大型浸水模型試驗在多哈新港項目中的應用

黃云

摘 要：土體的膨脹性能主要由土體中親水性礦物質(zhì)（高嶺石、蒙脫石、伊利石）的組成和比例含量有關，土體特有的礦物成分具有吸水膨脹、失水收縮和反復脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發(fā)育等特性，性質(zhì)極不穩(wěn)定，使得膨脹土具有會隨土體含水量的變化而產(chǎn)生隆起或沉降變形的特征。目前國內(nèi)外主要采用水洗法與干篩法測定土體的液塑限，在某種程度上無法客觀反映土體中親水性礦物質(zhì)的組成和比例含量關系，本文以多哈新港項目為載體，采用大型浸水模型試驗研究港池開挖土體的膨脹性能，模擬港池開挖料在“全濕”極端條件下的膨脹性能，并以此參數(shù)為指導港池開挖料的使用，為項目的順利履約創(chuàng)造條件，形成了良好經(jīng)濟效益和社會效益。

關鍵詞：大型浸水模型試驗 液塑限 膨脹土 干篩法 水洗法

1.引言

多哈新港項目采用英國BS1377規(guī)范，該規(guī)范對液塑限樣品制備采用干篩法和水洗法。根據(jù)現(xiàn)場試驗檢測和外委第三方試驗結(jié)果對比，對同一樣品采用兩種方法制備試樣得出的數(shù)據(jù)會普遍存在偏差，這種偏差主要來自于樣品制備方法所產(chǎn)生的操作偏差。干篩法與水洗法兩種方法是對土體黏粒的“全收集全統(tǒng)計”，無法客觀反映土體中親水性礦物質(zhì)（高嶺石、蒙脫石、伊利石）的組成和含量比例關系。項目技術規(guī)格書明確港池開挖回填料液限>65%、塑性指數(shù)>35%判定為不合格，不能用于碼頭后方陸域形成。為研究多哈新港項目港池開挖料土體的膨脹性能，設計了兩組不同細顆粒含量（粒徑小于0.063mm）的大型浸水模型試驗，以期模擬土體在“全淹沒”極端環(huán)境下的膨脹性能是否滿足回填料的工程要求。

2.工程概況

多哈新港地處卡塔爾MASAEED工業(yè)城內(nèi)，離多哈市區(qū)40km，該項目為內(nèi)挖式港口，港池開挖工程量7070萬m3，其中土方3000萬m3，石方4070萬m3。港池區(qū)域表層為2-6m的風積沙和底層強風化和微風化的灰?guī)r組成，陸域形成土石方回填5250萬m3，棄方1820萬m3，基坑采用放坡方式進行干開挖，土方直接利用陸域形成，石方部分存在液塑限超標，需要選擇性利用方能滿足土石方平衡利用。

3.浸水模型試驗方案設計

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，選擇不同區(qū)域不同斷面層次的港池開挖料進行室內(nèi)土工試驗，初判該結(jié)構(gòu)層次料源為液限與塑性指數(shù)超標的不合格料源。為研究不同的細顆粒（根據(jù)英標BS-5930，顆粒粒徑小于0.063mm的土體）含量對土體膨脹性能的影響，根據(jù)著名水工設計方Worley Parsons的要求按照圖1與圖2設計模型試驗。模型主要由兩部分組成，低區(qū)為細顆粒含量小于20%的港池開挖料，高區(qū)為細顆粒含量在35%-45%之間的港池開挖料。試驗模型大小為20m×20m×1m，對于低區(qū)細顆粒含量小于20%的模型區(qū)G1/G2為模型底部監(jiān)測點、E1/E2/E3/E4為模型頂部監(jiān)測點；對于高區(qū)細顆粒含量在35%-45%的模型區(qū)G3/G4為模型底部監(jiān)測點、E5/E6/E7/E8為模型頂部監(jiān)測點；

模型按照陸域形成的同一技術標準實施：（1）按照50cm每層分層碾壓，每一結(jié)構(gòu)層完成后進行現(xiàn)場換水法密度試驗并滿足現(xiàn)場壓實度要求；（2）最大干密度應達到室內(nèi)擊實試驗最大干密度的95%以上；（3）土體含水量應小于室內(nèi)擊實試驗最佳含水量；（4）土體孔隙率應小于10%。

在模型制作過程中采用土工織物、不透水薄膜的方式確保模型試驗過程中土體的水頭差為10cm。同時在試驗現(xiàn)場配置2個備用水箱，當水滲透到土體模型、水頭下降時應及時補水，始終保持土體模型充分被水浸沒在水中，模擬擬用回填料充分浸沒在水體中的極端條件。模型斷面如圖2。

4.模型監(jiān)測系統(tǒng)設置

土體中細顆粒含量不同將模型試驗分為高區(qū)與低區(qū)（詳見圖1）兩個區(qū)域，為保證兩個區(qū)域在同等條件下推演模擬實驗，高區(qū)與低區(qū)同時施工、同時浸水、同時監(jiān)測。模型監(jiān)測系統(tǒng)底部監(jiān)測點G1～G4這4個監(jiān)測點采用3m×3m的鋼板做托板，將1.5m的監(jiān)測桿焊接在托板中心。頂部監(jiān)測點E1～E8這8個監(jiān)測點采用0.5m×0.5m的鋼板托板，托板下部設置4根30cm的嵌釘，確保頂部監(jiān)測桿的穩(wěn)定。將0.5m的監(jiān)測桿焊接在托板中心并將托板埋植后與模型頂標高相同。頂層碾壓完成后采用人工開挖埋植頂部監(jiān)測桿，并用微型手推壓路機碾壓夯實四周。監(jiān)測桿上設置沉降觀測尺，同時為方便觀測，在觀測尺的上部貼上具有不同半徑的焦點反觀貼，在距離模型外側(cè)5～10m的位置建立一個固定的基準點，采用GPS按照每天1次的頻率進行觀測，觀測期為4周。

5.驗收標準

根據(jù)設計方Worley Parsons的工程技術要求，對于不同細顆粒含量，其膨脹性能不一致。采用干篩法或水洗法得出某一區(qū)域的港池開挖料不適合做陸域形成回填料時，通過模型試驗如果滿足以下兩個條件之一，則可以用于陸域形成的回填料。

（1）對于細顆粒含量<20%的港池開挖料，浸水模型試驗其膨脹量≤10mm；

（2）對于細顆粒含量在35%～45%的港池開挖料，浸水模型試驗其膨脹量≤15mm；

6.試驗結(jié)果分析

6.1干篩法與水洗法

模型試驗開始之前應根據(jù)港池開挖料在時間和空間上的分布，全斷面全結(jié)構(gòu)層的取土樣進行室內(nèi)土工試驗，分別進行土樣天然含水量、顆粒密度、液塑限、顆粒篩分和土體擊實試驗，從而獲取土樣物理力學參數(shù)。根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果對港池開挖料進行分類別使用，對于液塑限超標的料源區(qū)再次進行浸水模型試驗。endprint

土工試驗嚴格按照英標B S -1377-2進行，干篩法與水洗法試驗結(jié)果見表1、2，由表可以看出，對同一區(qū)域選取的土樣采用兩種不同試驗方法得出的液塑限指標存在較大的偏差（大約在10左右）。采用干篩法進行室內(nèi)土工試驗時，細顆粒含量小于20%的港池開挖料，液限平均值在99.6，塑性指數(shù)57.8；而細顆粒含量在35%-45%之間的港池開挖料，液限平均值在71.4，塑性指數(shù)37，均超出了對陸域形成回填料要求范圍。采用水洗法進行室內(nèi)土工試驗時，細顆粒含量小于20%的港池開挖料，液限平均值在110.6，塑性指數(shù)63.2；而細顆粒含量在35%-45%之間的港池開挖料，液限平均值在81.6，塑性指數(shù)38.2，均超出了對陸域形成回填料要求范圍。

6.2現(xiàn)場干密度試驗

在浸水模型制作過程中，每層碾壓完成后需要進行現(xiàn)場換水法密度測試試驗，以模擬陸域形成回填統(tǒng)一的技術標準并驗證模型碾壓效果。現(xiàn)場換水法密度試驗嚴格按照ASTM-D5030-2004進行操作，每個結(jié)構(gòu)層隨機選擇3個測試點進行測試，試驗結(jié)果詳見表3，。由表可以看出，低區(qū)土體兩次碾壓的平均壓實度為98%，平均孔隙率問哦6.52%；高區(qū)土體兩次碾壓的平均壓實度為99%，平均孔隙率問哦4.72%；可見細顆粒含量高的土體模型在相同的施工條件下，密實度高，孔隙率低。

6.3不同細顆粒含量膨脹量位移變化特征

根據(jù)設計方Worley Parsons的模型監(jiān)測頻率要求，對監(jiān)測數(shù)據(jù)整理分析得出不同細顆粒含量的模型膨脹曲線（圖3），由圖3可以看出模型膨脹位移曲線大致可以劃分為3個階段：初始快速膨脹階段、緩慢膨脹階段、穩(wěn)定階段。低區(qū)土體模型在初期快速膨脹階段，膨脹速率最大為4mm/d；此后膨脹速率逐漸放緩到2mm/d；再到第20d后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。而對于高區(qū)土體模型，初期快速膨脹速率為2mm/d，第9d后基本維持在1mm/ d，到第34d基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

7.結(jié)論

（1）多哈新港項目部分港池開挖料采用傳統(tǒng)的土工試驗（干篩法、水洗法）其液塑限指標不滿足陸域回填料質(zhì)量要求，但通過浸水模型試驗模擬該類料源在極端環(huán)境下的膨脹性能，其最終的膨脹量均為9～10mm，滿足設計方Worley Parsons提出：對于細顆粒含量<20%的港池開挖料，浸水模型試驗其膨脹量≤10mm；對于細顆粒含量在35%～45%的港池開挖料，浸水模型試驗其膨脹量≤15mm膨脹量要求，該類料源滿足陸域回填料質(zhì)量要求。

（2）對于不同細顆粒含量的土體，其膨脹性能對細顆粒量不敏感，初判可能是由于該類料源中細顆粒含量中親水性較大的蒙脫石、伊利石成分并不高，而親水性相對較低的高嶺石成分相對較大；

（3）傳統(tǒng)的土工試驗（干篩法、水洗法）是對細顆粒的全收集全統(tǒng)計，而浸水模型試驗是對該類料源細顆粒中親水性物質(zhì)（蒙脫石、伊利石、高嶺石）含量比例的綜合評判，更能客觀反映工程實際情況，具有推廣意義。

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