冬季土堤填筑自然壓密理論及提高工程質(zhì)量措施

宗兆博，臧志剛

（遼寧省水利水電科學(xué)研究院,遼寧 沈陽 110003）

繞陽河干流防洪工程是遼寧省“十五”期間河道整治的重點工程項目。該工程若于正常施工期施工，臨時道路承載力有限，施工機(jī)械行走困難，效率低下，甚至無法施工。因此，經(jīng)過技術(shù)論證和研究，不得不突破規(guī)范要求，利用冬季地表水和土壤凍結(jié)變硬的有利時機(jī)，集中大量施工機(jī)械進(jìn)行大規(guī)模冬季筑堤施工。結(jié)合繞陽河干流防洪工程冬季筑堤的施工，采用原型觀測及室內(nèi)試驗相結(jié)合的方法，在干流冬季筑堤段布置4個原型觀測斷面，經(jīng)過對土體孔隙水壓力、溫度、分層沉降，不同高程土體干密度的幾年觀測，及室內(nèi)對冬季土體壓縮、固結(jié)、滲透等物理力學(xué)試驗，并對觀測及室內(nèi)試驗結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)提出土體的固結(jié)規(guī)律。

繞陽河堤防工程的施工，絕大部分都是在原有老堤上游側(cè)進(jìn)行加高培厚。堤防的沉降量主要發(fā)生在新填土部分，老堤和堤基雖然也能產(chǎn)生一定的沉降量，但相對說應(yīng)該是較小的，可以忽略不計。

新填筑部分土體土壤含水率較高，最高可達(dá)34.4%，近于飽和。由于外界荷載影響作用很小，隨著時間的增長，干密度逐漸增大，高含水率土體孔隙中的水分被擠出、流失、蒸發(fā)，土堤堤身含水率也相應(yīng)下降，當(dāng)干密度基本穩(wěn)定或含水率接近塑限18%～21%左右，飽和度降低至80%以下，水分不能流失時就基本穩(wěn)定不變了。這一變化過程基本反映了土堤在自重應(yīng)力作用下自然壓密和固結(jié)的真實過程。

為了解土堤自然壓密條件下固結(jié)的過程，在室內(nèi)試驗室人工制樣，進(jìn)行一系列試驗。

1 土堤在自重應(yīng)力作用下的壓實

土堤為冬季填筑，解凍后的很長時間內(nèi)，除長期位于水下部分的局部堤體處于飽和狀態(tài)外，堤的絕大部分均處于非飽和狀態(tài)。非飽和土體不存在排水固結(jié)問題。因而不適于引用太沙基等的固結(jié)理論對堤的沉降和固結(jié)進(jìn)行分析研究。現(xiàn)在引用試驗室的壓縮曲線，對土堤的自然壓密過程進(jìn)行一些簡單的分析。

表1是盤山段2號土在不同垂直應(yīng)力下的孔隙比試驗結(jié)果，圖1是孔隙比與垂直應(yīng)力的關(guān)系曲線圖。

試驗按土工試驗規(guī)程進(jìn)行。初始干密度分別為 1.3，1.4，1.5，1.6g/cm3。圖 1 曲線上的任何一點，都表示對應(yīng)垂直應(yīng)力作用下所能達(dá)到的穩(wěn)定孔隙比的數(shù)值。曲線的開始部分彎曲非常大，而且初始干密度越小彎曲越大，說明初始干密度小的土樣在較小的垂直應(yīng)力下就可能獲得較大的壓實效果，使孔隙比變小，干密度增大；但隨著孔隙比的減小，壓實的難度逐漸增加，曲線越來越平緩，即使垂直應(yīng)力增大至300～400 kPa，其孔隙比的變化

表1 盤山段2號土在標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)時不同垂直應(yīng)力下的孔隙比

圖1 盤山段土料e—p關(guān)系曲線圖

也是十分微小的。

根據(jù)課題組對試驗堤段的最初檢測結(jié)果，該段土堤在解凍后的初始平均干密度為1.33 g/cm3。在圖中用內(nèi)插法可以得到干密度為1.33 g/cm3時的壓縮曲線；再從該曲線上可以查得土堤達(dá)到任意干密度（或孔隙比）時所需要的垂直應(yīng)力值。

然而土堤在自然固結(jié)過程中所需的垂直應(yīng)力是由土的自重提供的。土的自重應(yīng)力是隨土的深度而增加的，即

式中：P為自重應(yīng)力，kPa；H為上覆土層的厚度，m；γ為土的重度，kN/m3，它與土的干密度、含水率有關(guān)。當(dāng)干密度為1.33 g/cm3時，實測平均含水率為32.1%。則自然重度γ=17.6 kN/m3。

根據(jù)土的自然重度可以計算一組數(shù)據(jù)，繪于圖2中。從圖2（或從其擬合曲線方程計算中）很容易看到當(dāng)上覆土層厚度大于3.5 m時，土堤自然壓實后的干密度可以達(dá)到1.50 g/cm3以上；上覆土層為1.1～3.50 m時，土堤自然壓密后的干密度均為1.40～1.50 g/cm3；當(dāng)上覆土層厚度小1.1 m時，土堤自然壓密后的干密度為1.33～1.40 g/cm3。達(dá)不到規(guī)定的合格標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 上覆土層厚度H與干密度ρd關(guān)系曲線圖

從以上的分析中可以看出，土堤在3.5 m以下依靠自重壓力，可以使干密度達(dá)到1.50 g/cm3的合格標(biāo)準(zhǔn)，然而在3.5 m以上土體能否達(dá)到1.50 g/cm3的合格標(biāo)準(zhǔn)呢？分析認(rèn)為除自重壓力外，其他外部因素如凍融、降水、滲透、飽和、濕陷、水分的轉(zhuǎn)移和蒸發(fā)，斜坡整形碾壓，以及修筑上部砂石路面時的機(jī)械震動壓實、堤頂行車等，附加荷載均對堤體上部的壓實產(chǎn)生有利影響，將逐步提高其干密度值。

必須指出，試驗室的試驗與土堤的實際情況是存在一定差別的。第一，堤體是非均質(zhì)的，各個部位的含水率也是不均一的；第二，試驗是有側(cè)限的，但實際上靠近堤頂和邊沿的土體是無側(cè)限的。因此，此項分析結(jié)論是近似的，只能提供一個參考的標(biāo)準(zhǔn)。

2 提高工程質(zhì)量的措施

干密度、含水率的分布規(guī)律和分區(qū)填筑措施。從定期的質(zhì)檢成果中可以看到，隨著時間的增長，土堤的干密度在不斷增大，經(jīng)2～2.5年左右的自然壓密固結(jié)后，土堤的總的平均干密度可以達(dá)到設(shè)計要求的標(biāo)準(zhǔn)。但是必須注意到土堤干密度的分布是不均勻的，較大的干密度主要分布在堤的上部，而偏小的干密度則分布在堤的下部。從定期質(zhì)量自檢資料中，隨機(jī)摘錄2004年10月進(jìn)行的已經(jīng)歷時20個月的8個單元工程的檢測成果，可以清楚的發(fā)現(xiàn)這一分布規(guī)律。在取樣深度小于2 m的范圍內(nèi)，它們的平均干密度（ρd）隨取樣深度（z）的增加而減小，而平均含水率（ω）則隨取樣深度的增加而增大。

在8個單元工程質(zhì)量自檢結(jié)果中，干密度小于合格標(biāo)準(zhǔn)1.50 g/cm3的樣本,均分布在堤的內(nèi)部和取樣深度較深的部位,其中堤坡取樣深度1.4～1.5 m處的樣本全部小于1.50 g/cm3，其最大值為1.49 g/cm3，最小值為 1.45 g/cm3，平均值為 1.473 g/cm3。這些樣本均集中分布在堤的中心和基面附近。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有兩點：一是堤基部位的土是最先填筑的，這時土料料場地下水位較高，土料含水率相對較高，故這部分填土含水率會高一些；二是位于堤基和堤內(nèi)部的填土，因水分流失和蒸發(fā)的路徑較遠(yuǎn)，含水率降低較慢，而且由于每年雨季河水補給，地下水位升高和毛細(xì)管作用的影響，而使非飽和土堤下部填土的含水率不僅不會降低，反而會增高。由于含水率增高，以至于達(dá)到飽和以后，要依靠自重壓力使這部分土體繼續(xù)固結(jié)，增大干密度則是比較緩慢的。因此認(rèn)為，有必要采取適當(dāng)措施，在施工時就使這部分土體達(dá)到設(shè)計要求的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。具體辦法就是“分區(qū)填筑”，即把堤軸線兩測距基面高度約2.0 m以下的這部分堤體的填筑與其它部位的填筑區(qū)分開來，要求填筑時滿足以下幾點要求：

①盡可能選擇使用料場中含水率相對較低的土料（最好不超過最優(yōu)含水率3～4個百分點）。

②禁止填料中摻有凍土塊。

③降低每層填土的鋪土厚度（一般不要超過30～35 cm）。

④使用壓強(qiáng)較大的碾壓設(shè)備進(jìn)行碾壓。

⑤每層填土碾壓后必須進(jìn)行干密度和含水率的檢測，并力求達(dá)到設(shè)計規(guī)定的壓實標(biāo)準(zhǔn)。個別不合格的干密度值應(yīng)不低于設(shè)計密度值的96%。

進(jìn)行施工期的質(zhì)量檢測，對進(jìn)一步加強(qiáng)施工管理，提高工程質(zhì)量，掌握工程運用過程中的質(zhì)量狀況，是十分必要的。為此，必須解決施工期質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法問題。

[1]宗兆博，譚麗娥.繞陽河干流防洪工程冬季筑堤的沉降研究[J].吉林水利，2008（8）：17～19.

[2]邵靜霞，宗兆博.繞陽河干流防洪工程冬季筑堤含水率、干密度規(guī)律分析[J].吉林水利，2010（1）：41～44.