水泥土墻在水土保持工程中的應用研究

胡愛國，邱洪志，董建輝

?

水泥土墻在水土保持工程中的應用研究

胡愛國1，邱洪志2，董建輝2

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

水泥土是一種經濟適用的建筑材料，它常被用于大壩防滲與加固、樁基、基坑支護、土基、面墊層等工程中。本文根據水泥土的力學特性，探討了水泥土墻在水土保持工程中的應用；通過一個工程實例，重點分析了水泥土擋土墻和漿砌石擋土墻建設成本的差異，驗證了水泥土材料用于水土保持工程的可行性。實例分析表明，相同體積的水泥土墻和漿砌石擋土墻相比，水泥土墻的造價不到漿砌石擋墻的一半，并且材料運輸距離越遠水泥土墻造價越低。

水泥土墻；水土保持；力學特性；應用

1967年瑞典人首先提出了石灰樁法；1970年日本開發了采用水泥、石灰和粉煤灰的DJM法。自1977年起，深層攪拌樁法被引入我國，由于粉噴技術在各個領域的土體加固中顯示出造價低，效果好，安全可靠等優點，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用，在基坑工程上的應用，基坑深度較淺時，可以采用水泥土樁作為基坑支護結構；對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用，工程建設中往往會遇到地基承載力不足的情況，特別是淤泥質土的地區，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]。

我國從20世紀70年代初開始對水泥土進行試驗、應用和推廣，其中有在石料奇缺的長江荊江大堤上的水泥土護坡試驗，在塞外嚴寒地區的紅領巾水庫灌區用水泥土做的渠道防滲試驗，在深圳寶安德松白公路一級公路和新城大道的路面結構中均采用了水泥土復合地基，上海靜安寺下沉廣場圍護工程和輕軌寶興路站承臺圍護工程中應用了型鋼水泥土復合樁等。70年代后期，山東、天津、北京、上海等省市水利科研、設計單位相繼開展了水泥土的應用研究工作，比較深入地研究了該材料的基本物理力學性能。80年代，水利部門對水泥土的研究使用更為普遍。建設部門也是在該時期采用深層攪拌技術將地基軟土和水泥漿強制拌和來加固地基，得到了具有整體性、水穩性和足夠強度的地基土[2]。

水土保持工程經常采用的工程措施為漿砌塊石和毛石混泥土，無論是哪種結構措施，所用的主要工程材料為塊石。我過山區占地面積很大，占全國土地面積的70%。山區地理環境復雜，很多水土保持工程建設自身又存在特殊性，如水保工程點分散，單個點水土保持工程量??；當地主要工程材料缺乏等[3,4]。受地形條件限制，交通不便利，為材料的二次運輸帶來很大的不便，由于二次運輸帶來的成本，也直接增加了工程建設總成本。

近年來我國工程技術人員對水泥土的研究表明，水泥土是一種經濟適用的建筑材料，它不僅被用于大壩防滲與加固、樁基、基坑支護、土基、面墊層等工程中，也可用于水土保持工程中，在我國的工程建設中發揮著越來越大的作用。目前，有關水泥土的工程應用研究尚有不足，需要進一步研究，以便其充分發揮作用。本文根據水泥土的力學特性，探討了水泥土墻在水土保持工程中應用的可能性，通過一個工程實例，重點分析了水泥土擋土墻和漿砌石擋土墻建設成本的差異，驗證了水泥土材料用于水土保持工程的可行性。對水泥土的工程應用作進一步的研究和探索，使其在我國得到更為廣泛的利用，從而為社會主義現代化建設發揮巨大作用。

1 水泥土力學特性

1.1 抗拉強度

水泥土的抗拉強度一般很低，為無側限抗壓強度的15%左右。當無側限抗壓強度u<1.5MPa時，抗拉強度t約等于0.2MPa。在設計中一般不考慮水泥土的抗拉強度。

1.2 抗剪強度

文獻[5]指出，一般水泥土的內摩擦角約在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，而內摩擦角變化不大。林瓊等[6]認為：抗剪強度隨著固結壓力σ3的增大而略有提高；由于固結壓力σ3的作用，試樣的破壞特征有所變化，由原來無側限條件下的脆性破壞變為塑性破壞。σ3越大，這種趨勢越明顯。

1.3 抗壓強度

無側限抗壓強度是水泥土最基本最重要的力學指標。由于無側限抗壓強度試驗簡單易行，且試驗結果比較可靠，目前，工程界均以無側限抗壓強度作為檢驗水泥土強度的主要依據。水泥土的無側限抗壓強度大約比天然土強度提高數十倍到數百倍，受很多因素的影響。

1.4 變形模量

式中，Pu為水泥土無側限抗壓強度，ε0.5為應力等于0.5Pu時對應的應變值。

2 水泥土力學特性影響因素

水泥土是按一定的水灰比形成漿液與土體均勻攪拌，使水泥與土發生物理、化學作用，生成整體的、堅硬的、水穩定性的生成物。

圖2 水泥土加固后的無側限抗壓強度

2.1 不同土質

2.2 水泥摻入比

文獻[9]指出，對于不同的水泥摻入比，漿噴水泥土強度隨齡期的增值率變化不大；而對于粉噴水泥土，水泥摻入比對水泥土強度的影響較大；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度的關系

圖4 土體含水量與強度的關系

李健等[10]通過試驗研究了不同水泥摻入比對水泥土抗壓強度的影響，結果表明：隨著水泥摻入比的增加，水泥土的抗壓強度呈增長趨勢；水泥摻入比對水泥土早期強度的影響小于對后期的影響。

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

2.3 天然土含水量

在同一水泥摻入比情況下，水泥土的無側限抗壓強度并不遵循含水量越高，水泥土強度越低的規律，水泥漿和軟土的固化反應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的配合比關系[12]。土體含水量較高時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，加固土強度越低；含水量從30%增長到50%，同一摻入比下，強度降低約30%。因此，應當根據荷載要求和實際軟土含水量調整設計，對不同地段、不同土質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，地基含水量將發生改變。在干攪、 養護條件下，隨著水泥摻入比的增大，經過處理后的加固土實測含水量與原地土含水量之比隨之減小[13]。

2.4 其它

已有文獻研究表明，影響水泥土力學特性的主要因素包括土質、摻入水泥量、含水量，除此之外，還有其它一些影響因素，諸如：水泥品種與標號、外摻劑、養護條件及施工工藝等。

3 水泥土墻在水土保持中的應用

3.1 實例概況

以中國石油化工集團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，地形條件較為復雜；云廣（廣西）地區降雨量相對較為豐富，為保證該成品油管道安全正常運營，管道沿線進行了水土保持工程。

管線經過的6個縣鎮中，選取6個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行防治。擋土墻所采用的原材料主要包括：塊石、水泥、細沙和粗砂，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地之間的距離約為3～35km，其中二次運輸距離0.1～2.2km。由于工程建設場地多是在山上，沒有道路，所有工程所需材料都是通過人工或馬隊搬運，因此，材料運輸成本很高。

表1 單位體積塊石的成本

3.2 實例分析

表1列出了6個典型段不同地方，將1m3塊石運輸到施工場地的所有費用。1m3塊石砌筑成1m3的擋土墻，根據砌筑工人的技術水平、塊石形狀和塊徑的不同，塊石換算成擋土墻，需要乘以一個折減系數。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，根據工程經驗取值范圍為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得到。表1中給出的是線路不同標段典型段塊石成本費用情況，不同地區塊石價格會有差別。

3.3 對比分析

在選取的標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設備。

表2 單位體積擋土墻成本對比

根據表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，保護管道正常運營。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的。試驗表明，漿砌石擋土墻的抗拉強度不及水泥土墻的抗拉強度，因此，水泥土墻承受荷載的能力是優于漿砌石擋墻的。另外，由于風化作用，水泥土墻表面的水泥土會慢慢風化形成土，并在短時間內長出植被；漿砌石擋墻則很難風化，很長一段時期內，管道經過的地方因采取的水保措施，而留下“疤痕”。

4 結論

本文以水泥土為研究對象，分析了水泥土的力學特性及其影響因素，并結合工程實例，研究了水泥土墻在成品油管道沿線水土保持工程中的應用，得到以下結論。

1）水泥土的抗剪強度和抗拉強度相比抗壓強度要小的多，為無側限抗壓強度的15%左右，在水泥土攪拌設計中，一般不考慮水泥土的抗拉強度；在水土保持工程中，水泥土的抗拉強度可以發揮作用。

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

3）實例分析表明，相同體積的水泥土墻和漿砌石擋土墻相比，水泥土墻的造價不到漿砌石擋墻的一半，并且材料運輸距離越遠水泥土墻造價越低。

[1] 艾志偉，鄧通發. 水泥土強度的影響因素研究進展[J].公路，2014,(1):195-199.

[2] 甘肅省水利科學研究院.水泥土灰土作為過水土壩坡面材料試驗研究報告集[R].甘肅省水利科學研究所，1990,1-16.

[3] 倪振強.輸油氣管道建設中的水土保持研究[J].長江科學院院報，2016,33(1):20-23.

[4] 李影，李國義，馬文鑫. 我國油氣管道建設現狀及發展趨勢[J].中國西部科技，2009,8(14)：6-8.

[5] 張家柱，程釗，余金煌.水泥土性能的試驗研究[J].巖土工程技術，1999,(3):38-40.

[6] 林瓊，等.水泥攪拌樁在深基坑支護結構中的應用研究[C].福建省建筑科學研究院，1994.

[7] 周麗萍，申向東.水泥土力學性能的試驗研究[J].硅酸鹽通報，2009,28(2):359-365.

[8] 劉建航，等.基坑工程手冊[M].北京，建筑工業出版社，1997

[9] 涂帆，常方強.水泥土無側限抗壓強度影響因素的室內試驗研究[J].工程勘察，2005,(3):8-10.

[10] 李健，張松洪，劉寶舉.水泥土力學性能試驗研究[J].鐵道建筑，2001,(8):31-33.

[11] 梁仁旺，張明，白曉紅.水泥土的力學性能試驗研究[J].巖土力學，2001,22(2):211-213.

[12] 林鵬，許淑賢，許鎮鴻.軟土地基水泥土的室內強度試驗分析[J].西部探礦工程，2002,(4):6-7.

[13] 宮必寧，李松泉.軟土地基水泥深層攪拌加固土物理力學特性研究[J].河海大學學報，2000,28(2):101-105.

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（1974-），男，四川蓬安縣人，碩士，高級工程師，從事工程地質與水文地質相關工作。

P642.3

A

1006-0995（2018）02-0321-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.02.030