南水北調中線京石段應急供水工程改性土筑堤技術試驗方案及成果分析

馮建國

(河北省水利水電勘測設計研究院,天津 300250)

南水北調中線京石段應急供水工程改性土筑堤技術試驗方案及成果分析

馮建國

(河北省水利水電勘測設計研究院,天津 300250)

為解決南水北調中線工程填筑土料嚴重不足問題,擬采用中細砂改性技術方案。根據南水北調中線京石段應急供水工程S3、S12、S19標段中細砂改性室內試驗成果,總結分析改性土的物理力學指標與摻加材料、試驗齡期之間的相關關系,為工程設計進行方案比選提供必要的物理力學參數。

南水北調中線工程;中細砂;改性土;試驗成果分析

南水北調中線工程(京石段)自2005年開工以來,由于其建筑規模宏大、結構復雜、戰線長,在施工過程中遇到諸多問題,其中之一就是合格填筑土料的嚴重不足,從而制約了工程進度。針對S3、S12、S19標段開挖棄料多為中細砂,渠線附近的土料場在質量和儲量上很難滿足工程需要的問題,若能采取措施利用中細砂筑堤,充分利用渠道的棄土土料,就地取材,不僅能減少占用耕地,而且也能節省投資,縮短工期[1]。直接利用中細砂作為建筑材料存在以下問題:①砂土的粘聚力很小,邊坡穩定性相對較差;②砂土多具有中等透水性,不能滿足渠道防滲要求。

土的改性技術是用物理、化學、生物等綜合方法,改善天然土的某些性質,使之適應工程需要,該項技術在國外已有詳細的研究資料和工程實例,在國內,2000年4月已被應用于遼寧省遼河石佛寺水庫筑壩初步設計中,實踐證明改性粉細砂筑壩或筑堤技術方案是可行的?，F以南水北調中線京石段應急供水工程S3、S12、S19標段中細砂改性室內試驗研究為例,總結改性土的物理力學指標與摻加材料、試驗齡期之間的相關關系,為工程設計進行方案比選提供必要的物理力學參數。

1 試驗概況

1.1 確定試驗方案

試驗方案要解決的主要問題是:一方面提高正應力較小時,土體的抗剪強度;另一方面提高土體的抗滲性能[2]。方案中包括現場取樣原材料的檢驗和混合材料的配比試驗。根據試驗結果調整試驗組數和摻入材料的百分比,主要實施步驟為:現場取樣→原材料及改性材料檢測(中細砂、水泥、粉煤灰)→配比試驗→成果分析→提出施工建議方案。

1.2 現場采樣方法

首先對不同標段沿線均勻布置探坑,選取代表性試樣(一般在6組以上)及分類樣,并選取改性材料:粉煤灰(2級)、水泥(P32.5)。

1.3 室內試驗方法

(1) 天然砂樣進行室內篩分、含水率、相對密度試驗。篩分試驗采用XSB-70B型Φ200標準振篩機;相對密度試驗采用漏斗和振動錘擊法。為了與改性后的力學指標進行比較,按一定密度制樣,進行室內直剪、滲透等試驗。滲透試驗采用ST-55Ⅱ型滲透儀;直剪試驗采用DSJ-4型應變式電動直剪儀[3]。

(2) 粉煤灰進行顆粒分析試驗,以了解其顆粒組成。

(3) 進行各種配比改性砂的擊實試驗,擊實試驗采用輕型法(DJ-Q型電動擊實儀)進行。

(4) 根據不同方案制備改性土試樣進行室內滲透試驗、直剪(包括飽快、飽固兩種方法)試驗以及抗壓強度試驗[3-4]?？箟涸囼灢捎肳ES-20型萬能試驗機。

2 試驗材料的性能

2.1 改性材料

本次試驗研究采用的改性材料為水泥、粉煤灰,其性能見表1。水泥的顆粒組成:粒徑在0.075～0.005 mm之間和<0.005 mm的含量各按50%考慮。粉煤灰顆粒組成:粒徑>0.075 mm的占6.0%,粒徑在0.075～0.05 mm之間占8.5%,粒徑在0.05～0.005 mm之間占73.7%,粒徑<0.005 mm的占11.8%。

2.2 原材料

原材料均采用中細砂。本次試驗研究對6組砂樣進行室內篩分、相對密度和飽和快剪、飽固快剪、滲透試驗,成果匯總于表2,顆粒組成范圍見圖1。

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3 改性土方案

試樣制備采用三種方案:①中細砂摻加水泥方案。

表1 水泥、粉煤灰性能表Table 1 Properties of cement and fly ash

表2 中細砂試驗成果統計表Table 2 Statistics of test results of medium fine sand

圖1 中細砂顆粒組成范圍線Fig.1 Grain composition of medium fine sand

選3組不同級配的砂樣分別摻入2%、4%的水泥,含水率按11%,密度按1.65～1.70 g/cm3控制制樣,制成3 d齡期滲透、直剪(飽快)、7 cm×7 cm抗壓試塊,以測其力學性能;②中細砂摻加粉煤灰方案。選3組不同級配砂樣摻入8%的粉煤灰,含水率按13%,密度按1.75控制制樣,制成1 d 齡期滲透、直剪(飽快)、7 cm×7 cm抗壓試塊,以測其力學性能;③中細砂摻加粉煤灰、水泥方案。選6組不同級配砂樣分別摻加水泥(摻入量1%、2%、4%、6%)、粉煤灰(摻入量6%、8%),再按壓實度(0.96、0.98)控制制樣,分別制成齡期1 d、3 d、7 d、28 d的滲透、直剪(飽快、飽固快)、抗壓強度試樣[5],以測其力學性能。

4 改性土的試驗成果分析

4.1 改性土顆粒組成的變化

按不同配比方案改性后土的顆粒組成得到了改善,隨著摻加改性材料(粉煤灰、水泥)比例的增加,砂樣的級配得到了改善,由級配不良變為級配良好[6];細粒土含量平均值由原來的11.7%提高到18.3%,且粘粒含量也由原來的0.0%增加到3.9%;不均勻系數Cu的平均值由原來3.9提高到12.2;曲率系數Cc平均值由原來的0.95提高到2.0。其相關關系見圖2、圖3。

圖2 細粒土含量與摻加改性材料比例關系Fig.2 Relationship between fine soil content and modified material

圖3 Cu、Cc與水泥摻量關系曲線Fig.3 Relationship between Cu,Cc and cement parameters

4.2 改性土的擊實試驗成果

按不同配比方案改性后的砂樣進行室內擊實試驗,其最優含水率平均值在11.4%～13.0%之間,最大干密度平均值在1.79～1.84 g/cm3之間。隨著摻加水泥量的增多,其最大干密度有所上升,最優含水率有所降低,但對兩種指標影響不大,其相關關系見圖4。

圖4 擊實指標與摻加改性材料關系曲線Fig.4 Relationship between compaction index and modified material

4.3 改性土各種力學性質指標的變化

結果表明:對于單純摻加水泥和單純摻加粉煤灰兩種方案粘聚力的改善效果不是很明顯,而同時摻加水泥、粉煤灰改性后使土料的粘聚力得到了提高,其滲透性能降低。

(1) 改性土抗剪強度與試樣養護齡期的關系見圖5。圖5表明隨著試件養護齡期的增長,改性土的粘聚力(C)、內摩擦角(φ)均得到提高。

(3) 改性土的滲透系數與改性材料摻加比例關系見圖7。統計結果和圖7表明:當摻加材料<7%時,隨著改性材料填加比例的增加,滲透系數減小,由原來的8.0×10-4cm/s降到了8.1×10-5cm/s,而且摻加粉煤灰含量的增加,對滲透性能影響較大(如摻加材料7%,其中水泥1%、粉煤灰6%,滲透系數平均值為8.1×10-5cm/s);當摻加材料>7%時,且粉煤灰含量分別為6%、8%,隨著摻加材料的增加,滲透系數平均值在8.1×10-5～1.5×10-5cm/s之間,因此改性土的滲透性能與摻加材料含量有關,但起主要作用的是粉煤灰含量,且摻加到一定含量改性土的滲透性能基本穩定,并滿足筑堤要求。由于本次滲透試件齡期多為1 d(個別為3 d),水泥和粉煤灰等膠結材料尚未完全發揮效用,估計齡期28 d試件若養護較好,其滲透系數還可能會降低。

(4) 改性土的抗壓強度與試件養護齡期的關系見圖8。由圖8可以看出,抗壓強度由1 d齡期的11 kPa增加到28 d齡期的1 106 kPa。隨著試件養護齡期的變化,試件中水泥逐漸凝固,強度也逐漸提高。

綜上所述,中細砂摻加水泥、粉煤灰后,顆粒級配均有所改善,各種力學性質指標均有所提高,基本符合粘性土筑堤技術要求指標,因此,改性筑堤在技術上是可行的,粉煤灰的摻加比例在6%～8%、水泥的摻加比例1%～2%效果比較理想。

表3 改性土力學性質指標統計表Table 3 Statistical table of mechanical properties of modified soil

圖5 抗剪強度指標與試件養護齡期關系曲線Fig.5 Relationship between shear strength and maintenance age of specimen

圖6 改性土抗剪強度指標與水泥摻量關系Fig.6 Relationship between shear strength and cement content of modified soil

圖7 滲透系數與改性材料摻加比例關系Fig.7 Relationship between permeability coefficient and additive ratio of modified material

圖8 抗壓強度與試件養護齡期關系曲線Fig.8 Relationship between compressive strength and curing age of specimen

5 結語

(1) 中細砂摻加水泥、粉煤灰隨著摻加比例的增加,改性土的級配逐漸變為良好;力學性質指標也隨之提高,抗滲透性能增強。

(2) 摻加水泥(含量1%、2%、4%)、粉煤灰(含量6%、8%)的改性土室內擊實試驗指標變化不大,最優含水率一般在11.0%～13.0%之間,最大干密度在1.75～1.85 g/cm3之間,因此在工期短、任務重的情況下,可參考上述指標進行改性土制樣。

(3) 建議采用中細砂摻加1%～2%水泥(P32.5),摻加6%～8%粉煤灰(2級或3級)。

(4) 改性土室內試驗研究具有一定的局限性,在工程施工前,應進行現場試驗,以確定施工參數。

(5) 在試件的制作過程中,含水率的輕微變化對制樣密度影響較大。在進行現場試驗過程中,嚴格控制含水率在最優含水率上下2%以內[7]。

(6) 在試件的制作過程中,各種配比拌合的均勻性對試件的密度影響較大,現場施工時每層土料的填筑厚度、拌和均勻性要嚴格控制。

(7) 現場施工時,由于工作面長,應妥善處理好每層土料填筑后的養護工作。

(8) 本次有關改性土室內試驗研究對野外各種邊界條件考慮得還不夠充分,試驗數據偏于安全,文章中提供的各種試驗指標可供在今后的工程中參考使用。

[1] 河北省水利水電勘測設計研究院. 南水北調中線京石段應急供水工程改性土筑堤技術試驗研究報告[R].天津:河北省水利水電勘測設計研究院,2007.

[2] 陳仲頤,周景星,王洪謹.土力學[M].北京.清華大學出版社,1994.

[3] 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.

[4] 長江水利委員會長江科學院.水利水電工程巖石試驗規程:SL264—2001[S].北京:中國水利水電出版社,2001.

[5] 中華人民共和國水利部.水工混凝土試驗規程:SL352—2006[S].北京:中國水利水電出版社,2006.

[6] 《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊[M].第四版.北京:中國建筑工業出版社,2010.

[7] 林在貫,高大釗.巖土工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1994.

(責任編輯：于繼紅)

Test Scheme and Result Aanalysis of Embankment Technology Used by ModifiedSoil in Emergency Water Supply Project of Beijing Shijiazhuang Section ofMiddle Route of South to North Water Transfer Project

FENG Jianguo

(HebeiResearchInstituteofInvestigation&DesignWaterConservancy&Hydropower,TianjinChina300250)

In order to solve the serious shortage of filling soil in the middle route of South to North Water Transfer Project,the medium fine sand modification technology was adopted. According to the results of laboratory test on modification of medium fine sand of S3,S12,S19 tenders in emergency water supply project of Beijing Shijiazhuang section in middle route of South to North Water Transfer Project,the correlation between physical mechanical indexes and materials,test ages of modified soil are summarized and analyzed,the necessary physical and mechanical parameters are provided for scheme comparison for engineering design.

the middle route of South to North Water Transfer Project; medium fine sand; modified soil; test result analysis

2017-06-15;改回日期:2017-06-23

馮建國(1971-),男,工程師,水利水電工程專業,從事水利水電工程、巖土檢測工作。E-mail:hbyfjg@163.com

TV68; TU41

A

1671-1211(2017)04-0475-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.026

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1325.008.html 數字出版日期:2017-06-20 13:25