杜建伟，王连超

（河南省河川工程监理有限公司，河南 郑州450000）

1 水泥改良膨胀土机理

当水泥掺入到膨胀土中后，会引起水泥的水解和水化反应，产生水泥水化物。一部分水泥水化物与黏土颗粒发生相互作用，水泥水化物中的氢氧化钙又与二氧化碳发生碳化作用。经过这些反应与相互作用后，改变膨胀土的原有性质。

2 水泥改性膨胀土力学性能研究

2.1 计算原理

通过计算软件FLAC3D对鲁山南1段膨胀土进行抗压强度力学性能试验的数值模拟研究，研究水泥改性对抑制膨胀土强度软化模量减小的效果。

2.2 计算模型及参数

本次实验的模型几何尺寸高为4 m，直径为2 m（见图1）。计算过程中，采用在顶面和底面进行位移加载，大小为0.25 m，即相当于对于试样整体施加6.25%的轴向应变。

图1 圆柱体试样模型

本段膨胀土岩性主要为粉质粘土，褐黄色、灰黄色，呈可塑～硬塑状，局部微裂隙发育，裂隙中见少量灰白色泥质充填，膨胀土中粘土矿物除局部以绿泥石、伊利石为主外，多数由伊利石和蒙脱石组成，参考室内试验结果，本次计算中膨胀土的物理力学指标见表1。

表1 膨胀土的物理力学参数

将表1参数输入FLAC3D软件中，可得出剪切应变、位移等结果。

2.3 模拟结果

2.3.1 原状土分析结果

从图2可以看出，原状土试样外表面形成了明显塑性区，试样两侧中部位置塑性变形最大，表明试样发生了破坏。原状土试样的侧向位移、变形见图3和图4，由图可知，试样在荷载作用下产生了明显的鼓胀变形。

图2 原状土塑性剪切应变

图3 原状土侧向位移

图4 原状土变形图

2.3.2 水泥改性膨胀土分析结果

从图5可以看出，随着水泥掺量的增加改性土试样的塑性区域逐渐缩小，2%水泥掺量改性土试样的整体强度有所提高，试样内部产生了较为明显的斜向剪切带，表明试样的破坏模式为整体性破坏；4%水泥掺量改性土和6%水泥掺量时试样的受力条件明显改善，试样内部产生了一定的剪切应力集中，由图6、图7可以看出，两种的侧向位移和变形形态差别不大。

图5 试样的等效塑性应变

图6 试样的X方向位移场

图7 试样的变形图

图8 ～图11为试样轴向应力-轴向位移曲线。从图可以看出，随水泥的掺量的增加，改性土的变形模量明显增加，相同荷载水平作用下试样的变形量明显减小，表明掺入水泥后能够抑制膨胀土的强度软化。当水泥掺量超过4%时，对试样强度的提高不明显，从经济角度考虑，建议膨胀土水泥掺量控制在4%左右。

图8 轴向应力-轴向位移曲线（原状土）

图9 轴向应力-轴向位移曲线（2%水泥改性土）

图10 轴向应力-轴向位移曲线（4%水泥改性土）

图11 轴向应力-轴向位移曲线（6%水泥改性土）

3 水泥改性土的力学性能及最优掺量室内试验

随着对膨胀土认识的不断加深，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。因此，本节主要基于膨胀土特性试验研究和实际工程情况研究不同膨胀率的膨胀土改良后达到的物理力学性能指标，确定改性土的水泥掺量。

3.1 改性土料天然状态下物性试验

3.1.1 土料化学成分测试与分析

根据土料场的特性粉质粘土：pH值呈中性，有机质含量0.19%～0.81%，易溶盐含量0.156 g/kg～0.32 g/kg，烧失量7.62%～9.82%。矿物成分主要是粘土矿物和石英，粘土矿物以蒙脱石为主，少量伊利石、高岭石。

粉质壤土：pH值呈中性，有机质含量0.70%，易溶盐含量0.192 g/kg，烧失量5.14%。矿物成分主要是粘土矿物和石英，粘土矿物以蒙脱石为主，少量伊利石、高岭石。

3.1.2 土料天然状态下的物性指标

料场土料天然状态下的物性指标及土料击实及击实后物理力学试验成果见表2、表3。

表2 料场土料天然状态下的物性指标

表3 土料击实及击实后物理力学试验成果

根据表2所列料场土料天然状态下的物性指标可以看出，土料除局部具弱膨胀性外，总体不具膨胀性。

3.1.3 土料质量评价

按照《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》（SL 251-2000）均质土坝质量技术要求，对土料场质量进行综合评价，粉质粘土的粘粒含量、塑性指数和天然含水率偏高，其它指标满足质量技术要求，自由膨胀率20%～57%，平均值37%，大于40%的组数占总组数的24%，土料总体不具膨胀性，仅局部具弱膨胀性。粉质壤土的天然含水率偏高，其它指标满足质量技术要求，自由膨胀率11%～40%，平均值24%，土料不具膨胀性。

3.2 不同掺量水泥改性土力学性能试验

3.2.1 试验设计

①试验点分布

按《南水北调中线一期工程总干渠渠道水泥改性土施工技术规定》（试行）（NSBD-ZGJ-1-37）的规定，天然土料的自由膨胀率确定应在开采区按控制范围不大于100 m×100 m，取样点不少于9个进行检测。当土层厚度大于2 m时，在距开采顶、底0.3 m处及其间等距离多点（高差不大于1 m）采样等体积混合进行自由膨胀率检测。

②试验方案

根据《南水北调中线一期工程总干渠渠道水泥改性土施工技术规定》（试行）（NSBD-ZGJ-1-37）中要求，当原土自由膨胀率在40%～45%之间时，推荐水泥掺量4%，最小水泥掺量3%。故本次现场试验方案水泥掺量按照表4进行控制，拟定水泥掺量为3%和4%，再进行28 d自由膨胀率、标准击实最大干密度和28 d饱和无侧限抗压强度试验。

表4 不同水泥掺量膨胀土试验方案及控制指标

3.2.2 试验结果

本次试验结果，掺入4%水泥时，28 d自由膨胀率均在25%以下；掺入3%水泥时，28 d自由膨胀率在26%～34%，高于规范中的控制值25.2%。

此外，掺入4%水泥时，标准击实最大干密度为1.72 kg/m3～1.74 kg/m3，28 d 饱和无侧限抗压强度为 319 kPa～478 kPa，均能满足规范要求。掺3%水泥的改性土，28 d自由膨胀率和无侧限抗压强度部分不能满足规范要求。

因此根据NSBD-ZGJ-1-37的规定，当采用白庙土料场该区域土料进行改性施工时，水泥掺量应控制在4%。

3.3 水泥改性土的力学性能及最优掺量现场试验

3.3.1 试验方案

选择总干渠3#营地内作为本次碾压试验的试验场地（30 m×20 m）。铺筑厚度分0.30 m、0.35 m、0.40 m填筑三层，每一层采用20 t振动碾碾压，行走速度采用1档，速度为2 m/h～3 m/h，试验碾压遍数为4遍、6遍、8遍（来回为2遍，铺土后先静碾碾压2遍，弱振2遍，其中碾压遍数2遍的为弱振，下同）。

3.3.2 试验内容

碾压后的干容重等，每层碾压4遍、6遍、8遍各取4个样，共90个样。测定碾压6遍和8遍后的干容重，并通过以下公式进行复核：

式中：γR表示现场碾压完后取样的干密度;β为设计根据工程需要确定的改性土压实度（＞98%）；γs标准击实试验最大干密度；γ6最优含水量下20 t凸块振动碾振动碾压6遍对应的干密度。

3.3.3 试验方法

每个试验小块按试验要求铺土、平整、碾压，当碾压进行完后进行取样，做密度试验，碾压每增加2遍，各试验块取样一次，每个试验块每次取样4个，采用环刀法取样，测定干密度和含水率，干密度与碾压遍数的关系见图12；并测定压实后土层厚度，观察压实土层底部有无虚土层、上下层面结合是否良好、有无光面及剪力破坏等，并做出详尽的记录。

3.4 现场试验成果

3.4.1 总体趋势

铺料30 cm，压实度随碾压遍数的增加而增大，从碾压4遍到碾压6遍，增长较明显，从碾压6遍到碾压8遍，无明显增长。由此可见，铺料30 cm，碾压6遍后，继续增加碾压遍数已无明显压实效果，所以在铺料厚度30 cm的条件下，碾压遍数宜控制在6遍。铺料35 cm，压实度随碾压遍数的增加而变大（图13），碾压6遍后可满足压实度要求，继续增加碾压遍数可提高压实效果，所以在铺料35 cm的条件下，碾压遍数宜控制在8遍。铺料40 cm，碾压8遍后，压实度可满足压实度要求，继续增加碾压遍数可提高压实效果。

图12 干密度与碾压遍数的关系曲线图

图13 压实度与碾压遍数的关系曲线图

（1）铺料30 cm

成果分析：铺料30 cm，碾压4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30 cm时，宜碾压6遍。

（2）铺料35 cm

成果分析：铺料35 cm，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，因此铺料35 cm时，宜碾压8遍。

（3）铺料40 cm

成果分析：铺料40 cm，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40 cm继续增加碾压遍数。

3.4.2 最优参数的确定

通过现场试验的对比，得出掺4%水泥的改性土，铺料厚度35 cm，碾压8遍，相对最优，相关施工参数见表5。

表5 掺4%水泥改性土拟定施工参数

4 结论

（1）数值模拟结果表明，随着水泥掺量的增加改性土试样的塑性区域逐渐缩小，4%水泥掺量改性土和6%水泥掺量时试样的受力条件明显改善，试样内部产生了一定的剪切应力集中；建议膨胀土水泥掺量控制在4%左右。

（2）室内试验的研究结果表明，掺入4%水泥时28 d自由膨胀率均在25%以下；标准击实最大干密度为1.72 kg/m3～1.74 kg/m3，28 d 饱和无侧限抗压强度为 319 kPa～478 kPa，均能满足规范要求。根据NSBD-ZGJ-1-37的规定，当采用白庙土料场该区域土料进行改性施工时，水泥掺量应控制在4%。

（3）通过现场试验研究，得出掺4%水泥的改性土，铺料厚度35 cm，碾压8遍，相对最优，并提出了相应的施工参数及注意事项。