前湖水庫高含水量黏土壓實特性研究

孫 艷

（南昌市水利綜合服務中心,江西 南昌 330039）

0 引言

我國南方地區因雨量充沛,地下水位常年較高,故而形成天然含水量高出最優含水量的高含水量黏土,此類黏土因過濕結團而工程性能不良,不宜直接作為填筑材料使用。本文以前湖水庫為背景,采取室內土工試驗、現場壓實試驗及強夯置換試驗等方式,進行其高含水量黏土壓實特性、填筑方式及治理效果的對比分析,為工程高填方地基設計提供指導的同時,也為高含水量黏土的壓實施工提供借鑒參考。

1 工程背景

前湖水庫是前湖區城防洪治澇工程體系的重要規劃部分,前湖水庫總庫容16.16×106m3,根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2000）及《防洪標準》（GB 50201-94）確定本工程為IV等工程,根據本工程等級,確定大壩泄水閘等主要建筑物為四級建筑物,臨時建筑物為5 級建筑物,本工程項目為紅谷灘新區前湖壩工程約1.19 km新建防洪壩工程。

擬建場地處贛撫沖積平原及低丘剝蝕崗阜的結合部位。工程區內地層主要分布有第四系全新統沖積相（alQ4）松散堆積層。部分地段為人工填土,下伏基巖為早第三系（E）紫紅色泥質粉砂巖。崗阜區地形高25 m～50 m左右,相對高差30 m左右,庫存底原高程約17 m。前湖壩址下游地勢平坦低洼,地面高程17.0 m～19.0 m,場地地層結構由第四系人工填土層（rQ）、第四系全新統湖積層（IQ4）、第四系上更新統沖積層（aIQ3）及第三系新余群（Exn）組成。按其巖性及工程特性,自上而下可依次劃分為：①1層黏土、①2層黏土、②3層黏土和②4層黏土、③1層黏土。根據室內土工試驗,各層黏土物理力學性能見表1。

表1 前湖水庫各層黏土物理力學性能

通過表1中所分析的前湖水庫各層黏土物理力學性能可以看出,其各層土體天然含水量高,液限平均值較大,根據公路行業細粒土工程分類標準,屬于高液限土；各土層塑性指數均值較高,適應變形性能優良,但是存在一定的卸車和攤鋪困難；各土層孔隙比也較大,表明其為大孔隙結構,且各層飽和度高,軟土結構特性十分明顯；各土層滲透系數低,表明土體內含水量變化小,通過晾曬也無法使實際含水量降低,存在較大的垂直及水平排水固結難度。

2 填筑方案設計

根據以上對前湖水庫高含水量黏土壓實特性的分析發現,②3層土體含水量過高,直接分層壓實后的地基物理力學性能很難達到技術標準,為此,必須進行改性處理。當前較為常見的高含水量黏土地基改良方式主要有晾曬、換填、物理化學改良等。考慮到本水利工程實際,應進行物理化學改良,雖然化學改良處理后室內試驗效果優良,但是因高含水量黏土具有過濕結團特性,無法均勻拌和,所以,采用化學改良措施的處理效果仍有待完善。在此基礎上,復合地基填筑的構想便在工程實踐中應運而生。現有的高壓旋噴樁、深層攪拌樁等均針對既有地基的復合地基加固措施并不能有效解決高含水黏土填筑問題,而強夯置換則能通過分層填筑,在一定程度上有效解決這一問題。

為此,文本分別對物理改良、化學改良、強夯置換等三種措施進行現場填筑試驗過程分析及效果對比[1]。

2.1 物理改良方案

此處采用摻加碎石料的方式進行前湖水庫高含水量黏土性質的改良,使其從細粒土轉變為粗粒土,根據相關試驗,為達到較好的改良效果,黏土中碎石組分質量必須至少為25%,本試驗碎石摻量體積應按照＞待改良高含水量黏土體積的25%確定。壓實工藝采用振壓和沖擊碾壓兩種,振壓時使用500 kN激振力的壓路機械,試驗單元尺寸為15 m×10 m；沖擊碾壓則使用25 kJ沖擊壓路機,試驗單元尺寸為25 m×12 m。物理改良方案參數設計見表2。

表2 前湖水庫高含水量黏土物理改良方案參數設計

2.2 化學改良方案

主要以石灰、水泥等為改良劑,通過改良達到降低填料含水量,并使黏土粗粒化的目的。根據相關成果,摻加石灰后吸水率可提升1%以上,而水泥吸水率僅為0.3%,也就是說石灰的吸水率是同體積水泥的3 倍,同時,摻加石灰改良還能提升待改良高含水量黏土的最優含水量,而摻加水泥反而會降低最優含水量。所以,本試驗主要以石灰為化學改良劑進行前湖水庫高含水量黏土改性處理,參數設計見表3。

表3 前湖水庫高含水量黏土化學改良方案參數設計

2.3 強夯置換

在早期的研究過程中有學者提出強夯加固飽和黏土地基的動力固結理論[2],但是因孔隙水壓消散時間太長并缺乏排水通道,所以很難應用于工程實踐。此后,采用動力置換技術及壓密作用進行飽和性黏土加固,并構建起排水通道,從而使飽和黏土地基強夯加固技術具有了工程應用的可行性。當前,強夯置換技術在填土地基加固方面的應用已十分廣泛。本試驗也主要借助動力強夯置換及壓密作用進行復合地基構建,從而有效解決前湖水庫高含水量黏土地基物理力學性能差、壓實難的問題。置換料主要選用的是工程所在地碎石含量60%的碎石土,試驗單元尺寸為28 m×25 m,強夯置換方案參數設計見表4。

表4 前湖水庫高含水量黏土強夯置換方案參數設計

本水庫工程強夯置換試驗中填土地基分層填筑,且結合相關工程經驗,分層堆填質量的好壞直接影響強夯效果。根據《強夯地基處理技術規程》（CECS 279-2010）的相關規定,分層堆填亞層厚度應控制在0.8 m～1.2 m,該水庫高含水量黏土地基強夯如果采用0.8 m的較薄分層堆填亞層厚度,則會因高含水量黏土可壓實性差及過濕結團特性,而增加攤鋪整平難度,延長堆填工序耗時[3]。所以,本試驗采用直接堆填處理,卸車后連續堆放土堆,并按3.2 m的設計高度簡單整平后再填筑厚度0.8 m的碎石,具體處理見圖1。

圖1 強夯置換堆填處理示意圖

3 試驗結果分析

3.1 擊實試驗結果

根據對②3層高含水黏土改良土所進行的重型擊實試驗結果可以看出,摻加生石灰改性后含水量提高,壓實難度降低,但摻加碎石改良后情況正好相反,具體見表5。

表5 高含水黏土改良土重型擊實試驗結果

3.2 壓實系數試驗結果

結合現行規定及技術標準,應以壓實系數指標進行壓實填土質量控制,本文也主要以該指標為評判物理化學改良土性能的標準,每種改良試驗方案達到預定壓實遍數后隨機選擇3 個抽檢點檢查改良土性能。前湖水庫高含水量黏土物理、化學改良后壓實系數分布情況見圖2、圖3。

圖2 高含水量黏土物理改良后壓實系數

圖3 高含水量黏土化學改良后壓實系數

由圖2可知,實施物理改良后前湖水庫高含水量黏土振動碾壓和沖擊碾壓下有效壓實遍數分別為8 遍和25 遍,均比素土壓實遍數大；且兩種碾壓方式下,通過碎石摻量的增加,壓實系數均有所提高,但是提升幅度不大。相對而言,振動碾壓方式下方案1～3 以及沖擊碾壓方式下方案1～6 壓實效果較好,當碾壓遍數達到有效遍數后,兩種碾壓方式的壓實效果相當。

由圖3可知,進行化學改良后前湖水庫高含水量黏土壓實系數離散性較大,實際上,生石灰拌和過程較為困難,原拌和方式無法順利實施的情況下只能改用挖掘機集中拌和,但拌和結果仍不理想。振動碾壓和沖擊碾壓下有效壓實遍數分別為8 遍和25 遍,生石灰摻加量增大后壓實系數均有所提高,且壓實系數的增幅比物理改良方式高；振壓方式下方案2、3 壓實效果最佳,沖擊碾壓方式下方案2～6 效果最好；當碾壓遍數達到有效遍數后,兩種碾壓方式的壓實效果大致相當,振壓略好。

3.3 平板載荷試驗結果

本試驗在強夯置換中主要通過淺層平板載荷試驗進行地基土承載力及變形模量的測定,具體結果見表6。通過表6可知,經強夯置換處理后夯點和夯間地基承載力試驗值均值分別達到200 kPa和127 kPa,試驗結果基本滿足該水庫高含水量黏土壓實特定方面的要求。

表6 前湖水庫高含水量黏土平板載荷試驗結果

3.4 強夯置換工藝分析

考慮到高含水量黏土強夯置換填筑并無工程經驗可以借鑒,所以,前湖水庫強夯置換試驗采用多遍夯擊的方式探索強夯規律。在試驗中,點夯4 遍,前3 遍5 擊/點,最后一遍3 擊/點,共計18 擊,且單點夯沉量累計值為6.5 m,比填筑體厚度的1.5 倍還要大,場地夯沉量0.355 m,置換料體積除以待處理土方自然體積的置換比例為75.8%。根據夯擊后的檢測結果,填筑體被夯墩穿透的深度為1.5 m,表明本試驗所設計的夯擊能和置換料均較富余。而且由于進行的是直接堆填,夯擊前填筑體松散,所以置換比較高。

4 結論

綜上所述,前湖水庫②3層高含水量黏土天然含水量比最優含水量高,為保證工程施工效果,應進行改良處理。物理改良方案中通過摻加碎石料進行改性,且無論在振壓還是沖擊碾壓方式下均有部分試驗區域的壓實系數低于標準值；化學改良方案中主要摻加生石灰改性,也存在與物理改良方案相同的問題。根據試驗結果,高含水量黏土所具有的過濕結團特性是造成分層前攤鋪整平困難、外摻料拌合困難及壓實施工困難的主要原因,所以拌合生石灰的改性方式效果也并不理想。采用夯擊能3000 kN·m、堆填厚度4.0 m的強夯置換復合地基后地基承載力特征值顯著提升,夯擊后均勻性良好,符合高含水量黏土改性壓實處理的工程要求。本文的分析既解決了前湖水庫高含水黏土工程性能較差的難題,也為高含水量黏土強夯置換填筑提供了工程經驗。