徐 鑫

（上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海市201707）

0 引言

膨脹土是一種具有特殊性質的土，在我國20多個省、市均有不同范圍的分布。膨脹土因其特性，會對建設工程產生極大危害和巨大經濟損失。對于膨脹土的工程治理，通常采用物理、化學和生物方法進行改良。本文結合引江濟淮工程江淮溝通段水泥改性土（無機化學改良）的施工質量控制經歷，從工程監(jiān)理視角對水泥改性土換填施工質量控制做簡要分析。

1 工程概況

引江濟淮工程（安徽段）江淮溝通段J009-1（河渠）標為汪前郢至東郢渠段J48+000～J52+850，輸水渠道4.85 km，設計流量290 m3/s，全線采用明渠平底開挖布置，渠道底寬60 m，底高程13.40 m，膨脹土處理渠段4.85 km，邊坡全線防護，采用摻入4%水泥的重粉質壤土（改性土）進行換填處理，河道防護段面如圖1所示，工程范圍內自由膨脹率沿里程變化如圖2所示。河渠工程邊坡坡比1∶3。膨脹土出露渠坡坡面并外伸3.0 m（水平距離），膨脹土出露渠底坡腳附近10 m（厚度1.5 m），膨脹土出露坡頂開口線以外13 m（厚度1.0 m）。

圖1 河道防護斷面圖（單位：mm）

圖2 自由膨脹率沿里程變化散點圖

2 膨脹土的定義和危害

《膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范》（GB 50112—2013）中，定義膨脹土為：土中黏粒成分主要由親水性礦物組成，同時具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的黏性土。判定是否為膨脹土主要依據(jù)為相關工程地質特征及建筑物的破壞形態(tài)，關鍵指標為“黏性土的自由膨脹率≥40%”。

膨脹土在漲縮性（遇水膨脹、失水收縮）、裂隙性及超固結性“三性”復雜的共同作用下，使得其工程性質極差。邊坡工程中，由于膨脹土的工程特性，加之環(huán)境條件的影響，極易導致地基位移，產生滑坡、溜塌、塌滑及膨脹等工程病害，致使邊坡防護功能失效。地基工程中，受漲縮特性及外界溫度變化的影響，引起基礎不均勻沉降，發(fā)生結構性破壞，導致其上建筑物傾斜、開裂，極易引發(fā)生產安全事故。

3 水泥改性土的作用機理

膨脹土中含有大量親水性強的蒙脫石、伊利石和高嶺土等活性黏土礦物，土質中含有鈣質或鐵錳質結構。蒙脫石和伊利石相比表面積更大，在低含水量時對水有巨大的吸力，使得膨脹土具有很高的膨脹潛勢。從微觀結構分析，膨脹土中的礦物成分在空間上呈現(xiàn)面與面連接的疊聚體結構形式，這種結構形式比團粒結構具有更大的吸收膨脹和失水收縮的能力。

水泥作為改性無機固化材料，通過其中硅、鋁酸鹽與膨脹土中的礦物離子發(fā)生化學交換反應、硬凝反應，破壞親水性礦物結構，降低黏土的礦物含量，產生純水化石灰等新的弱膨脹性或無膨脹性膠凝物質，提高土顆粒間的黏聚力，減少土體內部孔隙率，從而達到降低或消除膨脹土脹縮性的目的。

4 水泥改性土施工工藝流程

本工程渠道水泥改性土填筑按100 m一個單元（段）進行施工，填筑由渠道底板（平臺）向上分段分層進行施工。渠道水泥改性土填筑施工工藝流程如圖3所示。

圖3 水泥改性土施工工藝流程圖

5 水泥改性土施工工序質量控制要點

水泥改性土施工質量控制主要包括對原材料質量、水泥土制備質量以及水泥土填筑施工質量的控制。

5.1 原材料質量控制

水泥改性土的原料包含土料和水泥。

5.1.1 土料的要求包含儲備和鑒別

土料儲備應明確土料的來源和存儲量，保證連續(xù)施工。土料的選用宜就近取材，盡量減少二次倒運，可合理選用經檢測符合工程使用要求的原狀開挖土；對于原狀開挖土用作原土料的應測算方量，根據(jù)工程量的分布特點及施工條件，可采取“分段作業(yè)”施工方案；對合格原土料應根據(jù)整體施工布置安排，選擇合適的地點進行單獨儲存，明確供應工區(qū)和使用部段。土料鑒別則是開工前對擬選用的原土料依據(jù)《土工試驗規(guī)程》（SL 237）進行土工試驗，確定原狀膨脹土的取土開挖范圍、開挖條件、可開采厚度，獲取土料自由膨脹率、天然含水量、顆粒級配、黏性土的液塑限等指標數(shù)值。

本工程對渠道沿線49.5 km的膨脹土分布進行了517組室內自由膨脹率試驗，繪制出“自由膨脹率沿里程變化散點圖”（如圖2所示），得出本工程區(qū)段內原狀膨脹土的自由膨脹率均值為41.8%，根據(jù)“膨脹土的膨脹潛勢分類”標準，確定本工程區(qū)段內的原狀膨脹土屬弱膨脹土，并同步確定本區(qū)段⑤層重粉質壤土、粉質黏土作為水泥改性土換填土料，該部位土料自由膨脹率48%，試驗確定4%水泥參量改性土最優(yōu)含水率為17.4%，最大干密度1.75 g/cm3，并測定了水泥改性土水泥劑量標準曲線。本工程改性土總方量根據(jù)測算需120萬m3，根據(jù)施工布置方案，劃分為6個工區(qū)，6處堆土場，3個拌合站，改性土供料、拌和生產強度滿足后續(xù)填筑施工要求。

5.1.2 水泥的要求包括水利品種和特性指標

根據(jù)設計要求，不應選用早強水泥，而應選用初凝時間長的水泥作為改性固化材料，以便于后期的拌合和壓實工序施工。水泥的采購、運輸及貯存滿足質量保證要求。本工程選用巢湖海螺牌P.O42.5的普通硅酸鹽水泥，在3個拌合站各配置了2個100 t的水泥貯存罐體。

5.2 水泥土制備質量控制

水泥土制備包含曬土、碎土、拌和、運輸?shù)仁┕すば颉?/p>

5.2.1 土料翻曬

開挖出的原狀膨脹土含水率一般較高，不能直接作為拌合用土料，且原狀膨脹土黏粒含量高，粒徑較大，后續(xù)破碎工序的破碎效果不佳，即需對原土料進行初碎。本工程開挖出的原土料天然含水率平均值為25%左右，控制拌合用土料的含水率在18%以內。在布置的存土翻曬區(qū)內，采用推土機進行攤鋪，采用旋耕機對原土料進行翻曬和初碎。試驗檢測土料翻曬至含水率接近最優(yōu)含水率時，采用裝載機進行打堆和回收。

5.2.2 土料破碎

為使土料能和水利固化料充分拌合，達到最佳效果，需要對土料進行破碎處理，設計及規(guī)范要求土料最大粒徑≤10 cm，5～10 cm粒徑含量≤5%，1～5 cm粒徑含量≤40%。采用碎土機對土料進行破碎處理，采用篩分法檢測碎土粒徑。本工程將土料場翻曬好的土料采用2 m3挖掘機裝20～25 t自卸汽車，運至改性土拌和站碎土機旁就近堆放。土料破碎時，用3 m3裝載機上料到碎土機料倉，采用碎土機對土料進行破碎。當改性土生產時，破碎土料皮帶機直接送入改性土拌和站料倉進行拌和，不生產改性土時，破碎土料堆放于料場內，加以覆蓋，做好防雨、防霜等措施。

5.2.3 水泥土拌合

拌合均勻性是拌合工序的質量控制指標，可用水泥含量標準差進行控制，改性土中水泥含量標準差≤0.8，采用室內EDTA滴定法測定水泥含量，平均值不得小于設計摻量。采用廠拌法施工的，應對拌合的水泥改性土進行試驗，以此確定拌合機的運行控制參數(shù)。水泥改性土的含水量應控制在最佳含水率的±2%范圍內，必要情況下在廠拌設備拌和時將水成霧狀均勻噴入改良土中拌和均勻。本工程采用廠拌法施工，使用WCB600型穩(wěn)定土拌合機。穩(wěn)定土拌合機由集料、計量傳送、拌制、水泥罐體四部分系統(tǒng)組成。集料斗下部裝有電子計量系統(tǒng)，通過控制液壓斗門啟閉來確定土料重量，土料經皮帶機傳送至拌合機內。拌合時，系統(tǒng)自動控制水泥、水添加。完成拌制后，經皮帶機卸料。為保證土料質量，集料斗上口加工成帶坡度的型式，并在上口設置篩網，每個小網格邊長小于10 cm,以過濾掉粒徑不合格的土料。充分拌合時間不少于2 min。施工初期按≤600 m3每一批次進行改性土抽樣，抽樣數(shù)量區(qū)間為5～10個樣（樣品重量≥300 g每個），施工中、后期適當減少檢測頻次。

5.2.4 水泥土運輸

拌和合格的水利改性土，考慮水泥強度作用的時間變化，應及時運輸至現(xiàn)場進行填筑施工。從加水拌合到完成碾壓的時間周期，不宜超過4 h。本工程廠拌合格的水泥改性土由20～25 t自卸汽車在拌合站出料口直接裝料，徑直運輸至施工現(xiàn)場進行換填作業(yè)。

5.3 水泥土填筑質量控制

水泥土填筑施工包含測量放樣、清基、攤鋪、碾壓、結合面處理等工序。填筑前應進行碾壓工藝試驗。

5.3.1 現(xiàn)場碾壓工藝試驗

正式填筑施工前，應進行現(xiàn)場碾壓工藝試驗，核查改性土壓實后的干密度、壓實度等是否達到設計指標；檢查檢驗壓實機、拌合機的性能是否滿足施工要求；確定合理的施工碾壓參數(shù)，包含鋪土厚度、碾壓遍數(shù)、行進速度等；根據(jù)碾壓試驗調整求取最大干密度、最優(yōu)含水率等控制性指標。同時，根據(jù)試驗研究完善水泥改性土換填施工的工藝方法和施工措施。本工程水泥改性土換填設計壓實度≤0.96（輕型），擊實標準按《土工試驗規(guī)程》（SL 237）中擊實試驗執(zhí)行。水泥改性土含水率控制在最優(yōu)含水率的+1%～+3%之間。根據(jù)換填土料試驗結果和水泥改性土碾壓試驗調整的壓實干密度為1.75 g/cm3。

5.3.2 測量放樣

嚴格按照設計圖紙放樣，做好邊樁、填土高度、邊坡坡比等控制。放樣測點相對限值誤差應符合規(guī)范和設計要求。本工程采用全站儀進行測量放線，放線內容主要包括控制點的設置、渠道軸線及平面位置放樣、高程的控制。渠道斷面放樣、填筑輪廓間隔一定距離設立樣架，樣架設立是考慮了超填因素。

5.3.3 渠基清基

填筑施工前，應確保渠基基面清潔、干燥，無雜物、浮土，且無明顯凹凸，同步做好降、排水和邊坡防護。本工程按照設計圖紙進行邊坡開挖，清除了坡面及河底浮土，對地表積水進行了抽排，并對基層進行了平整、夯實處理，確保地表面不平整度不超過±5 cm。

5.3.4 改性土攤鋪

選擇適宜的鋪土方法和推土機械，控制鋪土厚度（可采用鋼筋釬插扎方法）、松鋪厚度（根據(jù)碾壓工藝試驗確定）及攤鋪表面平整度（不超過±5 cm）；做好超填部分的邊坡防護（超填寬度、坡比等）；每層攤鋪平整后的高程、邊線控制以及已完工程應對天氣變化的保證措施落實。本工程采用進占法鋪土上料，使用SD16推土機進行攤鋪作業(yè)，平地機平整，人工局部補料平整。虛鋪厚度35 cm，允許偏差為-5～0 cm，壓實厚度25 cm，采用鋼筋釬插扎方法控制鋪土厚度。超填部分頂部寬度≥30 cm，坡比1∶1.5，邊坡開挖成小臺階狀，臺階高度25 cm。

5.3.5 改性土碾壓

根據(jù)碾壓工藝試驗確定碾壓參數(shù)，嚴格控制碾壓遍數(shù)、行進速度、壓實順序、碾壓搭接寬度以及現(xiàn)場環(huán)刀檢測計算的含水率、干密度和壓實度指標。本工程鋪土完成后采用光面壓路機按進退錯距法于渠道方向靜壓2遍、振壓6遍，行車速度2～3 km/h，開始碾壓是采用慢速。壓實順序先兩側后中間，相鄰碾跡的搭接寬度不小于1/10碾寬，對于邊角部位、接頭處采用打夯機夯實，做到了無漏角、無死角，確保了碾壓均勻。碾壓過程中根據(jù)天氣和層面干燥情況，進行了灑水濕潤處理，以確保含水率在在最優(yōu)含水率的+1%～+3%之間。碾壓完成后，在作業(yè)面上采用100 cm3環(huán)刀均勻取樣，每層取樣數(shù)量為100～200 m3每點，共取3點，通過室內土工試驗測定含水率并計算干密度及壓實度。壓實度檢測合格后進行下一層改性土填筑施工。

5.3.6 結合面處理

為保證各土層間結合質量，在各層碾壓完成并檢驗合格后，應對填筑表面進行刨毛處理，并通過適當灑水濕潤，使含水率控制在規(guī)定范圍內。本工程上下層結合面采用刨毛機進行了刨毛處理，刨毛深度10～20 mm，并對下層填筑表面進行了保潔清理，為上層改性土填筑提供了合格基礎面。

5.4 水泥土維護養(yǎng)生質量控制

水泥土填筑施工完成后應及時進行灑水養(yǎng)生，或在填料表面覆蓋土工膜或塑料薄膜養(yǎng)生，防止水泥土表面開裂，影響施工質量。每層填筑施工間隔宜＜6 h，如填筑施工因故中斷，應做好填筑面和基礎面的保濕處理。本工程填筑施工分多層進行，不需單獨進行養(yǎng)生維護，用上層填筑的水泥土對下層進行養(yǎng)生維護。全部填筑施工完成并檢測合格后，配備了專用灑水車，采用霧化噴灑方式，進行補水養(yǎng)生，養(yǎng)生周期為7 d。

6 結 語

通過認識膨脹土的危害、作用機理以及引江濟淮工程江淮溝通段J009-1（河渠）標膨脹土成功治理的經驗，從各工序施工質量控制角度出發(fā)，明確質量控制要點，對應施工各項控制指標，對專業(yè)監(jiān)理人掌握膨脹土治理方法、明確過程質量控制要點、提升管控服務能力將起到很好的促進作用。