水泥改性土在南水北调膨胀土渠段中的碾压试验研究

摘 要：根据南水北调膨胀土渠段处理相关技术要求，结合水泥改性土室内试验，研究得出自由膨胀率在36%～45%之间的天然土料掺4%的P0425的普通硅酸盐水泥能满足水泥改性土控制指标要求，通过水泥改性土的室外碾压试验研究得出最优含水率为19.6%、最大干密度为1.72g/cm3、水泥掺量为4%的改性土，铺土厚度为35cm，采用20t的自行式凸块碾，行走速度控制在2～3km/h，碾压8遍为最优施工参数组合。

关键词：南水北调；膨胀土渠段；水泥改性土；碾压试验

中图分类号：TV91；TV522；TV523 文献标志码：B

南水北调是国家的重要战略性工程，施工战线长，膨胀土工程地质随处可见。膨胀土有显著的干燥收缩、吸水膨胀和强度衰减特点，这种特殊性对工程危害性极大。对于渠道工程的危害主要表现为造成土（岩）层结构破坏从而引起边坡的失稳，其结果直接影响输水工程的安全运行，另外，目前我国在膨胀土（岩）地基上修建大型渠道的工程实践经验较少，因此膨胀土（岩）渠段施工是南水北调中线工程的关键技术难题之一。为解决膨胀土对渠坡稳定性的影响，对膨胀土（岩）渠段主要采用了对膨胀性渠床进行换填措施为主的处理方案。而施工工艺决定着施工质量的好坏，因此水泥改性土施工参数的确定尤为关键。

1.工程实例

南水北调中线工程总干渠全长1427.17Km，涉及膨胀土渠段约340Km，以其中某一渠段为例：南水北调中线某工程位于河南省平顶山市鲁山县境内，起点桩号215+811，终点桩号229+262，全长为13.451km，该段涉及膨胀土（岩）分布区的长度为11.454km，约占渠道总长的85.2%，其中弱膨胀土渠段累计长9.748km；中膨胀土（岩）渠段累计长2.49km；强膨胀岩渠段累计长1.35km。

2.水泥改性土碾压试验研究

2.1水泥改性机理

水泥对膨胀性的机理，主要体现在以下几个方面：

（1）水泥水化反应产生的C-S-H和C-A-H凝胶附着在颗粒表面，具有较强的胶结力并形成了Ca（OH）2；

（2）Ca2+与土颗粒表面吸附离子交换反应，使土颗粒吸水性能改进和团粒化，增加膨胀土的水稳定性；

（3）Ca2+、OH-渗透进入土颗粒内部，与粘土矿物发生物理化学反应，继续生成胶凝物质，可减少亲水粘土矿物的含量，并提高土颗粒间的连接强度。

2.2 室内试验

自由膨胀率指标反映的是膨胀土物质成分的膨胀性能，与含水量、密度等状态无关，故可作为判别水泥改性效果的主要指标。随着对膨胀土认识的不断加深，通过膨胀土特性试验研究和实际工程情况，结合不同自由膨胀率天然土料改性土水泥掺量室内试验控制指标参考值[1]详见下表。

通过以上数据分析，水泥掺入3%和4%均能满足要求，但水泥掺量3%试验结果中28天饱和无侧限抗压强度接近上限。由于施工过程中影响因数较多，为满足规定指标要求，能更好的指导水泥改性土后期施工，因此选定掺4%水泥改性土。

2.3 现场碾压试验

根据室内试验成果掺入4%水泥进行现场碾压试验，碾压试验共分五场，通过前三场找出最佳施工参数，然后进行第四场变含水试验和第五场复核试验。

铺土采用进占法，分别铺筑厚度分0.30m、0.35m、0.4m三个碾压条带，每一个条带采用20t凸块振动碾碾压，碾压时采用进退错距法，行走速度控制在2～3m/h，振动碾行走一次为一遍，每个碾压条带搭接宽度大于0.5m，依次碾压4遍、6遍、8遍（根据实际压实效果适当增减碾压遍数）；碾压时先静压两遍，然后进行振动碾压。

试验过程中记录对不同的铺土厚度和不同压实遍数进行干密度试验，经整理并绘出压实遍数和干密度、压实度的关系曲线如下图，最后根据设计干容重，并结合上述曲线计算出最优碾压组合（铺土厚度、碾压遍数、最优含水率）。

根据以上数据分析：（1）铺料30cm，碾压6遍，可满足设计要求，但接近下限，继续增加碾压遍数，碾压6遍、8遍后，压实度均能满足设计要求， 且已无明显增长，因此铺料30cm时，宜碾压8遍。

（2）铺料35cm，压实度随碾压遍数的增加而变大，碾压4遍，不能满足设计要求，继续增加碾压遍数，碾压后6遍后，压实度满足设计要求，但接近下限，继续增加碾压遍数可提高压实效果，所以在铺料35cm的条件下，碾压遍数宜控制在8遍。

（3）铺料40cm，碾压4遍、6遍后，压实度均不满足设计要求，因此继续增加碾压遍数，碾压8遍后，可满足设计要求，但接近下限。因此铺料40cm继续增加碾压遍数。