水泥改性土在南水北調(diào)膨脹土渠段中的碾壓試驗研究
摘要：根據(jù)南水北調(diào)膨脹土渠段處理相關(guān)技術(shù)要求，結(jié)合水泥改性土室內(nèi)試驗，研究得出自由膨脹率在36%～45%之間的天然土料摻4%的P0425的普通硅酸鹽水泥能滿足水泥改性土控制指標要求，通過水泥改性土的室外碾壓試驗研究得出最優(yōu)含水率為19.6%、最大干密度為1.72g/cm3、水泥摻量為4%的改性土，鋪土厚度為35cm，采用20t的自行式凸塊碾，行走速度控制在2～3km/h，碾壓8遍為最優(yōu)施工參數(shù)組合。
關(guān)鍵詞：南水北調(diào);水泥改性土;碾壓試驗;膨脹土渠段
南水北調(diào)是國家的重要戰(zhàn)略性工程，施工戰(zhàn)線長，膨脹土工程地質(zhì)隨處可見。膨脹土有顯著的干燥收縮、吸水膨脹和強度衰減特點，這種特殊性對工程危害性極大。對于渠道工程的危害主要表現(xiàn)為造成土(巖)層結(jié)構(gòu)破壞從而引起邊坡的失穩(wěn)，其結(jié)果直接影響輸水工程的安全運行，另外，目前我國在膨脹土(巖)地基上修建大型渠道的工程實踐經(jīng)驗較少，因此膨脹土(巖)渠段施工是南水北調(diào)中線工程的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。為解決膨脹土對渠坡穩(wěn)定性的影響，對膨脹土(巖)渠段主要采用了對膨脹性渠床進行換填措施為主的處理方案。而施工工藝決定著施工質(zhì)量的好壞，因此水泥改性土施工參數(shù)的確定尤為關(guān)鍵。
一、工程實例
南水北調(diào)中線工程總干渠全長1427.17Km，涉及膨脹土渠段約340Km，以其中某一渠段為例：南水北調(diào)中線某工程位于河南省平頂山市魯山縣境內(nèi)，起點樁號215+811，終點樁號229+262，全長為13.451km，該段涉及膨脹土(巖)分布區(qū)的長度為11.454km，約占渠道總長的85.2%，其中弱膨脹土渠段累計長9.748km;中膨脹土(巖)渠段累計長2.49km;強膨脹巖渠段累計長1.35km。
二、水泥改性土碾壓試驗研究
2.1水泥改性機理
水泥對膨脹土改性的機理，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)水泥水化反應產(chǎn)生的C-S-H和C-A-H凝膠附著在顆粒表面，具有較強的膠結(jié)力并形成了Ca(OH)2;
(2)Ca2+與土顆粒表面吸附離子交換反應，使土顆粒吸水性能改進和團粒化，增加膨脹土的水穩(wěn)定性;
(3)Ca2+、OH-滲透進入土顆粒內(nèi)部，與粘土礦物發(fā)生物理化學反應，繼續(xù)生成膠凝物質(zhì)，可減少親水粘土礦物的含量，并提高土顆粒間的連接強度。
2.2 室內(nèi)試驗
自由膨脹率指標反映的是膨脹土物質(zhì)成分的膨脹性能，與含水量、密度等狀態(tài)無關(guān)，故可作為判別水泥改性效果的主要指標。隨著對膨脹土認識的'不斷加深，通過膨脹土特性試驗研究和實際工程情況，結(jié)合不同自由膨脹率天然土料改性土水泥摻量室內(nèi)試驗控制指標參考值[1]詳見下表。
表1 不同自由膨脹率天然土料改性土水泥摻量室內(nèi)試驗控制指標參考值
原狀土自由膨脹率α(%) 水泥改性土控制指標
28 天自由膨脹率(%) 標準擊實最大干密度(kg/m3 28 天飽和無側(cè)限
抗壓強度(kPa) 水泥摻量 S(重量比)
試驗參考摻量 最小值 摻量確定
序號 ① ② ③ ④ ⑤ 滿足①②③⑤要求
21～35 -- ≥1.67 ― 3% 3%
36～45 ≤0.70×α ≥1.66 ≥250 4% 3%
46～55 ≤0.65×α ≥1.65 ≥300 5% 4%
56～65 ≤0.60×α ≥1.63 ≥350 6% 5%
在上述工程實例中取代表性的土樣中測定的原狀土自由膨脹率情況為37.8%，分別摻入3%、4%水泥進行相關(guān)實驗，得出最優(yōu)含水量在19.6%對應28d自由膨脹率、標準擊實最大干密度、28d飽無側(cè)限抗壓強度和水泥摻量等指標。詳見表2。
表2 不同水泥摻量水泥改性土室內(nèi)試驗成果表
水泥摻量 28 天自由膨脹率(%) 標準擊實最大干密度(kg/m3) 28 天飽和無側(cè)限抗壓強度(kPa)
3% 19 1.74 260
4% 16 1.72 320
規(guī)定指標要求 ≤0.70×α ≥1.66 ≥250
備注：天然土料自由膨脹率α為37.8%
通過以上數(shù)據(jù)分析，水泥摻入3%和4%均能滿足要求，但水泥摻量3%試驗結(jié)果中28天飽和無側(cè)限抗壓強度接近上限。由于施工過程中影響因數(shù)較多，為滿足規(guī)定指標要求，能更好的指導水泥改性土后期施工，因此選定摻4%水泥改性土。
2.3 現(xiàn)場碾壓試驗
根據(jù)室內(nèi)試驗成果摻入4%水泥進行現(xiàn)場碾壓試驗，碾壓試驗共分五場，通過前三場找出最佳施工參數(shù)，然后進行第四場變含水試驗和第五場復核試驗。
鋪土采用進占法，分別鋪筑厚度分0.30m、0.35m、0.4m三個碾壓條帶，每一個條帶采用20t凸塊振動碾碾壓，碾壓時采用進退錯距法，行走速度控制在2～3m/h，振動碾行走一次為一遍，每個碾壓條帶搭接寬度大于0.5m，依次碾壓4遍、6遍、8遍(根據(jù)實際壓實效果適當增減碾壓遍數(shù));碾壓時先靜壓兩遍，然后進行振動碾壓。
試驗過程中記錄對不同的鋪土厚度和不同壓實遍數(shù)進行干密度試驗，經(jīng)整理并繪出壓實遍數(shù)和干密度、壓實度的關(guān)系曲線如下圖，最后根據(jù)設計干容重，并結(jié)合上述曲線計算出最優(yōu)碾壓組合(鋪土厚度、碾壓遍數(shù)、最優(yōu)含水率)。
根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析：(1)鋪料30cm，碾壓6遍，可滿足設計要求，但接近下限，繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)，碾壓6遍、8遍后，壓實度均能滿足設計要求， 且已無明顯增長，因此鋪料30cm時，宜碾壓8遍。
(2)鋪料35cm，壓實度隨碾壓遍數(shù)的增加而變大，碾壓4遍，不能滿足設計要求，繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)，碾壓后6遍后，壓實度滿足設計要求，但接近下限，繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)可提高壓實效果，所以在鋪料35cm的條件下，碾壓遍數(shù)宜控制在8遍。
(3)鋪料40cm，碾壓4遍、6遍后，壓實度均不滿足設計要求，因此繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)，碾壓8遍后，可滿足設計要求，但接近下限。因此鋪料40cm繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)。
圖1碾壓遍數(shù)與干密度關(guān)系圖
圖2碾壓遍數(shù)與壓實度關(guān)系圖
通過前三場試驗的對比，得出摻4%水泥的改性土，鋪料厚度35cm，碾壓8遍，相對最優(yōu)。因此選取該參數(shù)進行復核試驗及變含水試驗。在變含水試驗中采用含水率為ω+1%(ω：最優(yōu)含水率。)，ω+3%，分別碾壓8遍后，進行壓實度檢測均可滿足設計要求(設計指標≥98%)。第五場試驗通過以上確定的相對最優(yōu)參數(shù)進行進行復核試驗，并加大取樣數(shù)量。得出摻4%水泥改性土，鋪料厚度35cm，碾壓8遍，此參數(shù)可行。
2.4 碾壓試驗成果
通過上述試驗組合，擬定現(xiàn)場施工參數(shù)如下，見表3。
三、結(jié)語
筆者通過水泥改性土的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場碾壓試驗，確定了改性土的水泥摻量以及選定了合理的施工壓實參數(shù)，為后續(xù)大規(guī)模膨脹土渠段換填施工提供指導性依據(jù)。
參考文獻：
[1] 吳德緒、曹為民、劉瑞源等.南水北調(diào)中線一期工程總干渠渠道水泥改性土施工技術(shù)規(guī)定(試行)(S).南水北調(diào)中線干線工程建設管理局發(fā)布，2011.
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9.少年閏土教案