南水北調東線一期工程江蘇省境內膨脹土特征及改良

王振友, 宋意勤, 凌曉梅, 鄧社根

(江蘇省工程勘測研究院有限責任公司,江蘇 揚州 225002)

南水北調東線一期工程江蘇省境內膨脹土特征及改良

王振友, 宋意勤, 凌曉梅, 鄧社根

(江蘇省工程勘測研究院有限責任公司,江蘇 揚州 225002)

以南水北調東線一期江蘇境內工程場地膨脹土為研究對象,通過試驗數據收集、分析,得出沿線調水泵站地基原狀土、堆棄土、壓實填土物理性質、礦物組成和膨脹性特征;結合室內試驗,模擬施工條件進行膨脹土改良“大型”試驗研究,對比石灰和石灰+水泥為改良劑及不同摻入率時改良土膨脹性、力學強度、滲透性的變化規律,提出膨脹土改良應用建議,為南水北調東線二期江蘇境內工程建設積累經驗。

膨脹土;“大型”改良試驗;改良劑量

南水北調東線一期工程江蘇省境包括17個泵站樞紐、7條河道和水資源調整補償、沿運涵閘漏水處理工程等項目。主要樞紐、河道分布情況見圖 1。

圖 1 江蘇境內主要泵站、河道工程位置示意圖Fig.1 Sketch map of major projects in Jiangsu

江蘇省的膨脹土分布在蘇北的徐州、宿遷和淮安以及蘇南的蘇州,特別是淮安有大面積的膨脹土分布[1]。南水北調東線一期工程江蘇境內泵站、河道工程穿越徐州、宿遷和淮安等地,膨脹土是實際面對和需要徹底解決的工程問題。

1 東線一期工程膨脹土特征

地質勘察發現一期工程多個泵站場地有膨脹土分布,其中尤以洪澤站、劉老澗站、睢寧二站、解臺站等樞紐膨脹土問題突出。工程建設需要解決:①膨脹土層作為泵站基礎持力層,在泵站施工、運行中是否產生不均勻脹縮變形而導致泵站建筑物破壞？②泵站翼墻墻后需要大量回填土,場地附近無合適土方,而泵站基槽開挖出數萬方膨脹土不適合作填土料,若作棄土堆放又需要占用耕地。

一期工程建設成功解決了上述問題。分析總結一期工程代表性泵站膨脹土特征、工程影響和改良運用情況,可以為南水北調二期工程建設提供經驗參考,有一定的實用價值。

1.1 各站膨脹土原狀樣物理性質指標

各站主要地基土層物理性質指標和膨脹性試驗[2]成果見表 1。

1.2 各站膨脹土原狀樣膨脹性指標

收集各站場地地基土層膨脹性試驗指標見表 2。

1.3 開挖堆置膨脹土物理力學、膨脹性指標

根據工程建設需要,對1996年完成的劉老澗一站基槽開挖土進行了試驗研究。劉老澗一站建設過程中開挖土也以②1、②2、③1層為主,因具膨脹性堆棄于工

表1 各站主要地基土層物理性質指標

表2 各站主要地基土層膨脹性試驗成果

程場地附近。自一站建成至2008年二站工程地質勘察,已堆置12年有余,其物理力學指標及膨脹性試驗成果見表3、表4。

表3 劉老澗一站開挖堆置土物理性質指標

表4 劉老澗一站開挖堆置土膨脹性試驗指標

2 部分站膨脹土礦物組成研究

2.1 洪澤站東膨脹土X射線衍射分析

自洪澤站東場地鉆孔中取了一組土樣進行膨脹土礦物組成試驗。結果見表 5,并附X射線衍射圖譜(圖 2)。試驗結果表明,場地土的礦物組成中含5%～15%的蒙皂石和10%～20%的水云母,這兩種礦物均具有親水性,且兩者合計含量可達15%～35%,因而使該場地土具有膨脹性。

表5 土樣礦物組成試驗成果表

注:可能尚含有少量綠泥石、高嶺石等。

圖 2 X射線衍射分析圖譜Fig.2 X ray diffraction analysis

2.2 劉老澗一站膨脹土礦物分析及濕化崩解試驗

取劉老澗一站膨脹土進行X射線衍射試驗,試驗條件:銅靶40KV60MA石墨單色器,閃爍計數器溫度22℃、濕度63%。試驗成果見表6。

取樣進行崩解試驗,濕化試驗結果表明,1 h崩解量達50%,24 h崩解量達70%～80%,網上剩余多為小砂礓。

2.3 睢寧二站掃描電鏡透視試驗

取睢寧二站膨脹土樣進行礦物分析試驗[3],分析成果見表7。

表6 土樣礦物組成試驗成果表

以上6組試樣掃描電鏡透視(TEM)顯示,樣品內部結構多數團粒呈絮狀顆粒或絮狀集合體。

表7 睢寧二站主要地基土礦物相對定量分析成果

3 壓實處理膨脹土物理學、膨脹性指標

利用劉老澗一站開挖土進行局部填筑并進行壓實處理,對壓實處理后的填土取樣試驗,其物理性質指標和膨脹性試驗指標見表8、表9。

表8 劉老澗一站壓實填土物理性質指標

表9 劉老澗一站壓實填土膨脹性試驗成果

4 膨脹土現場改良試驗研究

4.1 改良試驗方案

以河海大學2006—2008年室內科研成果為基礎,結合水利工程建設特點,確立現場改良試驗研究方案分“石灰改良方案”和“石灰+水泥改良方案”。試驗步驟為:第一步膨脹土砂化,第二步不同改良劑(①石灰,②水泥)深入改良,第三步樣品制作進行膨脹性、物理力學試驗,第四步成果分析形成報告。改良劑配比為:摻加2%消石灰進行砂化,石灰改良試驗采用質量比3%、5%、7%摻灰量(包括砂化石灰摻量);石灰+水泥改良試驗采用質量比2%石灰砂化再加入3%、4%、5%的水泥。

兩種改良劑配比的確定,在考慮改良后的土體能夠滿足工程需要的同時,也綜合考慮了施工、造價方面的影響。

4.2 制樣設備要求和試驗方法改進

現場改良試驗盡可能貼近施工作業實際,模擬現場施工條件下進行。在保持作用功一致的條件下將室內擊實改為現場碾壓或現場夯實,現場自由膨脹率、無荷載及有荷載膨脹率、膨脹力等試驗進行大試樣的配制,并保留砂礓在其中。按施工破碎一般可達到的土塊顆粒及絕大多數砂礓粒徑大值3～5 cm,個別土塊顆粒及砂礓粒徑6～8 cm考慮,試驗要求制備出直徑為50.4 cm的大試樣,即配制試樣儀器內徑為50.4 cm的“大型”試驗設備。

“大型”試驗設備照片見照片1,裝置示意見圖3。

作為現場模擬試驗的輔助手段,改良試驗也同時安排了部分室內試驗,以進一步確定適當的改良材料、改良劑比例和施工工藝。

4.3 改良試驗成果及分析

4.3.1 改良土塑性指數、自由膨脹率

根據《土工試驗規程》(SL237— 1999)要求和步驟進行改良土塑性指數、自由膨脹率試驗,改良后塑性指數成果見圖4、圖5,自由膨脹率成果見圖6、圖7。

照片1 內徑50.4 cm的“大型”設備Photo 1 Large equipment of inside diameter of 50.4 cm

圖3 有荷膨脹率、膨脹力試驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of expansion ratio and expansion force testing device

圖4 石灰摻入率、工藝與塑性指數關系Fig.4 Curves of lime mixing rate,process and plastic index

結果顯示,配制后立即測試的塑性指數基本未變,而悶置后塑性指數下降明顯,且隨石灰摻入率提高改善幅度增大,但隨水泥摻入率提高改善幅度則有所波動,規律不顯著。說明土料悶置工藝是必要的,時間延長對膨脹土改良有利。

圖5 水泥摻入率、工藝與塑性指數關系Fig.5 Curves of cement mixing ratio,process and plastic index

圖6 石灰摻入率、改良工藝與自由膨脹率關系Fig.6 Curves of lime mixing ratio,improved technology and free expansion rate

圖7 水泥摻入率、改良工藝與自由膨脹率關系Fig.7 Curves of cement mixing rate,improved technology and free expansion rate

結果顯示,配制后立即測試的自由膨脹率基本未有改善,而配制悶置后自由膨脹率下降明顯,3%、4%和5%的石灰或水泥摻入率均能使膨脹土的自由膨脹率下降至40%以下,成為非膨脹性土;隨石灰摻入率提高改善幅度增大,而改善幅度隨水泥摻入率提高關系不甚明顯。改良過程土料悶置工藝是必要的,延伸對膨脹土改良有利。

4.3.2 改良大試樣試驗

按既定試驗方案,制作數個直徑50.4 cm的改良土大試樣,考慮改良工藝對比要求進行無荷膨脹率、有荷膨脹率、膨脹力、收縮試驗和滲透試驗。

(1) 無荷膨脹率。結果顯示,摻灰率越大,改良效果越好,灰土無荷膨脹率越小;水泥改良土的無荷膨脹率與摻入率關系規律不強,但膨脹率均較小。

圖8 石灰摻入率與無荷膨脹率關系Fig.8 Relation curve between lime mixing rate and the no load swelling rate

圖9 水泥摻入率與無荷膨脹率關系Fig.9 Relation curve between cement mixing ratio and the no load swelling rate

(2) 有荷膨脹率。圖10、圖11顯示,相同荷載下,摻灰率越大,有荷膨脹率越小,各摻灰率條件下加載至5 kPa左右時,有荷膨脹率均為負值。

圖10 4.5 kPa荷載下膨脹率與石灰摻入率關系Fig.10 Curve of swelling rate and lime mixing rate under 4.5 kPa load

(3) 膨脹力。圖12-圖13顯示,石灰摻入率越大,改良土膨脹力越小;水泥摻入率與膨脹力關系無明顯的規律性。但數據反映標準夯實功下改良土的膨脹力均<2.5 kPa。

圖11 4.6～6.7 kPa荷載下水泥摻入率與膨脹率關系Fig.11 Curve of cement mixing rate and swelling rate under 4.6～6.7 kPa load

圖12 膨脹力與石灰摻入率關系Fig.12 Curve of expansion force and lime mixing rate

圖13 膨脹力與水泥摻入率關系Fig.13 Curve of expansion force and cement mixing ratio

(4) 滲透系數。圖14、圖15顯示,石灰摻灰率提高,改良土滲透系數相應降低;隨水泥摻入率提高,水泥改良土滲透系數并沒有呈現下降趨勢。但試驗反映出改良土的滲透系數在9.5×10-6～1.7×10-5cm/s之間,滿足水利工程一般防滲要求。

圖14 滲透系數與石灰摻入率關系Fig.14 Curve of permeability coefficient and lime so mixing ratio

圖15 滲透系數與水泥摻入率關系Fig.15 Curve of permeability coefficient and cement mixing ratio

4.3.3 改良土強度試驗

按《土工試驗規程》規定進行改良土的直接快剪試驗,考慮改良劑摻入率和齡期。

表10顯示,石灰改良土具以下特征:①即配即剪強度值隨著摻灰率的提高而有所下降,特別是粘聚力下降十分明顯;②浸水養護的夯實土樣隨著摻灰率的提高其抗剪強度有明顯提高,粘聚力在摻灰率2%～5%之間上升明顯,5%以后改善不大,摻灰率對內摩擦角影響不明顯;③同一摻灰率土樣抗剪強度隨著養護時間的延長有明顯提高,以浸水養護半個月內強度提高效率最大,同時也體現出灰土粘聚力隨養護時間延長提高明顯,內摩擦角則僅有較小改變。

表10 石灰改良土強度試驗成果表

注:試樣擊實功592.2 kJ/m3,石灰土浸水前全部已在空氣中養護7天。

表11顯示,水泥改良土試驗具以下特征:①即配即剪強度值隨著水泥摻入率的提高有所提高,只是沒有陡升趨勢,但與素土比較提高顯著;②養護時間延長(15天延長至25天),抗剪強度提高明顯,主要表現為粘聚力的提高,內摩擦角沒有大的變化。

表11 水泥改良土強度試驗成果表

注:試樣擊實功592.2 kJ/m3,泥試夯樣均含有2%砂化用石灰。

5 結論

對比分析沿線工程場地土室內試驗成果和模擬施工工藝現場改良試驗研究成果,初步得到南水北調東線江蘇境內工程場地膨脹土特征和改良運用方法,形成以下幾點結論:

(1) 沿線建筑物地基土層主要為第四系上更新統(Q3)黏土、粉質黏土,礦物成分中含有15%～38%的伊利石(水云母)、蒙皂石,伊利石及蒙皂石具親水性和膨縮性,使該場地土具有膨脹性,膨脹性中—弱。

(2) 膨脹土膨脹力一般在16.7～140.7 kPa之間,深下臥層局部達200 kPa左右。建筑物主體持力土層處于大氣影響深度以下,膨脹力基本小于設計荷載,不受膨脹性明顯影響;河坡、消力池、鋪蓋處等荷載較小的部位可能會因地基土膨脹而產生變形甚至破壞。

(3) 膨脹性粘性土即使被挖置地表多年,甚至進行壓實處理,其膨脹性仍基本不變,故不能作為填筑土料直接使用。

(4) 按實際填筑施工條件進行的大型模擬試驗成果顯示,石灰或石灰+水泥改良后的膨脹性土料,其膨脹性基本消除,能夠滿足工程設計強度、抗壓和抗滲要求。

(5) 綜合考慮施工復雜性和運行安全性等因素,一般可選用2%石灰砂化后再摻入3%水泥作為膨脹土填料改良劑量。

[1] 王寶田,張福海.膨脹土的改良技術與工程應用[M].北京:科學出版社,2008.

[2] 中華人民共和國水利部.土工試驗規程:SL237—1999[S].北京:中國水利水電出版社,1999.

[3] 連偉,訾劍華,石長印.睢寧二站地基土膨脹性研究[J].揚州大學學報(自然科學版),2007(4):32-35.

(責任編輯：陳姣霞)

Expansive Soil Characteristics and Improvement of South-to-north Water Diversion in Jiangsu Province

WANG Zhenyou, SONG Yinqing, LING Xiaomei, DENG Shegen

(EngineeringInvestigationInstituteofJiangsuProvince,LLC,Yangzhou,Jiangsu225002)

In this paper,taking expansive soil in a North Water Transfer Project in Jiangsu Province as the research object,through experimental data collection and analysis,the paper draws the physical properties,mineral composition and swelling characteristics of ground undisturbed soil,spoil heap and compacted fill along transfer pump stations. Combined laboratory tests,the authors simulate the construction of expansive soil conditions of improved “large” experimental research,compare lime (lime and cement) when the modifier and different rates of incorporation of improved soil expansion,mechanical strength,permeability changes law,put forward suggestions of improved application of expansive soil,accumulate experience for the second phase of North Water Transfer project in Jiangsu Province.

expansive soil; “large” improving test; improved dose

2016-04-22;改回日期:2016-05-16

王振友(1968-),男,教授級高級工程師,水文地質與工程地質專業,從事巖土工程勘察工作。E-mail:jsyzwzy@126.com

TU443

A

1671-1211(2016)03-0436-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.044

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.020.html 數字出版日期:2016-05-05 15:31