水下壩體基礎填土飽和度研究及工程應用

樸春紅

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110166)

水下壩體基礎填土飽和度研究及工程應用

樸春紅

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110166)

飽和度系數主要是通過含水率轉換得到,但是對于長期處在水環境侵泡的壩體來說,采取烘干的方式進行取樣計算含水率,獲取的數據不準確,含水率的值比真實值大,導致飽和度計算不精確。深入研究土體顆粒之間水的分布情況,并發現飽和度偏高是由于試驗中水分散失引起。利用土力學理論知識,建立飽和土的二項體模型,對飽和度和結合水關系進行定量研究。

填土;飽和度;弱結合水;二相體系模型

飽和度是土體試驗中一個非常重要的數據，對于注漿和基坑回填工程［1］具有非常重要的意義。經過長期的實驗發現，填土中含有大量的親水物質，這些物質的某些物理性質將會影響飽和度。以注漿為例，根據飽和度可以更加容易的判斷出建筑是否被成功的加固。正常情況下，飽和度不能大于1，但是在實際操作中發現，飽和度大于1的情況［3］比比皆是。因此之前的試驗方法不能夠用于實際操作中，本文將在這方面進行深入分析研究。

1 水土相互作用

1.1 土粒周圍結合水分布特點

在基坑工程中，經常進行回填處理，回填的土往往是帶有電性的，并且與水接觸后，附近的液體就會被電離，與填土構成雙電層，在同性相斥，異性相吸的規律作用下，帶有相同電荷的土粒將會分離。距離不斷的增大，并且土中空隙內外的液體濃度相同時，空隙擴展停止，形成一個擴散層。根據物理知識可知，這個擴散層可以用下述表達式表示:

式中:φ為擴散層中離土粒表面距離為x處的電位，單位:V;φ0為土粒表面電位，單位:V;K為擴散層厚度參數，單位:L/c m。

土顆粒之間的引力大小不但受到電荷的大小的影響，還受距離的影響，一般是成反比的關系。然后為了計算方便以及修正精確度，加入相關系數ξ［4］。所以，可以把水、土粒之間受力簡化成:f= ξ*f0，式中:f為水、土粒間作用力，N;ξ為引力系數;f0為水、土粒間作用力基準值。ξ的計算值見表1。

表1 ξ取值

根據表1我們可以得到，隨著空隙的不斷增大，土粒和水分子之間的吸引力不斷減小，當擴散層達到一定的數值時，這個吸引力將會逐漸趨于一個常數。

2 飽和度計算

2.1 基本公式

填土中的弱結合水的飽和度利用現行的方法無法直接進行試驗測得，在實際生產生活中，通過土力學中所學到的知識，可以通過已知量推導未知量。利用本文研究，孔隙比可以利用其他相關數據推導獲得，這樣對于土中弱結合水的飽和度影響最大的一個因素就變成了土的重力水的含水量。

式中:Sr為土的飽和度;w為含水率;ρ為密度，g·c m-3;ds為土粒相對密度，g·c m-3。

結合物理和數學的相關知識，不難得出結論:影響飽和度最大的一個因素是含水量。

2.2 飽和度相關參數

在研究的過程中，我們把土試樣視為完全飽和，并通過下面的模型進行分析。如圖1所示。

假設選取土的試驗的體積為單位量，也就是1，并且土中空隙都被水充滿，不含有任何氣體;假設測試含水率的試驗中，由Vw為土中水的體積，土中蒸發出的水的體積為Vj，并且剩余土的體積是Vs;對應于自由水、弱結合水、土粒和土的密度分別為:ρw、ρj、ds、ρ。

式中:Vv為空隙體積，c m-3;Vj為蒸發的水的體積，c m-3;Vs剩余土的體積，c m-3;ρw自由水密度，g·c m-3;ρj弱結合水密度，g·c m-3;ds土粒密度，g·c m-3;ρ土自然密度，g·c m-3。

考慮部分散失的弱結合水時，土的含水率w定義為:

這樣可以解出VV、Vj、Vs，從而推出自由水的含水率公式w0以及弱結合水含水率公式wj:

3 飽和度修正意義

3.1 數據資料

我國對壩體抗擊洪水的防護標準有著明確的強度規定，因此對于遼寧省內的一些堤壩需要進行重新加固。但是由于堤壩修筑年代久遠，一些基本數據已經流失，需要重新對堤壩進行實地檢測。選取恒仁水壩進行分析，結果見表2，堤壩的地基的主要材料為粘性土，并且土中的孔隙比明顯偏大，干密度卻比標準要小，弱結合水的飽和度大于1。按照現有標準，這段堤壩已經不能再進行工作，但是在特大洪水中，這段堤壩不僅能夠發揮抗洪功能，并且起到了最關鍵的作用。按照本文的研究結果，對土試樣的物理標準進行重新測定，結果見表3。

表2 大堤土工試驗成果表

表3 修正后大堤土樣指標表

3.2 修正結果討論

3.2.1 飽和度與弱結合水關系

根據實驗數據計算得知，弱結合水的含量見表2。而飽和度和弱結合水的關系如圖2所示，從圖中很明顯可以發現弱結合水和飽和度之間存在著非常精確的函數關系，由此可以解釋為什么飽和度的實際測量值遠遠大于理論值。

圖2 飽和度和弱結合水之間的關系圖

3.2.2 孔隙比與弱結合水關系

由圖3和圖4可知，弱結合水的溢出現象和圖中的孔隙比有著一定的關系，原因是填土中存在著一定量的弱結合水，因此實際計算出的孔隙比將大于實際數值，并且孔隙比的結果和弱結合水的含量成正相關。

圖3 孔隙比與結合水關系圖

圖4 孔隙比差值與弱結合水關系圖

4 工程應用

4.1 工程概況

本溪桓仁東方紅水電站位于深度比較厚的覆蓋層面上，在基礎上面主要是利用混凝土防滲墻。軸線的總長度為260m，墻體的厚度為0.9m，可以設置的最大的深度為56m，兩側邊坡部分所嵌入的基本的巖石將達到1m。在加固過程中進行了注漿，根據前面的討論，我們從壩體底部采取的試樣進行了試驗。

4.2 土中親水礦物或有機質含量判定

由于親水礦物的特殊性質或者有機物的特殊物理性質，使得含水量監測變得十分困難，因為這些特性會增強土吸附水的能力，從而無法得出正確的實驗數據。運用本文的成果，則原先計算出的含水量大小也會受到相應因素的影響，表現為含水量變大，見表4和圖5，主要是因為吸附在土顆粒上的水與土顆粒脫離，融入到原有的水中。

4.3 注漿施工效果判別

根據對完全飽和土的分析發現，在完全飽和土中空隙非常大，但是這并不影響土粒之間的連接，反而由于這一特性讓壓力能夠更加快速的傳遞，將濃漿注入到地層中的時候，需要依據這個對壓力和流速進行控制，如果控制不好壓力和流速則會嚴重影響注漿效果，影響施工。由于吸漿能力的不同，在完全飽和土劈裂后，我們需要迅速的更換漿液，并根據對完全飽和土的分析來有計劃地改變漿液的成分。

表4 土樣指標表

圖5 飽和度分析后對比曲線

5 結語

水工建筑修建的地基不同，將會使得計算的得到的受力不同，導致選取的基礎就會存在差異，通過試驗研究發現，弱結合水的飽和度以及干密度等之間存在一定的關系，但是由于試驗中受到一些不可抗拒因素的影響，致使試驗結果有一定的偏差。根據土、水相互作用性質，分析土顆粒周圍結合水分布特點，指出浸水大堤填土試樣飽和度偏高的原因在于烘干試驗中有部分弱結合水逸出。根據經典土力學理論，對飽和度與弱結合水含量間的關系進行定量分析，判讀水中是否有親水物質，并在本溪恒仁東方紅水電站工程中成功進行應用。

［1］侯繼祥.堤基滲透破壞機理及控制方法探討［J］.水利規劃與設計，2015(07).

［2］馬曉麗，李德祥，錢志文.堤壩防滲設計在水利工程中的應用［J］.水利規劃與設計，2015(10):99-101.

［3］蔡江東，姜振泉，朱術云.山東某礦深部黏性土飽和度修正及其工程意義［J］.能源技術與管理，2009(01):96-98.

［4］蔡江東，姜振泉.浸水大堤黏性土填筑質量判別［J］.人民黃河，2008(09):18-19+21.

T U 43

B

1008-1305(2016)05-0106-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.037

2015-11-20

樸春紅(1985年—)，女，工程師。