水泥改性土削坡弃料利用问题研究

张恒晟,龚壁曹新建,王 卫,胡 波

(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010，2.安徽省引江济淮集团有限公司，合肥 230000)

1 研究背景

膨胀土在我国分布广泛，是一种具有强亲水性、高塑性以及剧烈胀缩性的高塑性黏土，在膨胀土地区开展工程建设，将面临建筑开裂、地基变形、边坡失稳等潜在风险，工程危害极大。对此，程展林等[1]提出应针对膨胀土的两类破坏机理，即对“膨胀变形作用下的浅层破坏”采用换填非膨胀土等压重处理的措施；对“裂隙强度控制的整体破坏”应采用抗滑桩、锚等支挡措施。由于膨胀土地区大多难以获得符合填筑条件的优质非膨胀土，因此，采用膨胀土经水泥改性作为换填土料，成为膨胀土地区渠道或边坡施工常用的处理方案之一。

南水北调中线工程总干渠全长1 427.17 km，干渠沿线经过膨胀土(岩)、黄土、易振动液化砂土等特殊土(岩)地区，工程地质条件复杂。其中，总干渠明渠段渠坡或渠底涉及膨胀土(岩)累计长度340余km。考虑到膨胀土地段沿线无合格换填土料的因素，设计提出了换填水泥改性土的处理措施，涉及地段包括河南南阳、新乡、安阳等地，水泥改性土施工方量达3 000余万m3。

在膨胀土渠道边坡换填处理施工过程中，通常先采用机械开挖的方式达到预定开挖深度，然后分层填筑换填土料，再经碾压达到设计密度要求。施工过程中，经多次分层填筑碾压的坡面会形成多级台阶，然后采用全断面机械削坡的方式达到设计坡比[2-3]。削坡后会产生大量的水泥改性土弃料(以下简称削坡弃料)，若直接丢弃既造成一定的浪费又大量占地。超填水泥改性土削坡后的土料能否作为换填土料再次利用是值得研究的问题。

有关削坡弃料的利用问题，以往研究成果不多。刘鸣等[4-5]从掺拌方法和施工工艺角度出发，对水泥改性土闷料时间进行研究，得出合理的闷料时间，防止改性土料砂化和含水率损失。李佳良等[6]对削坡弃料进行压实性能研究，并提出3种二次改良的方法，为削坡弃料的二次利用提供了参考。明经平等[7]针对引江济淮段膨胀土渠道边坡换填余料二次利用问题进行了研究，但仍未解答水泥改性土换填余料能否二次利用的问题。张胜明等[8]对弱膨胀水泥改性土削坡弃料进行碾压试验，证明弱膨胀水泥改性土可以二次利用，但未从强度特性、渗透特性等方面进行研究。

本文总结归纳了长江科学院在南水北调中线工程南阳膨胀土段所取得的水泥改性土削坡弃料研究成果，全面分析削坡弃料的压实特性、变形性能、膨胀性、强度特性以及渗透性等，研究成果为南水北调中线工程膨胀土渠段改性土的施工提供了技术支撑。

2 试验方案

水泥改性土削坡弃料能否作为合格的填筑材料再次利用，其控制性指标主要是膨胀性相关的指标，如自由膨胀率<40%等。此外，土料的压缩性、渗透性和抗剪强度等指标也要与一般黏性土相当。对此，本文的试验研究围绕削坡弃料重塑样的膨胀性、压实与变形特性、强度特性以及渗透性等开展工作。表1为现场取得的各类土样的基本物理指标。

表1 土的基本物理指标Table 1 Basic physical indicators of soil specimens

由于现场填筑时的水泥改性土尚需要一定龄期才能达到改性效果，而削坡弃料在水泥改性土经过碾压、固结后再削坡处理，所掺水泥与土料已充分结合并发生反应，其特性已经发生了改变。为此，需要对新鲜掺拌水泥改性土(以下简称新拌改性土)和改性土削坡料的相关性能进行对比分析，试验方案如下。

(1)削坡弃料的压实性能。为了研究削坡弃料的压实特性，对新拌改性土和削坡弃料进行对比试验。将从施工现场取回的中膨胀土和弱膨胀土，分别按照6%水泥掺量和3%水泥掺量在室内制备水泥改性土土样，同时将从现场取回的削坡弃料粉碎，对新拌改性土样和削坡弃料分别进行室内击实试验。

(2)削坡弃料的压缩变形和胀缩特性。从现场取回的削坡弃料粉碎后，弱膨胀改性土按照25.0%的含水率、100%的压实度制备重塑样，中膨胀改性土按照26.7%的含水率、100%的压实度制备重塑样，依据土工试验规程，分别进行压缩试验、有荷膨胀率试验(最大压力50 kPa)和收缩试验来获得削坡弃料压缩变形和胀缩特性。

(3)削坡弃料的强度特性。为了研究削坡弃料的强度特性，对新拌改性土、改性土现场原状样以及削坡弃料分别进行无侧限抗压强度试验。将从现场取回的削坡弃料进行粉碎后，分别按照96%压实度、100%压实度以及天然含水率状态、饱和含水率状态制备重塑土样，进行无侧限抗压强度试验；在室内按照中膨胀土掺6%水泥、93%的压实度，弱膨胀土掺3%水泥、95%压实度制备饱和土样，养护28 d后进行无侧限抗压强度试验；对从现场取回的原状样，进行无侧限抗压强度试验。

为了研究削坡弃料的抗剪强度，分别对弱膨胀水泥改性土削坡弃料重塑样和中膨胀水泥改性土削坡弃料重塑样进行三轴固结不排水(CU)试验，弱膨胀水泥改性土削坡弃料按照25%的含水率、100%压实度制备重塑样，中膨胀改性土削坡弃料按照26.7%的含水率、100%压实度制备重塑土样；试验围压分别为50、100、150、200 kPa。

(4)削坡弃料的渗透特性。重点研究了弱膨胀土改性后削坡弃料的渗透特性。按照弱膨胀改性土削坡弃料25%的含水率、100%压实度要求，制备削坡弃料的重塑样，依据土工试验规程，进行变水头渗透试验。

3 水泥改性土削坡弃料压实及变形特性

3.1 压实特性

新拌改性土和削坡弃料土样的击实试验成果见图1、表2所示。试验成果表明，与室内新拌改性土的压实性能相比，削坡弃料的最优含水率更大，而最大干密度更小。从土样的压实特性上讲，随着龄期的增长，要达到相同的干密度，则所需的压实功将更大，填料更难压密。

图1 削坡弃料干密度与含水率关系曲线Fig.1 Relation between dry density and moisture content of slope-cutting discards

表2 击实试验成果Table 2 Results of compaction test

3.2 压缩变形

弱膨胀土和中膨胀土改性前属于高、中压缩性土，掺加3%和6%水泥改性后，其压缩系数均<0.1 MPa-1，为低压缩性土[1]。削坡弃料压缩变形试验成果见表3、图2所示。试验结果表明，削坡弃料重塑样的压缩系数均<0.1 MPa-1，与改性土相比，未发生明显变化；弱膨胀水泥改性土削坡弃料重塑样和中膨胀水泥改性土削坡弃料重塑样的天然含水率以及饱和含水率所对应的孔隙比均随压力的增大而减小。

表3 削坡弃料压缩试验成果Table 3 Results of compression test of soil-cutting discards

图2 膨胀改性土削坡弃料孔隙比与压力的关系曲线Fig.2 Relation between pore ratio and pressure of expansive modified slope-cutting discards

4 水泥改性土削坡弃料胀缩性

4.1 有荷膨胀率试验

水泥改性土养护28 d后，弱膨胀水泥改性土(掺3%水泥)和中膨胀改性土(掺6%水泥)的有荷膨胀率接近于0，较素土的有荷膨胀率已明显减小[9]。削坡弃料有荷膨胀率试验成果见表4、图3所示。分析试验结果可得，削坡弃料的膨胀率随上覆压力的增大而减小，弱膨胀改性土削坡弃料膨胀率随上覆压力的增加变化更为明显；削坡弃料的膨胀率均<1%，略高于水泥改性土(养护28 d)，但较素土的有荷膨胀率已明显减小。

表4 削坡弃料有荷膨胀率试验成果Table 4 Test result of expansive rate of slope-cutting discards under loading action

图3 膨胀改性土削坡弃料膨胀率与压力的关系曲线Fig.3 Relation between expansive rate and pressure of expansive modified slope-cutting discards

4.2 收缩特性

削坡弃料的收缩试验成果见表5、图4所示。分析试验结果发现，弱膨胀水泥改性土削坡弃料和中膨胀水泥改性土削坡弃料的线缩率均小于室内素土的线缩率(弱膨胀素土为3.6%，中膨胀素土为5.0%)；弱膨胀水泥改性土削坡弃料的线收缩率由素土的3.6%降低到2.43%，中膨胀水泥改性土削坡弃料的线收缩率由素土的5%降低到1.45%，两者相比，中膨胀水泥改性土削坡弃料的线缩率变化更为明显。

表5 削坡弃料击实样收缩试验成果Table 5 Test results of shrinkage of compacted slope-cutting discards

图4 膨胀改性土削坡弃料线缩率与含水率的关系曲线Fig.4 Relation between linear shrinkage and moisture content of expansive modified slope-cutting discards

分析削坡弃料线缩率与含水率的关系曲线，线缩率随含水率的增加而减小，弱膨胀改性土削坡弃料线缩率受含水率变化的影响更明显。

弱膨胀水泥改性土削坡弃料的收缩系数为0.186，中膨胀水泥改性土削坡弃料的收缩系数为0.118，其收缩系数与素土(素土收缩系数为0.39～0.42)相比较明显减小。

5 水泥改性土削坡弃料强度特性

5.1 无侧限抗压强度

对削坡弃料重塑样进行无侧限抗压强度试验，表6为再重塑样无侧限抗压强度试验成果。表7为原室内配比试验28 d龄期和本次现场原状样的无侧限抗压强度试验成果。

表6 削坡弃料无侧限抗压强度试验成果Table 6 Test results of unconfined compressive strength of slope-cutting discards

表7 室内配比和现场原状样无侧限抗压强度试验成果Table 7 Test results of unconfined compressive strength of indoor-prepared specimens and site material

依据试验结果，96%压实度的削坡弃料的无侧限抗压强度明显低于100%压实度的削坡弃料；在饱和状态、压实度相近的情况下，膨胀土削坡弃料的无侧限抗压强度显著低于室内配比试验和现场原状样强度，说明再重塑样的力学强度特性远低于原配比试样。

5.2 三轴压缩强度

弱膨胀水泥改性土(水泥掺量3%)养护28 d后c为104.5 kPa、内摩擦角φ为20.1°；中膨胀水泥改性土(水泥掺量6%)养护28 d后c为40.8 kPa、φ为23.2°[10]。对弱膨胀水泥改性土削坡弃料和中膨胀水泥改性土削坡弃料重塑样进行三轴CU试验，再重塑样三轴试验成果见表8、图5所示。

表8 削坡弃料三轴CU试验成果Table 8 Results of triaxial consolidated undrained test on slope-cutting discards

图5 弱膨胀和中膨胀改性土削坡弃料三轴CU试验结果Fig.5 Failure patterns of weakly and moderately expansive modified slope-cutting discards under triaxial consolidated undrained test

对比发现，削坡弃料的三轴试验强度指标未发生明显变化。从应力-应变关系上看，在低应力状态(≤200 kPa)下，削坡弃料呈轻微应变软化型，削坡弃料破坏应变为2%～5%；削坡弃料的峰值强度、破坏应变均随围压的增大而增大，削坡弃料的强度增长速率随围压的增大而增大，峰值强度的提高较为明显；在压实度相同、含水率接近的情况下，50 kPa围压时弱膨胀改性土的破坏应力明显高于中膨胀改性土，但随着围压的增大，这种差别逐渐减小，到200 kPa围压时，破坏应力接近一致。从试验原理上讲，三轴试验方法更接近真实的受力状况，而无侧限抗压强度试验方法则一般适用于软黏土。

6 水泥改性土削坡弃料渗透特性

弱膨胀水泥改性土的削坡弃料变水头渗透试验成果见表9所示。试验成果表明，弱膨胀改性土削坡弃料的渗透系数较小，为10-8cm/s数量级，较现场改性试验的渗透系数(10-7cm/s数量级)小，说明经过填筑施工以后的削坡弃料仍有较好的防渗性能。

表9 削坡弃料渗透试验成果Table 9 Permeability test results of slope-cutting discards

7 结 语

为解决南水北调中线工程水泥改性膨胀土削坡弃料能否二次利用的问题，通过现场取样、室内试验，研究了现场水泥改性土削坡弃料的基本特性。主要研究成果如下：

(1)削坡弃料压实及变形特性。根据文献[1]水泥改性土为低压缩性土，削坡弃料仍为低压缩性土，显示出较好的填筑性能；对比新鲜掺拌水泥改性土，由于水泥的固化作用，削坡弃料再填筑时的最优含水率更大，最大干密度变小，需要更大的压实功能才能达到最优的压实效果。

(2)水泥土改性土削坡弃料胀缩特性。通过有荷膨胀率试验，水泥土改性土削坡弃料重塑样的膨胀性略高于养护28 d后的新拌改性土，但与素土(原膨胀土料，下同)的有荷膨胀率相比已显著减小。在收缩性上，削坡弃料的线缩率小于室内素土，收缩系数也比素土小得多。

(3)水泥土改性土削坡弃料强度特性。根据三轴强度试验成果，削坡弃料再重塑样强度指标与新拌改性土相差不大，削坡弃料可以作为填筑材料继续使用。

(4)水泥土改性土削坡弃料渗透特性。试验成果表明，弱膨胀改性土削坡弃料的渗透系数与新拌改性土、黏性土填料渗透性相当，削坡弃料仍具有较好的防渗性能。

综上所述，水泥改性土削坡弃料的膨胀性、物理特性和强度及变形性能均满足填筑土料要求，仅需要更大的压实功即能达到预期的效果，水泥改性土削坡弃料可以作为改性填料再次使用。