華陽河蓄滯洪區(qū)工程弱膨脹土改性筑堤利用研究

引用格式：.華陽河蓄滯洪區(qū)工程弱膨脹土改性筑堤利用研究[J].水利水電快報，2025，46（7）：62－-66.

0 引言

膨脹土主要由親水性黏土礦物組成，有超固結(jié)性、遇水膨脹、失水收縮干裂且反復(fù)變形等特性，根據(jù)其自由膨脹率的大小，可分為強膨脹土、中膨脹土和弱膨脹土。膨脹土作為華陽河蓄滯洪區(qū)建設(shè)工程料場中一種較為典型的特殊填料，在吸濕或干燥條件下體積會發(fā)生變化，具有高度的不穩(wěn)定性。在基礎(chǔ)工程中使用膨脹土作為填料，容易出現(xiàn)無法達(dá)到填筑要求的情況，導(dǎo)致工程難度增加、工期延誤、費用增多等。

安徽省境內(nèi)膨脹土的平面分布相對集中，主要分布于淮北平原地區(qū)和舒城縣城-巢湖市區(qū)-和縣縣城以北的江淮波狀平原地區(qū)，在此以南地區(qū)則零星分布于丘陵平原上的階地及山前斜地上，分布情況詳見表1，該工程料場區(qū)為膨脹土零星分布的沿江丘陵平原區(qū)，料源區(qū)膨脹土現(xiàn)狀如圖1所示。

根據(jù)表1可知，華陽河蓄滯洪區(qū)建設(shè)工程所在的安慶市以弱膨脹土為主，其自由膨脹率為 40% ＼～60% ，具有明顯的吸水膨脹和失水收縮性能，按照GB50286-2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，水穩(wěn)定性差的膨脹性土不宜作為堤身填筑土料，當(dāng)需要填筑時，應(yīng)采取必要的改性處理措施，降低其自由膨脹率，提高其水穩(wěn)定性。

膨脹土遇水膨脹、失水收縮的特性會對堤防和建筑造成嚴(yán)重的危害。目前，膨脹土改良主要措施有無機摻灰、纖維加筋、植物種植、化學(xué)制劑投放等[1-2]，其中采用石灰改良膨脹土的應(yīng)用最為廣泛[3-7]。Mohan-ty等[2]研究了膨脹土在摻人不同含量的石灰后，液塑限、塑性指數(shù)、膨脹率等因素的變化，結(jié)果表明，最大干密度隨著石灰的增加而減小，膨脹土的膨脹力隨液限、黏粒含量、塑性等特性指數(shù)的增加而增加。Bhuv-aneshwari等通過摻人石灰的方法，在養(yǎng)護(hù)不同時間段條件下研究探討了微觀變化和膨脹土基本特性以及剪切強度等之間的聯(lián)系。占世斌等對淮河臨淮崗工程壩體弱膨脹土進(jìn)行了不同石灰摻量下的改性土試驗，并推薦 6% 石灰摻和膨脹土的改性方案。除石灰外，摻水泥也是較為常用的改良措施。長江科學(xué)院在南水北調(diào)中線南陽膨脹土試驗段開展了膨脹土摻水泥的試驗[8]，系列成果顯示摻水泥后膨脹土的自由膨脹率可以降低至 40% 以下，并顯著提高了膨脹土的抗剪強度。黃啟友采用蒙－華鐵路三荊段的膨脹土樣品，研究了石灰和水泥改性兩種方法加固膨脹土的效果，結(jié)果表明，兩種方法均能顯著提升膨脹土的強度，且水泥改性效果更佳。國內(nèi)外眾多學(xué)者已開發(fā)出各類措施對不良填料進(jìn)行處理并加以利用，如微生物技術(shù)[1]等，但由于膨脹土的物理力學(xué)性能不完全相同，因此處理措施及摻合料的用法用量均不相同。

本文利用水泥對弱膨脹土進(jìn)行改性，使其自由膨脹率、塑性指數(shù)、滲透系數(shù)等達(dá)到設(shè)計要求，利用改性的弱膨脹土作為“金包銀”的外層包裹體，隔絕內(nèi)部弱膨脹土填料與大氣環(huán)境的水氣交換，增強了堤防整體穩(wěn)定性，實現(xiàn)弱膨脹土的就地取材筑堤利用。針對弱膨脹土改性后的參數(shù)指標(biāo)以及改性土的碾壓性能，開展了室內(nèi)試驗以及現(xiàn)場碾壓試驗，得到了弱膨脹土改性后的物理特性指標(biāo)以及鋪土厚度、碾壓遍數(shù)、摻水泥灰比例等關(guān)鍵參數(shù)對壓實度、含水率和沉降量的影響規(guī)律，提出了實現(xiàn)“金包銀”形式堤防斷面的碾壓施工參數(shù)，為工程大規(guī)模應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 膨脹土改性措施

華陽河蓄滯洪區(qū)建設(shè)工程勘察結(jié)果表明，華陽河阮家涼亭土料場的土料自由膨脹率為 46%～69% ，天然含水率為 22.0%～25.5% ，具有弱膨脹性，原土料塑性指數(shù)為 12.2～26.1 ，壓實度為0.94時最大干密度為 1.64～1.74g/cm³ ，滲透系數(shù)為 6.12×10^-6 25.45×10^-6cm/s 。按照S L251-2015 《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》一般土填筑料質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)評價，該土料除塑性指數(shù)、天然含水率偏高外，質(zhì)量基本滿足規(guī)范要求。但由于其水穩(wěn)定性較差，如不通過技術(shù)處理而直接進(jìn)行填筑，在堤防建成后會對堤防安全運行造成影響，故在堤防填筑前需對填筑材料進(jìn)行改性處理。

設(shè)計要求改性土土料采用弱膨脹土，土塊粒徑不大于 10cm ，其中 5～10cm 粒徑含量不大于 5% ，0.5～5.0cm 粒徑含量不大于 50% 。采用強度等級為42.5級的普通硅酸鹽水泥對弱膨脹土進(jìn)行改性，其中水泥摻入量與干土重量比為 4% ，然后將弱膨脹土、水泥和水進(jìn)行拌和。土料拌和前，抽取有代表性的土料檢測含水率，計算水泥用量，同時按照略高于土料最優(yōu)含水率（土料最優(yōu)含水率 +2% ）的含水量來計算拌和加水量。拌和時通過操作平臺控制變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，從而控制拌和加水量。

設(shè)計要求采用水泥改性后，改性土的自由膨脹率不得大于 40% ，塑性指數(shù)為7～20，壓實度為0.94時滲透系數(shù)不大于 1×10^-6cm/s 。

經(jīng)試驗測得，摻灰比為 4% 的改性膨脹土自由膨脹率為 30% ，最大干密度、最優(yōu)含水率分別為1.72g/cm³ 18.9% ，塑性指數(shù)為14.2，滲透系數(shù)為 7.41× 10^-7cm/s ，滿足改性土的設(shè)計要求。

2膨脹土筑堤設(shè)計方案

華陽河蓄滯洪區(qū)建設(shè)工程V標(biāo)段新建堤防級別為2級，長度 4.927km ，設(shè)計堤頂高程 19.35m （含防浪墻高度），堤頂寬度 6.00m ，內(nèi)外邊坡均為1：3，堤身采用“金包銀”（圖2）的處理方式：堤防斷面表層 1.5m 厚度范圍采用 4% 水泥改性土，內(nèi)部填筑弱膨脹黏土料。填筑質(zhì)量要求壓實度不小于 93% 、施工控制含水率為最優(yōu)含水率 ±2% ，土方填筑工程量為32.1萬m³ ，水泥改性土填筑工程量為17.2萬 m³ 。

3 碾壓試驗研究

3.1 試驗?zāi)康?/p>

① 選擇壓實機具及壓實參數(shù)，包括鋪土厚度、適宜的含水量、壓實方法和壓實遍數(shù)等； ② 確定水泥土從加水拌和至碾壓完成全過程施工效率； ③ 研究和完善水泥土換填施工工藝； ④ 確定有關(guān)質(zhì)量控制的要求和方法，為現(xiàn)場施工提供標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。

3.2 試驗方案

料源采用阮家涼亭料場弱膨脹性土，水泥采用P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，摻灰比為 4% ，同時選用摻灰比為 8% 的改性膨脹土作為對照組。其中，摻灰比為 4% 的改性膨脹土最大干密度、最優(yōu)含水率分別為 1.72g/cm³ ， 18.9% ;摻灰比為 8% 的改性膨脹土最大干密度、最優(yōu)含水率分別為 1. 76g/cm³ ，19.7% 。土料碾壓試驗場地布置在堤防工程 QX4+ 700～QX4+800 段，采用推土機進(jìn)行清理、整平，振動碾壓實，然后用白石灰標(biāo)出場地邊線，測量場地高程，并設(shè)置測量高程控制點。試驗場地 60m×20m （長 × 寬），劃分為8個 15m×10m （長 × 寬）試驗區(qū)塊進(jìn)行碾壓試驗，即A1，A2，B1，B2，C1，C2，D1，D2，如圖3所示，其中 A1～D1 區(qū)域摻灰比為 4% ， A2～ D2區(qū)域摻灰比為 8% 。高程測點在試驗區(qū)內(nèi)按照2m×2Ωm （長 × 寬）的網(wǎng)格布設(shè)。

試驗段A1和A2區(qū)作為對照組，為原地基碾壓試驗。B1，B2，C1，C2，D1，D2試驗區(qū)進(jìn)行填料填筑碾壓試驗，6個試驗單元內(nèi)鋪設(shè)土質(zhì)相同的黏土料。根據(jù)SL260-2014《堤防工程施工規(guī)范》，B1與B2，C1與C2，D1與D2試驗區(qū)松鋪厚度分別為 ^{25，30，35cm} 。填筑土料粒徑應(yīng)不大于 10cm ，土料含水率應(yīng)在最優(yōu)含水率 ±2% 范圍內(nèi)。各試驗區(qū)域試驗參數(shù)見表2。

壓實試驗配置機械設(shè)備主要有 23t 振動平碾、挖掘機和推土機各1臺，自卸汽車2臺。 23t 振動平碾的主要參數(shù)如下：振動方式為單鋼輪，工作質(zhì)量為23t ，靜線荷載為 602N/cm ，功率為 136kW ，碾輪寬2105mm ，振幅為 1.1～2.1mm ，振頻為 28～32Hz ，激振力為 280～405kN 。

3.3 試驗過程

碾壓試驗過程：土料開采 $$ 翻曬 $$ 碎土 $$ 水泥土拌和 $$ 攤鋪 測量 $$ 碾壓 $$ 取樣檢測。其中，工藝試驗土料采用阮家涼亭取土場開挖出的粉質(zhì)黏土，在人工配合機械進(jìn)行翻曬后，采用人工配合碎土機械碎土，直至土料粒徑符合要求。

在土料拌和前，抽取有代表性的土料檢測含水率，計算水泥用量和拌和加水量。土料拌制完成后運輸至碾壓試驗場地。土料運輸與裝料和倉面卸料、鋪料等工序持續(xù)和連貫進(jìn)行，以免周轉(zhuǎn)過多而導(dǎo)致含水量變化過大。碾壓前先對土料的天然含水量進(jìn)行檢測，將土料的含水率調(diào)整至接近最優(yōu)含水率，即控制在最優(yōu)含水率 ±2% 范圍內(nèi)。

采用“算方上料、鋪平把關(guān)、插桿檢查”的方法，以保證鋪土厚度均勻。在填筑范圍外打樁，標(biāo)示高程，拉線控制層厚，土料攤鋪超出試驗邊線 30cm 。在試驗單元區(qū)布置 2m×2m 的網(wǎng)格，并在填筑區(qū)外設(shè)置控制基樁。在各單元的網(wǎng)格測點上以顏色標(biāo)記，安放水準(zhǔn)尺墊，用水準(zhǔn)儀測量并記錄其初始厚度與相對高程。

碾壓過程中，每一塊均按預(yù)定計劃、規(guī)范操作進(jìn)行，振動平碾一個來回為2遍，分別碾壓4，6，8遍，詳細(xì)記錄下檢驗數(shù)據(jù)。振動平碾行走速度 2.0km/h ，碾壓時采用進(jìn)退錯距法，由一側(cè)向另一側(cè)順次碾壓，碾跡搭壓寬度大于 10cm ，并保證整個試驗塊范圍均碾壓無漏壓、無死角，確保碾壓均勻到位。

填筑施工過程中碾壓機械行走方向平行于堤軸線，分段、分片碾壓時相鄰作業(yè)面的碾壓搭接寬度：平行于堤軸線方向的寬度不小于 0.5m ，垂直堤軸線方向的寬度不小于 3m ，分段填筑的各段設(shè)立標(biāo)志，以防漏壓、欠壓和過壓。上下層的分段接縫位置錯開。

3.4 檢測指標(biāo)及方法

振動平碾碾壓4，6，8遍后進(jìn)行沉降觀測并檢測壓實度。現(xiàn)場壓實度檢測采用環(huán)刀法，土料含水率檢測采用烘干法，分別測量各網(wǎng)格測點在碾壓前后的相對高程變化，從而計算出每一次試驗的平均壓縮量。

環(huán)刀法檢測壓實度方法為：振動碾碾壓4遍后開始取樣做壓實度試驗，取樣部位選在有代表性位置，且位置在平面上均勻分布，不能隨意挑選，特殊情況下取樣須注明。每一碾壓層的取樣位置為壓實層厚的下部1/3處，若下部1/3的厚度不足環(huán)刀高度時，以環(huán)刀底面達(dá)下層頂面時環(huán)刀取滿土樣為準(zhǔn)，每塊試驗區(qū)域取3組試樣，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

3.5 試驗結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計要求，華陽河蓄滯洪區(qū)建設(shè)工程V標(biāo)段堤防工程水泥改性土填筑施工控制壓實度不得低于93% 、含水率為最優(yōu)含水率 ±2% 。本次試驗所用改性土料碾壓后含水率為 18.3%～20.3% ，改性膨脹土最優(yōu)含水率分別為 18.9% 和 19.7% ，碾壓過程中土料可塑性較好，未出現(xiàn)彈簧土。由表3可知：

（1）在同一鋪料厚度、同一摻灰比時，沉降量隨碾壓遍數(shù)的增加而增大。

（2）在不同鋪料厚度、同一摻灰比時，平均壓實度隨碾壓遍數(shù)增加而增加。

（3）在同一鋪料厚度、不同摻灰比時，沉降量隨著摻灰比的增加而減小，但平均壓實度提高不明顯。

（4）摻灰比為 4% 條件下，鋪料厚度 25cm 時，碾壓4遍即可滿足設(shè)計要求；松鋪 30cm 時，碾壓6遍即可滿足設(shè)計要求；松鋪 35cm 時，需要碾壓8遍滿足設(shè)計要求。摻灰比為 8% 條件下，鋪料厚度 25cm 時，碾壓6遍即可滿足設(shè)計要求；松鋪 30cm 時，碾壓6遍即可滿足設(shè)計要求；松鋪 35cm 時，需要碾壓8遍滿足設(shè)計要求。

4結(jié)論

針對華陽河蓄滯洪區(qū)建設(shè)工程新建堤防的料源具有弱膨脹性的問題，采用摻水泥對膨脹土進(jìn)行改性，分析了改性土的土體特性指標(biāo)，同時開展碾壓試驗獲取填筑參數(shù)，得到以下結(jié)論。

（1）阮家涼亭取土場的弱膨脹土經(jīng)過水泥摻灰改性后，自由膨脹率顯著降低，塑性指數(shù)、滲透系數(shù)等均滿足設(shè)計提出的“金包銀”形式堤防斷面的土體特性要求。

（2）改性弱膨脹土的碾壓性能可滿足設(shè)計和規(guī)范要求，但摻灰比達(dá)到一定數(shù)值后，提高摻灰比對碾壓性能的提高不明顯。

（3）改性膨脹土碾壓參數(shù)建議：摻灰比 4% ，松鋪厚度 30cm ，振動碾壓6遍，施工含水率控制在最優(yōu)含水率 ±2% 。

（4）華陽河蓄滯洪區(qū)建設(shè)工程其他料場存在的弱膨脹土可參照此工程經(jīng)驗應(yīng)用。

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（編輯：江，舒忠磊）

Utilization study on weak expansive soil in embankment construction of Huayang River Flood Storage and Detention Area

WANG Chenhong1，PAN Jiacheng2，GUO Pengjie2，CHEN Hang2 （1.TaihuLakeCountyWaterConseruancyBureau，Anqing2464，China；.KeyLboratoryofGeotechnicalMechanicsndEeer ingofMinistryof Water Resources，ChangjiangRiver Scientific Research Institute，Wuhan430oio，China）

Abstract：Thesoil source of Huayang River Flood Storage and Detention Areaconstruction project contained weak expansive soil with poor water stability，and cement was used to modify the expansive soil.The embankment section adopted a\"goldwrapped silver\"form，which used modified expansive soil to wraptheuntreated weak expansive soil，was isolating the water and gas exchange between the internal weak expansive soil and the atmospheric environment.In order to investigate thephysical propertiesof weak expansivesoil after modification and theflling performanceand efectof modifiedsoil，indoorgeotechnicalexperimentsandon-siterolingcharacteristictestsofmodifiedexpansivesol werecaried out.The changes inkeyphysical properties andthe influenceof key parameters such assoil thickness，rolling times，and cement ash ratioon compaction degree，moisture content，and setlement were studied.The experimentalresultsshowed that the addition of 4% cement ash effectively reduced the free expansion rate of the original soil material，making the plasticityindex and permeability coeffcient of the modified weak expansion soil met the designpurpose of the \"gold wrapped silver\"sectionof theembankment.Theroling parameters were settoaloose paving thicknessof 3Ocm，and vibration rolling for6 times could met the requirements of fillng compaction degree.The research results can provide a reference for the application of modified expansive soil in engineering.

Key words：weak expansive soil；cement modification；compaction test；Huayang River Flood Storageand Detention Area