富水山區(qū)水泥改性膨脹土施工關(guān)鍵技術(shù)研究

黃朱盛 許康 龍一平

1.北京市政路橋股份有限公司 工程總承包一部 北京 100067

2.貴州省天柱公路管理段 貴州 黔東南州 556600

膨脹土是一種具有顯著脹縮性的非飽和土，在我國有著廣泛的分布[1]，遍布鄂、川、桂、豫等多個省，導(dǎo)致工程建設(shè)中出現(xiàn)極大的經(jīng)濟(jì)、資源損失，所以，其工程問題一直很受關(guān)注。我國高等級公路建設(shè)及路網(wǎng)連接線等提級改造越來越多，為保證高等級公路道路指標(biāo)，公路路線不得不通過有膨脹土的地區(qū)，富水山區(qū)膨脹土的病害尤其突出，諸如坍肩、沉陷、坍滑、溜塌等。公路工程建設(shè)中，國內(nèi)常用的方法有水泥、摻灰等化學(xué)改性法、土工膜法、換填法、漿砌圬工支擋法等，應(yīng)結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)因地制宜的選用具體方法。其中，化學(xué)改性法因可以就地取材、施工條件的限制較小等優(yōu)點(diǎn)[2]，同時有對水體污染小的特性，廣泛應(yīng)用于公路工程的建設(shè)中。化學(xué)改性法是通過在膨脹土內(nèi)摻入有效的固化劑，使其與膨脹土內(nèi)部顆粒進(jìn)行作用，能降低膨脹土的膨脹性以及膨脹土的吸水性，提高膨脹土的強(qiáng)度，從而達(dá)到施工需要的條件[3]，其中以水泥摻入膨脹土的水泥改性法是改良膨脹土最常用的方法。

本文以地處富水山區(qū)的鄂西北某公路工程的弱膨脹土水泥改性填筑施工為例，對富水山區(qū)的水泥改性施工過程中室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)段、分層填筑施工技術(shù)等關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行研究與總結(jié)。

1 水泥改性膨脹土機(jī)理

當(dāng)水泥摻入到膨脹土中后，會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，改變了膨脹土的原有性質(zhì)[4]，使膨脹土的脹縮性能及水穩(wěn)定性得到改善，從而達(dá)到路基填料的要求。這是因?yàn)殡S著水泥摻入量增加，水化反應(yīng)產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物與土顆粒發(fā)生團(tuán)聚，土顆粒之間逐漸黏聯(lián)形成體積較大的絮狀物或者絮狀體，土顆粒間的孔隙被絮狀物逐漸填充，孔隙體積減小[5]。

2 工程概況

本項(xiàng)目有全挖方段、半挖半填及全填方段，均位于弱膨脹土區(qū)，山體河道常年有水，降雨較多，地下富水，線路依山傍水修建，水泥改性土回填工程量約20萬立方米。因此，富水的特點(diǎn)對富水山區(qū)路基填筑施工質(zhì)量提出了更高的要求。

依據(jù)設(shè)計(jì)要求，改性材料選擇P.O42.5水泥，摻水泥比例參考3%-4%，原土采用弱膨脹土自由膨脹率（40%≤δef＜65%），不可采用中或強(qiáng)膨脹原土，改性后要求的自由膨脹率（δef＜40%）。

本文將通過室內(nèi)試驗(yàn)確定合理的水泥摻入量，通過現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)，優(yōu)化施工壓實(shí)參數(shù)，結(jié)合實(shí)際施工過程，介紹水泥改性膨脹土分層填筑施工等施工關(guān)鍵技術(shù)。

3 水泥改性膨脹土室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

在工地實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)的主要目的是確定相關(guān)技術(shù)參數(shù)，為改性土拌合施工提供合理指導(dǎo)意見。

3.2 試驗(yàn)過程及成果整理

在室內(nèi)，在膨脹土中摻入不同含量的水泥，研究水泥改性膨脹土最大干密度和自由膨脹率的變化與水泥摻入量的關(guān)系。試驗(yàn)土樣采用現(xiàn)場工作面土樣，進(jìn)行了原土樣自由膨脹率試驗(yàn)，得到自由膨脹率為64%，依據(jù)規(guī)范要求屬于弱膨脹土。

水泥采用三峽P.O42.5普通硅酸鹽水泥，本次試驗(yàn)在室內(nèi)測定土樣的天然含水率，其天然含水率為25.8%，本次試驗(yàn)在室內(nèi)采用篩分法對土樣顆粒進(jìn)行分析。

本次試驗(yàn)在室內(nèi)測定土樣的界限含水率，測定結(jié)果分別為：液限55.9，塑限25.9，塑性指數(shù)30。依據(jù)該土樣界限含水率與顆粒分析判定其屬于含礫高液限粘土。

在水泥作為固化劑改性膨脹土?xí)r，水泥的摻入比例應(yīng)控制在4%～10%之間[6]，試驗(yàn)過程中，室內(nèi)對土樣分別摻入0%、3.0%、3.5%、4.0%水泥進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得出技術(shù)指標(biāo)如下表1。

表1 技術(shù)指標(biāo)

在工地試驗(yàn)室配置摻水泥量分別為1%、2%、3%、4%、5%的水泥改性土土樣，采用EDTA滴定法進(jìn)行試驗(yàn)檢測。

在室內(nèi)對土樣按最佳含水率分別摻入3.0%、3.5%、4.0%水泥，用擊實(shí)儀分別制作試樣各3個，脫模后分別裝入塑料袋養(yǎng)護(hù)，在擊實(shí)成型后第7天，分別取每組試樣中的1個試樣，整個放入烘箱烘干后碾碎，再通過過0.5mm篩，然后參照SL237-024-1999中自由膨脹率試驗(yàn)方法操作。在擊實(shí)成型后第28天，分別取每組剩余的2個試樣檢測自由膨脹率。

檢測試樣7天與28天的自由膨脹率，試驗(yàn)結(jié)果如下表2。

表2 7天與28天的自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

在室內(nèi)對土樣按最佳含水率分別摻入3.0%、3.5%、4.0%水泥，制備給定密度的環(huán)刀試樣，做變水頭滲透試驗(yàn)，現(xiàn)經(jīng)過7天試樣均未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

通過上述試驗(yàn)得出結(jié)論：取土場土樣為弱膨脹土，當(dāng)土樣分別摻入3.0%、3.5%、4.0%三峽牌P.O42.5水泥后，其改性后各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，可用于回填碾壓。考慮到富水山區(qū)特殊氣候、經(jīng)濟(jì)合理和節(jié)約成本等，現(xiàn)推薦摻入3.0%的水泥，施工時土體的天然含水率控制在最佳含水率±2%范圍。

4 現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)選定合理壓實(shí)參數(shù)

通過現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)，選定合理施工壓實(shí)參數(shù)：松鋪厚度多少、壓實(shí)方法和壓實(shí)遍數(shù)多少、最佳含水率多少。

現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)施工工藝選擇30㎝、40㎝、50㎝三種不同的松鋪厚度，碾壓時采用進(jìn)退錯距法進(jìn)行施工，如下表3。

表3 松鋪厚度及碾壓遍數(shù)一覽表

根據(jù)碾壓試驗(yàn)成果分析，松鋪厚度40cm時，采用碾壓四或六遍，所檢測的壓實(shí)度均超過96%，壓實(shí)度合格率為100%，達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定值。40cm碾壓四或六遍成果見下表4。

表4 0cm碾壓4、6遍成果表

根據(jù)上述成果分析可知，從天然含水率、施工工期及填筑壓實(shí)度要求方面綜合考慮，推薦選擇以下兩種方案進(jìn)行現(xiàn)場回填施工：

1、松鋪厚度40㎝，先靜壓兩遍，再振動碾壓四遍。

2、松鋪厚度40㎝，先靜壓兩遍，再振動碾壓六遍。

以上兩種施方案均要求將現(xiàn)場含水率控制在20%～23%，推薦現(xiàn)場回填碾壓參數(shù)詳見下表5。

表5 現(xiàn)場回填碾壓參數(shù)表

5 分層填筑施工關(guān)鍵技術(shù)

按設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范要求，對開挖基礎(chǔ)面進(jìn)行大小尺寸、填前高程、平整度以及基底壓實(shí)度等有關(guān)內(nèi)容的檢查，經(jīng)項(xiàng)目自檢合格并通過監(jiān)理單位驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行水泥改性膨脹土的填筑施工，施工中注意事項(xiàng)如下：

5.1 備料

水泥改性膨脹土原土料備料來源于現(xiàn)場開挖運(yùn)至渣場的可利用土，渣場內(nèi)存放有大量滿足填筑強(qiáng)度的土料。同時采取防雨措施遮擋晾曬、粗碎粒徑合格的土料，在摻入水泥攪拌生產(chǎn)且含水率滿足要求的水泥改性碎土堆料倉搭建遮雨棚。

5.2 土料旋耕破碎及晾曬

目前由于富水山區(qū)原料土粒徑較大、水分較多，一般需經(jīng)晾曬、粗碎合格。首先使用裝載機(jī)結(jié)合定制的網(wǎng)篩（間距100mm）將原狀土進(jìn)行篩分，再用推土機(jī)在旋耕場內(nèi)將簡單篩分后的土料進(jìn)行攤鋪（厚度400mm），然后用旋耕耙在攤鋪料上行走，將粒徑較大的土塊破碎至較小土塊，并晾曬。待土料表層稍干后繼續(xù)用旋耕耙旋耕破碎和繼續(xù)晾曬，如此反復(fù)，直至土料的含水率降低到略高于施工控制含水率范圍為止[7]。

5.3 水泥改性土的拌制與檢測

根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)來控制土料、水泥的重量并進(jìn)行充分地?cái)嚢瑁喔男酝涟柚屏蠙z測合格后，直接裝車運(yùn)至現(xiàn)場填筑。摻水泥量平均值不得小于設(shè)計(jì)值（3%），不合格的改性土混合料不得施工。

5.4 運(yùn)輸

施工時，自卸汽車在拌和站出料口裝滿料后覆蓋防塵布，然后運(yùn)輸至填筑部位進(jìn)行施工；水泥改性土檢測合格后的應(yīng)盡快回填，從出料到回填碾壓結(jié)束，時間不宜超過4個小時。

5.5 鋪料

采用“進(jìn)占法”鋪料，以減少機(jī)械對已壓實(shí)基礎(chǔ)面或已填筑面碾壓破壞；水泥改性土的含水率宜控制在最佳含水率的±2%，松鋪厚度為40cm。

5.6 碾壓

本項(xiàng)目采用26t凸塊振動壓路機(jī)壓，先靜壓兩遍，再振動碾壓四至六遍，碾壓采用進(jìn)退錯距法，碾跡重疊0.3～0.5m，碾壓速度控制在2～4km/h范圍內(nèi)，碾壓時，按照“先慢后快，先靜壓、后振動”的操作進(jìn)行。

為保證碾壓機(jī)械的工作面及行走安全、確保邊坡壓實(shí)度，路基每側(cè)需加寬填筑，邊坡部分與主體一并施工和壓實(shí)；需根據(jù)天氣和層面干燥情況對層間進(jìn)行灑水濕潤；用層厚標(biāo)尺來控制鋪料厚度，每一層進(jìn)行高程測量。

6 富水山區(qū)水泥改性膨脹土填筑施工關(guān)鍵技術(shù)

富水山區(qū)地形起伏溝壑縱橫，且水流水系較豐富，降雨較多，干濕交替頻繁，對工期進(jìn)度影響較大，同時嚴(yán)重影響到施工質(zhì)量，因此，必須從設(shè)計(jì)、施工環(huán)節(jié)綜合考慮合理采用具體措施。

施工線路或場址選擇時，宜選擇地形條件比較簡單，且土質(zhì)比較均勻、脹縮性較弱的地段，或宜具有排水通暢或易于進(jìn)行排水處理的地形條件，或宜避開地裂、沖溝發(fā)育和可能發(fā)生淺層滑坡等地段，或宜避開地下溶溝、溶槽發(fā)育、地下水變化劇烈的地段[8]。

應(yīng)完善排水系統(tǒng)，做到坡腳排水通暢，積水及時清排，避免浸泡，坡頂截水溝優(yōu)先施工，按設(shè)計(jì)修整邊坡坡面后，應(yīng)立即做好邊坡坡面防護(hù)施工，防止雨水直接侵蝕坡面，如無法及時施工因在雨前用雨篷布覆蓋坡面。

施工用水應(yīng)加強(qiáng)管理，并防止管線漏水，水池、水溝、化糞池等滲水，水池、水溝等水工構(gòu)筑物應(yīng)符合防漏、防滲要求。

避開雨天施工，來不及回填時應(yīng)覆蓋防水。路側(cè)綠化地帶澆水應(yīng)控制水量。

宜選用非膨脹土或經(jīng)改良的弱膨脹土來作為填筑路肩或至路床的填料，回填壓實(shí)度不少于96%，填筑高度不足1米的填方路堤，必須填筑非膨脹土，并進(jìn)行壓實(shí)。

路塹邊坡不要按設(shè)計(jì)線一次開挖到位，沿坡面宜留一層300～500mm厚土體，待路塹開挖施工完畢后再挖除，并及時封閉防水。

7 結(jié)語

本項(xiàng)目水泥改性技術(shù)的順利實(shí)施，為富水山區(qū)的水泥改性膨脹土填筑施工提供了一定的借鑒，通過以本項(xiàng)目水泥改性弱膨脹土填筑施工為研究對象，對比、分析試驗(yàn)結(jié)果，可得出結(jié)論如下：

1.水泥改性土較素膨脹土的自由膨脹率有明顯降低，自由膨脹率下降最多達(dá)44%。2.加大水泥的摻入量能加強(qiáng)膨脹土的改性效果，但當(dāng)水泥摻量到達(dá)一定程度之后，改性效果不好不再明顯，改性土的性質(zhì)隨著水泥摻量的增大逐漸趨向于穩(wěn)定[9]。本項(xiàng)目弱膨脹土試驗(yàn)最佳水泥摻量為3%。3.為保證水泥改性膨脹土填筑施工質(zhì)量，試驗(yàn)段得出的合理壓實(shí)參數(shù)為：松鋪40cm，先靜壓兩遍，再振動碾壓四至六遍。4.實(shí)踐證明，水泥處理膨脹土作為回填土可以解決膨脹土邊坡的淺層失穩(wěn)問題[10]。