水泥改性土参数确定

刘洪森

【摘 要】为保护膨脹土地区引水渠道边坡的稳定，采用膨胀土掺加适量水泥加水拌和进行改性处理，通过渠道边坡换填实际应用，分析总结了水泥改性土施工方法的优缺点，并通过实验区的模拟运行试验，分析其在膨胀土地区换填的试验效果。

【关键词】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：膨胀土中含有较多的粘粒及亲水性较强的蒙脱石或伊利石等粘土矿物成分，是一种遇水膨胀、强度骤减、失水干缩、坚硬而又常有收缩裂隙的高塑性粘土。膨胀土渠坡易产生溜坍、坍塌、滑坡等严重事故，还会产生收缩开裂、膨胀、松散、剥落等病害，对工程建设潜在着严重的破坏性。通过在膨胀土中加入水泥，使其改变性质，变成常规土，改变膨胀土这种缩胀性质，是水泥改性土膨胀土换填的主要目的。

1. 水泥改性膨胀土作用机理

消除膨胀土的破坏性是膨胀土施工中的关键环节。在膨胀土掺加水泥后，二者发生化学及物理作用，包括离子交换、凝硬反应、碳化作用、胶结作用。改变膨胀土的力学性质，其强度和水稳定性大大提高，膨胀性也得到控制。水泥改性土在换填的膨胀土边坡中能改良膨胀性、减少与水接触后剧烈反应，消弱了膨胀土自身因水量变化而产生的缩胀应力。

2. 填筑施工碾压控制参数

碾压施工参数如下（表1）：

布置宽度为14m，长度为50m的4%水泥掺量改性土、10%水泥掺量水泥土填筑碾压试验场地，在试验场地按铺料厚度30cm和35cm布置两个试验区，每个试验区域内再按碾压遍数、划分为三个小区域，确定试验采样点，试验布置图如图1所示：

3. 试验材料

水泥改性土试验材料：进行水泥掺量4%水泥改性土和水泥掺量10%水泥土填筑碾压试验的材料。

4. 试验方案（见图2）

5. 试验步骤

5.1 试验材料与室内实验。

5.1.1 进行水泥掺量4%水泥改性土和水泥掺量10%水泥土填筑碾压试验的材料，均采用十二里河西支排水涵洞2m处开挖料。

5.1.2 在进行填筑或换填之前，我标将先进行碾压试验，试验结果通过审批后，在严格执行各项碾压参数的基础上，根据施工实际情况不断分析总结和相应的局部微调优化，以指导后续渠道改性土和建筑物水泥改性土的填筑施工。

（1）在碾压试验之前，根据设计图纸，在监理工程师的见证下，我标于2011年4月27日对十二里河西支排水涵洞2m处的开挖料进行了取样，随即进行了土工试验，经过检测十二里河西支排水涵洞2m处的开挖料为弱膨胀土，具体的试验时间和试验结果见表2所示：

此表试验数据根据附件自由膨胀率检测报告（ZYPZL-027）、液塑限联合测定试验报告（YSX-003）、改性前的开挖土料的击实试验报告（JS-008）而知（原状土击实曲线图见图3）。

（2）对取样土样，实验室按4%、10%水泥掺量进行了均匀拌制，进行室内配合比试验和室内EDTA滴定试验及均匀性检测，取得了水泥含量标准曲线（见附件EDTA法标准曲线测定报告（EDTA-1），根据取样料源，对4%水泥掺量水泥改性土、10%水泥掺量水泥土，在室内分别进行水泥改性土击实试验，确定了水泥土和水泥改性土的最优含水量及最大干密度等实验数值，具体的试验结果见表3：

（3）此表试验数据根据附件：配合比报告编号GXT-PHB2011-002而知（10%水泥掺量水泥土击实试验结果见表4， 4%水泥掺量水泥改性土配合比报告见表5，4%水泥掺量水泥改性土击实试验结果见表6）。

（4）此表试验数据根据附件：配合比报告编号GXT-PHB2011-001而知。

（5）此表试验数据根据附件：改性后的击实试验报告编号JS-009而知（4%水泥掺量水泥改性土击实击实曲线图见图5）。

（6）对于换填10%水泥掺量的水泥土，在室内进行了无侧限抗压强度试验，其检测结果见附件（无侧限抗压强度报告，编号NSBD-WCX-001）。10%水泥土无侧限抗压强度统计表（10%水泥掺量水泥土无侧限抗压强度统计表见表7）：

5.2 碾压参数组合。

水泥土和改性土填筑碾压试验参数组合按表8进行。

碾压试验参数初选，初步选择碾压初选参数如表9所示：

5.2.1 碾压机械设备检验。

进行水泥土、水泥改性土碾压试验，选用的碾压机械均为SEM8222型凸块振动平碾，施工中使用2Km/h速度。经现场观察开启振动碾进行振动、行走试验，判断其工作状态是正常的。碾压机械主要的性能指标为（见表10）：

5.2.2 拌合工艺试验。

（1）在拌合之前，对拌合土料进行了天然含水率的检测，结合改性土的配合比，现场实验室下发了改性土配料单，灰土拌合站根据改性土配料单的要求进行了配料。

（2）配料完成后，灰土拌合站（MWB-400I灰土拌合站）随即进行了改性土的拌制，由ZL50C装载机上料，拌合机由集料系统、计量传送系统、拌制系统、水泥罐体四部分组成。集料系统用于盛放土料，配置了4个料斗；在集料斗下部有电子计量系统，通过控制液压斗门开启或关闭来确定土料的重量，土料落至皮带机上后，传送至拌合机内；在拌合系统运行后，电脑自动控制水泥罐添加水泥至拌合机内，并根据改性土配料单的要求添加水，拌制完成后经皮带机卸料。为保证土料质量，集料斗上口加工成带坡度的型式，并在上口设置筛网，每个小网格边长不宜大于5cm，以过滤掉粒径不合格的土料。拌合称量系统按改性土配料单，控制土料、水泥和水的重量，进行充分拌合。

（3）水泥土的拌合工艺试验流程与上述拌合工艺试验流程相同。

（4）出料后，在监理工程师的见证下，取样进行了室内的均匀性检测、水泥含量检测，检测后灰土拌合站的拌合工艺达到了改性土和水泥土拌合工艺及相关控制指标的要求（详见编号EDTA-2、EDTA-3：EDTA法测水泥含量检测报告）。

5.2.3 填筑试验场地平整。

在选定的填筑碾压试验场地，采用TY220推土机，配合人工，将填筑基面或接触面的腐植土、草皮、树根、废渣、垃圾等进行清除，基面清理后，对试验场地进行精平，达到平整度的要求。

5.2.4 填筑试验场地基底处理。

由于选定的填筑碾压试验场地基础面均为原土地基面，在进行填筑试验之前，用振动平碾对地基面进行碾压2遍；碾压结束后，利用控制点坐标，测放出改性土填筑碾压试验场地边线， 每侧均超出试验场地宽度100cm，并用石灰线和木桩明显标示。

5.2.5 水泥改性土拌制。

（1）在进行水泥土（水泥改性土）拌合之前，在现场监理工程师的见证下，我标对拌合土料进行了天然含水率的检测，结合配合比，现场实验室下发了水泥土（水泥改性土）配料单，灰土拌合站根据配料单的要求进行了配料。

（2）配料完成后，灰土拌合站（MWB-400I灰土拌合站）拌合称量系统按水泥土（水泥改性土）配料单，控制土料、水泥和水的重量，进行充分拌合，严格按照拌合工艺试验的拌合程序进行拌制。出料后，在监理工程师的见证下，取样进行均匀性检测和水泥含量检测，检测合格的水泥土（水泥改性土），由20T自卸汽车运送至填筑试验场地工作面（详见附件，编号EDTA-2、EDTA-3：EDTA法测水泥含量检测报告）。

5.2.6 填料运输、入仓。

碾压填料，由20T自卸汽车运送至试验区域，顺长方向采取进占法入仓卸料，汽车不得在已压实土料上行驶，填料含水率必须均匀（最优含水量+2%以内），用ZL50C装载机进行辅助补料，在边角处采用人工进行补料，以达到铺填厚度和较为合理的级配。

5.2.7 填料攤铺、平整。

（1）采用TY220推土机铺料，平整，两侧每10m插设一根标杆，上面白油漆标示铺土厚度，作为推土机摊铺时的参照，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进行洒水调整；对含水率超标的进行翻松晾晒。采用五铧犁对改性土料进行翻松，调整含水量进行晾晒的场地在填筑现场进行。

（2）为保证压路机压轮表面能基本均匀接触填筑面进行碾压，以达到理想的压实效果，采用TY220推土机对回填土料进行平整，做到摊铺面纵向和横向平顺均匀，在填筑边线外侧均增加100cm宽的超铺余量。同时利用坐标法对场地进行4×4m方格定位测量，测定虚铺高程厚度，作好铺料前高程记录，作为铺土厚度控制、压实后高程（厚度）比较的依据。

5.2.8 碾压方式。

（1）碾压前由主管技术人员进行检查，确认分层厚度、平整程度，符合要求后进行碾压；

（2）碾压机械，采用凸块振动碾。

（3）碾压采用振动碾沿长方向进行碾压，前进、后退，一个来回按二遍计，压实顺序按先两侧后中间，按照先进行静压1遍使填料稳定，再进行弱振碾压1遍，随即进行强振的操作程序进行碾压。

（4）碾压采用进退错距法进行条带式碾压，相邻碾压轨迹及相邻土料连接处的碾压搭接宽度为10cm。

（5）振动碾对A、B试验区填筑料慢一档强振4遍。用水准仪按检测点测量压实后的高程，与其对应点的起始高程比较，记录压缩沉降量。用环刀法取样测定A1、B1条带干密度，每个条带的每个检测区域内检测5点。

（6）振动碾对A2、B2 、A3、B3试验区填筑料慢一档再强振2遍（累计共8遍）。用水准仪按检测点测量压实后的高程，与其对应点的起始高程比较，记录压缩沉降量。用环刀法取样测定A2、B2条带干密度，每个条带的每个检测区域内检测5点。

（7）振动碾对A3、B3试验区填筑料慢一档再强振2遍（累计共10遍）。用水准仪按检测点测量压实后的高程，与其对应点的起始高程比较，记录压缩沉降量。用环刀法取样测定A3、B3条带干密度，每个条带的每个检测区域内检测5点。

6. 检测

6.1 碾压试验检测方法。

水泥改性土的试验检测根据《土工试验规程》（SL237-1999）进行；采用环刀法进行取样，烘干后检定土样的含水率，每一组合取样5个；碾压累计遍数达到第六遍后，测定方格点高程并作干密度试验。碾压累计遍数达到第八遍后，又测定方格点高程做干密度。碾压累计遍数达到第十遍后，作最后一次干密度，用水准仪测定最终压实高程，作好每次测定原始记录。

6.1.1 碾压后试验场地的处理。

由于布置在1#副营地灰土拌合站土料堆放场，为进一步研究改性土的特性，我标将保持改性土碾压试验场地一个月，碾压完成，进行试验检测后及时用塑料薄膜对碾压现场进行覆盖。

6.1.2 承载力检测。

根据现有的施工图纸，左岸排水工程基础使用水泥掺量为10%的水泥土进行基础换填， 2011年5月21日，在现场监理工程师的见证下，我标采用轻型的动力触探对水泥掺量10%的水泥土进行承载力检测，经检测，所测各点均符合设计要求，其检测的结果见附件动力触探试验报告：编号NSBD-DLCT-20110521-1。10%的水泥土动力触探试验统计表见表11：

6.2 检测单位。

中国水利水电第七工程局有限公司。

6.3 碾压质量检测标准。

根据《土工试验规程》（SL237-1999）进行动力触探试验，碾压后承载力≥400KPa。

6.4 膨胀性检测。

根据《土工试验规程》（SL237-1999）进行自由膨胀率检测。

6.5 渗透试验。

根据《土工试验规程》（SL237-1999）进行渗透试验。

6.6 填料压实度检测。

根据《土工试验规程》（SL237-1999），用环刀法进行压实度检测（10%水泥掺量水泥土碾压试验高程测量记录表见表12，10%水泥掺量水泥土试验场地高程点布置图见图6，4%水泥掺量改性土高程点布置图见图7）。

7. 水泥改性土试验高程测量记录表

7.2 压实度检测成果表（10%水泥掺量水泥土压实度检测成果统计表见表14，水泥掺量4%改性土压实度检测成果统计表见表15）

7.3 碾压遍数与沉降量的关系曲线（见图8，图9）。

7.4 碾压遍数与干密度的关系曲线（见图10，图11）。

7.5 碾压遍数与压实度的关系曲线（见图12，图13）。

7.6 填筑碾压试验成果分析。

7.6.1 水泥掺量10%水泥土试验成果分析。

（1）从表14，图8～图13可以看出，铺料厚度相同时，沉降量随碾压遍数的增加而增大；碾压8遍与碾压10遍的沉降量差值不大，再增加碾压遍数，沉降不明显，故再增加碾压遍数已不经济。比较如表16：

从表14，图7～图12可以看出，平均压实度随碾压遍数的增加而增大，随铺土的增加而减小，符合填筑材料的特性。

（2）根据表14中不同碾压遍数和不同铺土厚度，得到的平均干密度和压实度统计如17表所示：

（3）本次水泥掺量10%水泥土碾压试验所用土料的含水率在13.78%～16.11%之间，土料最大含水率为16.11%，碾压过程中土料可塑性好，未出现异常现象。

7.6.2 水泥掺量4%水泥改性土试验成果分析。

（1）从表15，图8～图13可以看出，铺料厚度相同時，沉降量随碾压遍数的增加而增大；碾压8遍与碾压10遍的沉降量差值不大，再增加碾压遍数，沉降不明显，故再增加碾压遍数已不经济。比较如表18：

（2）从表15，图9、图11、图13可以看出，平均压实度随碾压遍数的增加而增大，随铺土的增加而减小，符合填筑材料的特性。

（3）根据表15中不同碾压遍数和不同铺土厚度，得到的平均干密度和压实度统计如表19所示：

（4）本次水泥掺量4%水泥改性土碾压试验所用土料的含水率在15.82%～16.36%之间，土料最大含水率为16.36%，碾压过程中土料可塑性好，未出现异常现象。

7.7 填筑碾压试验结论。

（1）经过试验段的施工，使所有的参加人员明确了水泥改性土碾压的基本流程，达到规定压实度所需的配套机具、碾压遍数和人员组织，达到了试验段的目的。

（2）综合分析试验结果，选择最优施工碾压参数为（见表20，表21）：

（3）试验段进行水泥改性土填筑碾压试验后，从经济和其他方面综合考虑，我部4%水泥掺量水泥改性土、10%水泥掺量水泥土，推荐采用机械松铺30cm，静压弱振各一遍，然后强振6遍的碾压参数，具体的碾压参数如下（表22）：

A.施工铺土厚度：30cm 含水量范围：最优含水量+2%以内。

B.确定压实设备类型及机械最佳组合方式：

C.铺土方式：自卸车到拌和站集料，运至填筑工作面，铺土找平采用TY220推土机摊平，人工配合，以保证铺土厚度均匀；含水量偏低的土料进行洒水调整，对含水量超标的进行翻松晾晒；沿轴线或平行轴线进行摊铺。

D.碾压遍数： 采用凸块碾碾压静压一遍、弱振一遍、强振6遍。碾压速度：2Km/h（见表23）。

8. 结论及建议

（1）水泥改性土现场碾压最适合的机械是凸块振动碾，经过在渠道边坡换填试验使用压路机碾压和凸块振动碾碾压后经过机械削坡的对比后发现，换填时压路机（平碾）碾压后尽管也对结合层进行了刨毛处理，但结合层仍有分层现象，而凸块振动碾不明显。

（2）水泥改性膨胀土换填施工所需要的人工较多（特别是在土料拌制时撒水泥，加水），工艺复杂，对土的含水率要求较高，受天气影响较大，费用高。

（3）在进行换提施工中不需要每层削坡，水泥改性膨胀土易受外界阳光、大风影响。超填部分可以考虑每填筑3m高时削一次，削坡时留一定保护层，减少水泥土表面与大气反应而产生风干。

（4）水泥改性膨胀土换填施工后，边坡如果不加防护，土体易受雨水冲刷失稳而造成变形。

参考文献

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