水泥改性土在南水北调工程中的应用

摘要：南水北调中线一期工程总干渠沿线涉及到膨胀土问题的渠段较长，涉及范围广。由于膨胀土遇水膨胀、失水干缩的特性，南水北调中线工程采用将弱膨胀土进行掺加一定量的水泥进行改性后用于弱膨胀土渠堤外包边填筑。水泥改性土在施工过程中，由于不能连续大面积的施工，暴露出诸如水泥改性土填筑层间结合面、弱膨胀土与水泥改性土搭接面不能良好结合的质量问题，因此做好水泥改性土碾压工艺试验，并及时处理生产性填筑过程中暴露出来的各种影响工程质量及进度的问题，对后期水泥改性土大面积填筑施工具有重要的指导意义。

关键词：弱膨胀土 水泥改性土 碾压 工艺试验 填筑施工

中图分类号：TV42 文献标识码： A

一、目的和意义

对于渠坡失稳，采用水泥改性土进行坡面和渠底换填，减少了土体与外界的水分交换，降低了内部膨胀土含水量的变化幅度，使膨胀土处于一个相对封闭的环境。最终以达到渠坡整体的稳定。

水泥改性土用于膨胀土外包边填筑，碾压后形成的换填层，一方面可隔离大气与膨胀土基础的直接作用，另一方面吸收基面的膨胀潜能，降低原膨胀土基础自身因含水量变化而产生的胀缩应力，防止膨胀土边坡出现失稳滑坡现象。

本工程施工处于膨胀土地区，水泥改性土的使用，可以充分利用开挖料，实现了土料的就地取材，解决了土料料源紧缺，远运距拉运困难等难题，节省了部分工程成本。

二、国内外研究水平综述

美国加州的北水南调工程Friant―Kern渠道长245km，其中87km通过膨胀土地区，1949年部分渠道过水后，1950年发现衬砌板隆起变形，之后变形不断发展，1954年已有15.5英里渠道遭破坏。70年代，美国垦务局采取3%的石灰对膨胀土坡面及渠底进行改性处理，处理厚度0.60―0.77m，对坡顶也用同样厚度处理7.6m宽。1976年处理完工至今，未再出现变形破坏现象。

印度Purna渠道长42km，挖深一般在5m左右。渠道部分渠段进过具有强膨胀性的“黑棉土”地区。挖深一般在5m左右。工程建成后15年内，每年在膨胀土渠段都会发生一些滑坡。经采用含砾石红土对坡面处理1m，在坡脚用块石砌筑护脚之后，未再出现滑坡现象。（D.N.Kulkarni， N.R.Sawaleshwarkar，1988）。

突尼斯、印度等国的专家在研究膨胀土渠道处理措施时还发现，在膨胀土上直接覆盖土工膜或直接浇筑混凝土，都会引起下伏膨胀土的软化和膨胀，其原因在于土工膜或混凝土像一个“盖子”阻碍了毛管水的蒸发（F.Hualilon，1976； K.R.Datye，1988）。以色列的Kashiv还专门在渠底埋设仪器，揭示渠道开裂与膨胀土含水量升高有关。通过这些研究，国外膨胀土渠道处理时已不再采用土工膜直接铺设在膨胀土进行防渗处理。

南非Zukerbosch渠道长20km，渠道挖深4m左右，1983年竣工后一直运行良好，它在膨胀土地区采用的处理方法（C.F.Watermeyer，1984）：在膨胀土区，采用1.5m非膨胀土换填，压实度0.98控制，坡顶10―15m范围也换填1m厚的土。同时，两侧坡顶设置排水沟，一侧坡顶设置拦洪堤，其底宽约13m（兼起覆盖保护作用）；

从国外膨胀土渠道处理技术研究情况看，由于渠道挖深较小，采用石灰土或非膨胀土换填处理后，基本都达到了预期效果。但南水北调中线工程膨胀土渠道挖深较大，除了土体本身的膨胀作用外，重力卸荷也会影响到膨胀土力学性能和结构特性，随着坡度增大，滑坡机制也会改变。

因此根据土体膨胀性采用1.0m换填厚度，以使坡内膨胀土变形压力与坡外水泥改性土的束缚力相均衡。

综上，水泥改性土是针对弱膨胀土而言的，而弱膨胀土天然含水量普遍偏高，在水泥改性土施工过程中在一定程度上会影响施工进度；但对于工程经济而言，其解决了料源紧张及拉运单价较高的问题，实现了土料的就地取材，减少了移民和征地工作。

十二五国家科技支撑计划膨胀土处理技术研究简介，共设置7个课题，其中6个与膨胀土处理技术有关。于2011年，课题研究组在大量的现场勘查与室内试验研究，水泥改性土的使用在国内应属首例。

三、课题背景

南水北调南阳段渠道土壤分布均呈弱膨胀至中膨胀性，南阳民谚称膨胀土“下雨一坨胶，天晴一块铜”，由此可见膨胀土遇水膨胀，失水收缩的特性，由于地域条件限制以及大规模远运距调土的巨大成本制约，如何因地制宜，有效改善和利用膨胀土成为南水北调中线干线工程南阳段的重大技术课题和任务，由此对膨胀土问题的相关研究是南水北调南阳段工程乃至中线工程面临的关键技术问题之一。

膨胀土是一种高塑性黏性土，所含的主要矿物成分蒙脱石、伊利石、高岭土等多为土体中的活性元素，具有较大的吸水膨胀和失水收缩的变性特征，其中黏粒的主要成分为强亲水性矿物。它具有超固结性、多裂隙性、膨胀性等一系列特性，其工程问题是岩土工程领域中的技术难题之一，尤其是膨胀土边坡的稳定问题，往往是“逢堑必滑”，给工程的危害极大。

南阳段半挖半填渠段地面以上设计为中间填筑弱膨胀土、外侧填筑水泥改性土的“金包银”方案，即采用弱膨胀土作为渠堤芯料，水泥改性土作为渠道弱膨胀土的保护层。以此来保证膨胀土渠段的土料利用及渠道运行安全和稳定性。水泥改性土，是指将一定比例的水泥掺入膨胀土土料之中，使二者充分拌合并发生物理及化学反应，以改善膨胀土的性质或结构，使其强度和水稳定性大大提高，膨胀性得到控制。

因此，在本工程施工中，做好水泥改性土的工艺试验，以及水泥改性土施工初期，及时针对出现的质量技术问题进行分析研究，以便于加快施工进度，提高施工质量，节约工程成本。

四、技术指标

十二五国家科技支撑计划膨胀土处理技术研究简介，共设置7个课题，其中6个与膨胀土处理技术有关。于2011年，课题研究组在大量的现场勘查与室内试验研究，水泥改性土的使用在国内应属首例。 对于渠坡失稳，采用水泥改性土进行坡面和渠底换填，减少了土体与外界的水分交换，降低了内部膨胀土含水量的变化幅度，使膨胀土处于一个相对封闭的环境。最终以达到渠坡整体的稳定。

水泥改性土用于膨胀土外包边填筑，碾压后形成的换填层，一方面可隔离大气与膨胀土基础的直接作用，另一方面吸收基面的膨胀潜能，降低原膨胀土基础自身因含水量变化而产生的胀缩应力，防止膨胀土边坡出现失稳滑坡现象。

本工程施工处于膨胀土地区，水泥改性土的使用，可以充分利用开挖料，实现了土料的就地取材，解决了土料料源紧缺，远运距拉运困难等难题，节省了部分工程成本。

五、膨胀土、水泥改性土简介

5.

1、膨胀土

膨胀土是一种含一定数量亲水矿物质（蒙脱石、伊利石、高岭石或混层结构）且随着环境的干湿循环变化而具有显著的干燥收缩、吸水膨胀和强度衰减的粘性土，有的裂隙很发育，且液限和塑性指数较大，压缩性偏低，在天然含水量状态下较坚硬，一般具有超固结性。根据其膨胀率分类，膨胀土可分为弱膨胀土（自由膨胀率大于40%且小于65%）、中膨胀土（自由膨胀率大于65%且小于90%）和强膨胀土（自由膨胀率大于90%）。

南水北调中线一期工程总干渠沿线涉及到膨胀土问题的渠段较长，涉及范围广、条件复杂，任何局部的边坡失稳、衬砌结构的破坏都将可能影响渠道正常输水。由于膨胀土的处理技术难度、处理工程量和投资都比较大，因此膨胀土是南水北调中线工程面临的关键技术问题之一。

5.

2、水泥改性土

水泥改性土，是指将一定比例的水泥掺入膨胀土土料之中以改善膨胀土的性质或结构，使膨胀土丧失膨胀潜能，并在一定程度上提高土体强度或承载力。因膨胀土具有遇水膨胀、失水干缩的特性，采用路拌机、稳定土拌和机等掺拌设备，在膨胀土料中掺入适量的水泥，使二者充分拌合并发生物理及化学反应，改变膨胀土的力学性质，使其强度和水稳定性大大提高，膨胀性得到控制。

六、课题的理论和实践依据

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1、水泥改性土及改性后效果评价

南水北调总干渠南阳段以渠道为主，沿线地层大部分为膨胀性土， 本工程渠段包括半挖半填渠道和全填方渠道等型式，其中水泥改性土的填筑量约占总填筑量的21%。填方渠道采用“金包银”方案，当填筑高度大于3m时采用弱膨胀土外包1.0m厚的水泥改性土。

水泥改性土，是指将一定比例的水泥掺入膨胀土土料之中以改善膨胀土的性质或结构，使膨胀土丧失膨胀潜能，并在一定程度上提高土体强度或承载力。因膨胀土具有遇水膨胀、失水干缩的特性，采用路拌机、稳定土拌和机等掺拌设备，在膨胀土料中掺入适量的水泥，使二者充分拌合并发生物理及化学反应，改变膨胀土的力学性质，使其强度和水稳定性大大提高，膨胀性得到控制。

被改性土和改性土试验结果统计表

水泥掺量含水率的修正：

重量为Gc的被改性土中掺入水泥重量为Gs按下式计算：

Gs=S×Gc/（1+ω-ω0）

式中S----水泥掺量百分数，

ω0-----室内改性试验时，被改性土试样在改性前含水率，

ω-----被改性土在改性拌合前的含水率。

6.

2、水泥改性土工艺试验取得相关参数

根据水泥改性土工艺试验取得相关参数如下：

⑴碾压工艺试验结果能达到设计干密度值；

⑵土料最大粒径不超过10cm，土块粒径过大时，须在现场将土翻晒至含水率在15%左右时，再经过液压式碎土机破碎后进行水泥改性土的拌制；

⑶填筑施工过程中自卸车运料用进占法卸料，TYM220推土机推平，铺土厚度宜控制在30±2cm范围内；

⑷通过水泥改性土碾压试验的施工，改性土料含水率宜控制在最优含水率至超过最优含水率2个百分点范围内；如被改性土料过湿，须经现场翻晒，翻晒过的土料在拌合时要按配料单进行相加水拌制，将含水率控制在最优含水率至大于含水率两个百分点范围内；碾压遍数与压实度之间的关系曲线如下图：

第一层（铺土厚度为30cm，含水率控制值为18.3%）

第二层（铺土厚度为30cm，含水率控制值为19.3%）

第三层（铺土厚度为30cm，含水率控制值为20.3%）

⑸现场采用20t凸块振动碾沿平行于渠轴线方向碾压，进行碾压施工，行车速度宜控制在2～4km/h范围内，碾压遍数为8遍；

⑹在大面积填筑水泥改性土前应对参加施工的管理、技术人员进行技术交底，现场技术员务必要求振动碾机械手控制碾压速度及遍数，保证压实质量；

6.

3、水泥改性土的时间特性分析

改性土掺水泥后击实最大干密度随时间变化曲线

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改性土掺水泥后含水率随时间变化曲线

从上述试验结果和曲线图表可以看出，水泥改性土在掺水泥后随时间推移击实最大干密度在不断降低，含水率与最初最优含水率相比，基本未发生变化。此原因从水泥水化反应可以分析如下：

水泥的水化反应式：

2（3CaO・SiO2）+6H2O→3CaO・2SiO2・3H2O+3Ca（OH）2

2（2CaO・SiO2）+4H2O→3CaO・2SiO2・3H2O+Ca（OH）2

3CaO・Al2O3+6H2O→3CaO・Al2O3・6H2O

4CaO・Al2O3・Fe2O3+7H2O→3CaO・Al2O3・6H2O+CaO・Fe2O3・H2O

部分水化铝酸钙与石膏作用产生如下反应：

水泥经水化反应后生成的主要水化产物有：水化硅酸钙和水化铁酸钙为凝胶体（它是水泥具有胶结性能的主要物质），氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙为晶体。在完全水化的水泥石中，水化硅酸钙凝胶约占70%，氢氧化钙晶体约占20%，水化硫铝酸钙晶体约占7%。

水泥在水化硬化过程中，无水的熟料矿物转变为水化产物，固相体积大大增加，而水泥浆体的总体积却在不断缩小，由于这种体积减缩是化学反应所致，故称化学减缩。以主要成分3CaO・SiO2的水化反应为例：

6.

4、水泥改性土填筑施工过程中发现问题及解决方法

1、被改性土料含水率过大不易破碎

解决办法：合理规划土料场，有序取土、分阶层取土，在取土点范围外侧开挖同开采深度或大于开采深度的截渗沟，集水井，形成周边降水线，保证取土干地；

设置土料晾晒场，使用农用旋耕犁反复旋耕土料，加快土料含水蒸发速度。在施工过程中，经过反复的进行破碎试验，最后确定出土料在翻晒至15%左右的含水率时，破碎效率高，效果也最佳。

2011年4月份土料场取样试验结果

2、水泥改性土层间结合面

换填土与天然渠坡基础面及换填土与渠堤填筑体结合面等部位是南水北调工程质量检查的重点。水泥改性土填筑过程中，层间结合面由于填筑间隔时间过长或保护不良，填筑层面未经处理便进行填筑施工会使结合部位出现质量缺陷，从而导致部分施工部位返工处理。

解决办法：水泥改性土填筑如不能连续施工，采取措施有二。一是对填筑面用防水雨篷布覆盖保护，再次进行填筑前，认真检查填筑面表层失水是否严重，如失水严重土体干燥时，清除表层浮土至结实土体基面，再进行表层洒水湿润，再进行表层洒水湿润一段时间后（约2小时），才能进行再次填筑。二是在填筑面上层覆盖15cm左右的弱膨胀土，用光面振动碾静压两边，形成填筑面保护层，再次填筑前将表层弱膨胀土清除干净即可。

⑶土层缝间结合问题

解决办法：改性土和普通弱膨胀土同步上升，同步碾压。挖方渠道内坡改性土施工时，结合缝处的土体开挖形成小台阶，台阶高度为铺土厚度。

七、水泥改性土发展前景的展望

在国内，水泥改性土的使用目前正在探索阶段，其对膨胀土的改性过程中现阶段主要针对弱膨胀土，对中强膨胀土若要改性，还需要时间及大量的试验数据进行探索研究并加以论证。将弱膨胀土进行掺加一定量的水泥进行改性后，使膨胀土的膨胀性得以控制或消除，改变其力学性质，使膨胀土的稳定性大大提高。如用于膨胀土外包边填筑，碾压后形成的换填层，一方面可隔离大气与膨胀土基础的直接作用，另一方面吸收基面的膨胀潜能，降低原膨胀土基础自身因含水量变化而产生的胀缩应力，防止膨胀土边坡出现失稳滑坡现象。在膨胀土地区施工工程，可以充分利用开挖料，实现土料的就地取材，对于土料料源紧缺或者拉运困难的地区能节省部分成本。