.

[9] 《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》JTG E51-2009.