水泥土干密度和设计要求对抗渗性的影响

水泥土配合比设计，应根据渠道特征、气候条件及所选用的土料、水泥的性质，在满足设计提出的强度、渗透系数等技术要求下，经济合理地设计和确定水泥土中水泥、土料及水的比例。

（一）影响水泥土强度、抗冻性及抗渗性的因素

1.土料

增加土中粗粒含量可提高水泥土的强度；反之，水泥土强度随着细粒土（粒径小于0.1mm）的增加而不断降低。土料中粘粒含量越多，冻后强度损失越大。例如粘土水泥土，土料中粘粒含量高达39.8%，仅经受8次冻融即无强度。粉粒含量多的水泥土，冻后强度损失也很大。例如轻粉质壤土掺20%特细沙的土料中，粉粒含量44.0%，这种土料的水泥土，25次的冻后强度损失高达63.7%。只有粘粒含量少、颗粒级配好的土料，才能配制成抗冻性能好的水泥土。

在水泥掺量和干密度相同的情况下，土料中粘土、粉粒含量高的土，其水泥土的抗渗性能好。

综上所述，土料中含有一定数量的粘粒（粒径小于0.005mm）是水泥土优越性之所在。因为在水泥掺量不多的条件下，粘粒与水泥一起固结骨架，从而使材料具有一定的初期强度，但水泥土中粘粒含量不能过多。

2.水泥掺量

影响水泥土强度最活跃的因素是水泥掺量。在土料和干密度等条件基本相同时，水泥掺量越多，水泥固结土粒的能力越强，则水泥土的抗压强度越高，二者之间近似直线关系。试验资料还表明，水泥掺量越多，抗压强度增长越快，而且强度发育过程与混凝土更相似。

如果水泥固结土料花费的代价超过水泥固结沙石料的代价，那么该工程就不宜使用水泥土。一般地说，水泥土中水泥掺量很少超过20%，否则就不够经济。

一般情况下，随着水泥掺量的增加，抗冻性能可以得到明显的改善，见表4-18。由水泥品种的特性可知，若用硅酸盐水泥，达到同样抗冻标号，水泥掺量可适当降低。但水泥掺量与水泥土抗渗性的关系不很密切。

3.干密度

干硬性水泥土未经外加功能夯压密实时，是一种处于松散状态的混合物，完全不具有强度。即便是塑性水泥土，如果不经拍抹擀压，强度也依然很低，甚至没有。可见只有将水泥土夯压密实，使土颗粒紧密连接，才能保证水泥土具备应有的强度。

表4-18　水泥掺量对水泥土抗冻性的影响

山东的试验资料表明：同样用矿渣硅酸盐水泥和轻壤土配制成的水泥土，对于水泥掺量9.1%～15.3%的水泥土，干密度每增加0.1t/m3，抗压强度就增长1.47～1.96MPa。由此可知，增加干密度可以大幅度提高水泥土的抗压强度。

提高水泥土干密度的有效措施在于提高夯压功能。因为随着功能的不断加大，在给定的土料条件下，水泥土干密度会持续地增长。但增长趋势可大致以干密度1.80t/m3为界，在干密度大于1.80t/m3时，随着挤压力的增大，干密度提高很缓慢。干密度提高一点，水泥土的抗压强度虽能增加，但付出的人力物力很大，因此不宜单纯依靠提高干密度来增加其强度。由上述可知，干密度是夯压功能、适宜含水量和土料级配三因素对水泥土抗压强度综合影响的集中体现。(www.xing528.com)

水泥土由于干密度增大，使其孔隙率降低，结冰产生的劈裂破坏力减弱，故可以明显地提高抗冻能力。干密度对水泥土抗冻性能影响的部分试验资料见表4-19。同理，由于干密度大时，水泥土的孔隙率减少，更为密实，故其渗透系数降低，其抗渗性相应得到提高。因此，为了提高水泥土防渗的效果，应保证其设计干密度。

表4-19　不同干密度的水泥土抗冻性能

（二）水泥土配合比设计

水泥土配合比设计的任务在于确定在满足前述技术要求的前提下，水泥土最少的水泥用量、最大的干密度和最优的含水量。设计的方法，主要应遵照原水电部颁布的《水泥土材料试验方法》，通过试验确定。小型工程或无条件进行试验时，亦可根据一般工程的实践经验选用。下面主要介绍经验法确定水泥土配合比的方法。

（1）水泥土的最优含水量。当土料为细粒土时，干硬性水泥土的含水量宜为12%～16%，塑性水泥土的含水量宜为25%～35%；当土料为微含细粒土砂或风化页岩渣时，塑性水泥土的含水量宜为20%～30%。

（2）水泥土水泥掺量的估算。水泥掺量通常随土料中粉粒（d=0.05～0.005mm）和粘粒（d＜0.005mm）含量的增加而加大。为使砾质土和砂土充分固结，所需的水泥量比粉土和粘土所需的要少。但也有例外，如级配很差、颗粒均一而不含粉土和粘土的土料，其水泥用量反而比略带粉土和粘土的砂土为高。

一般级配良好的碎石、砾石、粗砂或细砂，不论是否带有微量塑性粉土和粘土，其所需的水泥量不大于土料重的5%。级配不良、颗粒均一、略带非塑性粉土的沙，典型的滩沙或沙漠流砂，其所需的水泥量为土料重的9%。其余的沙土，一般为7%。无塑性或塑性中等的粘质土料水泥掺量均为10%，塑性粘土水泥掺量则在13%以上。表4-20为一些土质不同的土料和特殊土料水泥掺用量的平均值，可供参考。

表4-20　各种材料水泥掺量的平均值

（三）水泥土防渗层的厚度及结构设计

水泥土防渗层的厚度，国外一般为7.5～15cm，美国实际工程上采用的厚度为8～15cm。我国规范规定如下。

（1）水泥土防渗层的厚度，宜采用8～10cm；小型渠道不应小于5cm。

（2）水泥土预制板的尺寸，应根据制板机、压实功能、运输条件和渠道断面尺寸等因素确定，但每块板的质量不宜超过50kg。

（3）因水泥土的抗冻性较差，故对耐久性要求高的明渠水泥土防渗层，宜用塑性水泥土铺筑，表面上再用水泥砂浆、混凝土预制板、石板等材料作保护层。此种防渗层结构，水泥土的水泥掺量可以适当减少，但水泥土28d的抗压强度不应低于1.5MPa。