遼寧灌區渠道襯砌設計中土壤固化劑的優化配比試驗

張 鵬

(朝陽縣凌河保護區管理局，遼寧 朝陽 122629)

目前，大型灌區節水改造主要針對其渠道襯砌進行工程治理，國內常用灰土、水泥土、混凝土作為渠道襯砌的主要加固材材，其中混凝土材料防滲性能較高、不易沖刷且具有較強的耐久性，同時混凝土材料在不同環境下均具有較好的適應性，在國內灌區改造設計中得到廣泛應用[1- 5]。但混凝土防滲材料在北方寒冷地區防凍性能不高，且施工和維修造價較高，使得其維修養護難度大，尤其是對于一些砂石料較為缺少的區域，如何降低灌區襯砌的防滲工程造價一直是研究關注的熱點和難點[6]。從20世紀80年代開始，土壤固化劑就一直致力于解決北方地區灌區襯砌加固抗凍性能的問題，一些研究成果也表明土壤固化劑可以就地取材，通過將渠道內的原狀土和固化劑進行配比攪拌混合均勻后形成強度較高的膠凝材料，其抗壓和抗折強度經過現場驗證可以滿足SL 18—2004《渠道防滲工程技術規范》中的指標要求。通過不同區域土壤固化劑的抗壓、抗折、抗凍效果進行分析，其土壤固化劑摻量和水灰比的配比方案的好壞對于其設計質量的高低影響明顯，為此本文結合室內試驗測試方法，對不同配比方案下的土壤固化劑的抗壓、抗折及抗凍性能進行測定，優選其配比方案并與常用幾種固化劑進行造價對比。成果對于東北地區灌區節水改造設計具有重要參考價值。

1 土壤固化劑的機理

在常溫條件下將粘土礦物與土壤表層顆粒進行直接膠結形成具有膠凝物質的硬化劑成為土壤固化劑，現將其主要固化機理介紹如下。

(1)土體在成型壓力作用下經過固化劑處理后，土體顆粒周圍緊密接觸在一起，在土壤固化劑的作用下生成水化硅酸鈣，在粘土的表層形成凝結硬化殼，顆粒內部滲入不同方式的固化劑激活組分，水鋁、水硅鹽酸等膠凝材料在物理化學作用下與粘土礦物結合，在粘土表面產生不可逆凝結固化，增加粘土固化的穩定性和耐久性。

(2)粘土內部空穴進入極性水分子和OH-離子，使得土體表面顆粒分散，這些分散的顆粒增強了粘土顆粒表面的負電荷電位，土體中的凝聚能力被固化劑中的某種成分所替換形成膠體結構，使得顆粒的粘聚力降低，增加土壤顆粒的電解質濃度，減薄膠粒雙層厚度，顆粒的凝聚作用增強。

(3)聯結疏松土體結構，主要靠膠結物表層與固化劑礦物進行相互聯結，在硅酸鹽自身層狀建立空間網狀結構，主要粘土礦化及水化反應生產物均具膠結作用，能夠將土壤分散顆粒進行牢固的膠結，網狀結構可以得到加固和增強，使其成為一個強度較高的土體結構。

2 土壤固化劑主要性能指標

2.1 抗壓強度

在28d自然條件下進行固化標準試塊的抗壓強度測定，在不同固化劑摻入量情況下，采用HY固化劑和粘土或混合土進行7.25～12.23MPa抗壓強度的指標測定。

2.2 滲透系數

南55型滲透儀用于在室內滲透系數的測定，同心環法用于現場滲透系數的測試，將28d自然條件下的試塊摻入HY固化劑后進行固化預制，其滲透系數技術指標為不低于7×10-8cm/s。

2.3 抗凍性能

在非飽和狀態下對固化土標準試塊進行凍融循環試驗后進行養護，凍融循環16次后進行不同配比方案下固化土抗壓強度測定，其技術指標為3.65～11.20MPa，經過50次凍融循環在±20℃進行28d齡期自然條件養護環境下抗凍強度損失率的分析，其損失率技術指標在31%～33.5%之間。

2.4 干濕循環

在室內自然條件下對固化土標準試塊進行28d養護后進行干濕循環試驗。經過50次干濕循環后進行28d齡期自然條件養護環境下強度損失率的分析，其損失率技術指標在2.85%～4.74%之間。

3 土壤固化施工方法及技術指標

3.1 固化劑摻量選取及攪拌

(1)分析就地取材的土料特性，晾曬選取的摻量土料，其土層含水率小于15%，土料粉碎主要采用粉碎機進行，采用30mm以下篩網孔徑進行過篩。

(2)固化劑型號按照土料進行選取，本試驗采用的固化劑型號為As普通B型1.0級，其主要配比成分見表1。

表1 土壤固化劑摻量成分

3.2 固化劑攤鋪與壓實

(1)預制件的制作。將土料和固化劑摻量采用攪拌機進行混合攪拌均勻后，在預制板內鋪設均勻，采用成型柜在預制磚塊內進行壓制，抗壓、抗折、抗凍設計性能是否能滿足要求的關鍵環節在于預制件的壓實度。預制件要求固化劑與土料攪拌均勻混合后其壓實度要高于95%以上，土塊的容重要大于1.83g/cm3，固化劑預制件采用成型機壓方式進行壓實，在預制件模具內鋪設攪拌混合土壤固化劑材料，進行2次壓實后預制件可從模具內進行脫模處理，立放預制件且間距要高于1cm，低于2cm，運輸過程中要避免預制件的損壞。

(2)壓實和攤鋪保護層。在清洗好的灌區襯砌地基表層將攪拌混合好的固化土料進行均勻攤鋪，攤鋪厚度主要為8～10cm，表面采用人工或機械方式進行平整后，鋪好的土壤固化劑和土料采用小型壓實機進行至少3遍以上的壓實處理，壓實后的土壤容重要高于1.65g/cm3。要及時養護土壤固化劑預制件并在成型后進行現場澆筑

4 土壤固化試驗方案

4.1 灌區試驗段

本文選取遼陽大型灌區作為試驗襯砌段，該灌區在進行節水改造工程的實施，結合工程實施進行灌區輸水渠道襯砌段的土壤固化試驗，遼陽灌區東一支渠試驗段長度為400m，固化襯砌試驗主要采用預制和現澆2種方式進行試驗，防滲主要采用聚苯乙烯膜，其厚度為0.3mm，固化預制板護厚度為5cm，過渡層為3cm厚度的固化泥。其主要設計斷面形式為梯形斷面。

4.2 試驗指標觀測方法

(1)凍深：每個斷面采用丹尼林凍深器進行不同部位的凍深觀測。

(2)凍脹量：從布設凍深觀測的7個觀測點位沿著橫向方位進行凍脹變形監測點位布設。預制斷面和現場澆筑斷面的凍脹量采用相同的觀測方法。

(3)滲漏量：選取試驗段斗渠和農渠分別進行襯砌前后的靜水試驗。

(4)抗拔、抗折強度：在試驗現場段分別進行7、28d自然條件養護后進行試驗塊采集，送到室內試驗室進行受力分析，對其抗拔、抗折強度進行檢測。

5 試驗結果討論

5.1 不同配比方案下土壤固化抗壓、抗折強度分析

進行了21組不同水灰比及土壤固化劑配合比下試驗預制襯砌土塊不同養護時間下其抗拔、抗折強度的測定，試驗測定結果見表2。

表2 不同配比方案下的試驗土塊抗拔、抗折強度分析

從試驗結果可知，在相同水灰比條件下實驗土塊抗壓、抗折強度隨著摻量增加而有所提高，土壤固化作用下土塊抗壓、抗折強度隨著養護時間的增加而有一定程度的提高。通過對21種配比方案進行試驗，土壤固化作用下土塊在水灰比為0.35條件下其強度明顯好于水泥硬性土，配合比為3∶1時期28d的抗拔、抗折效果最優。為抗拔、抗折條件下的最優方案。渠道襯砌混凝土水泥硬化作用下其抗拔強度可達到最小抗拔強度允許值的2倍以上，在實際工程施工中，應盡量減少土壤固化劑的摻量，可以一定程度提高其抗拔、抗折得到強度。隨著水灰比的增加在一定養護時間下土壤固化抗折、抗壓強度有所減小，因此為了提高土壤固化劑對于灌區引水渠道襯砌抗拔、抗壓效果，應盡量減小其水灰比。在相同配比方案下，固化土塊的抗拔、抗折強度隨著養護時間的增加而提高，但通過試驗分析，一般養護時間不要超過28d，超過28d后其同一配比方案下的土壤固化抗拔、抗壓強度呈下降變化。綜合分析，采用土壤固化劑進行渠道襯砌防滲處理時，水灰比為0.35，土壤固化劑摻量配合比為3∶1且經過28d養護后其抗拔、抗折強度可以滿足設計規范要求。

5.2 不同配比方案下土壤固化凍深分析

東北地區冬季氣溫寒冷，為提高灌區襯砌質量，需要對其土壤固化效果進行抗凍性能的分析，首先針對21種土壤固化配比方案進行室外最大凍深的測定，結果見表3。

表3 不同配比方案下各監測點位的最大凍深值

從各點位試驗測定的最大凍深可看出，灌區渠道襯砌采用土壤固化材料進行鋪設施工后，隨著地基土溫的變化渠道內的凍深變化規律具有相似性，但由于渠道坡向的變化其總體凍深特征有所差異，渠道邊坡凍深從上到下逐步減低，最大凍土深在陰坡點位要明顯高于陽坡點位。在相同水灰比條件下隨著土壤固化摻量配比的加大，其各點位下的凍土深總體呈遞增變化，且隨著養護時間的增加，在相同水灰比和土壤固化劑配比方案下其不同點位的最大凍土深呈現遞減變化，渠底的凍土深相對最低，但土壤固化摻量增加后渠道襯砌點位的最大凍土深有所減小，通過對21種配比方案的對比分析，在基于前面抗拔、抗折試驗分析的基礎上，綜合其配比方案下抗拔、抗折強度分析，當水灰比為0.35，土壤固化劑摻量配合比為3∶1下經過28d養護后其最大凍土深可以滿足設計規范要求。

5.3 不同配比方案下土壤固化凍脹量分析

在不同配比方案下各點位凍土深分析的基礎上，對相同點位的經過28d養護期后的凍脹量進行分析，分析結果見表4。

表4 不同配比方案下各點位土壤固化凍脹量測定結果

從試驗測定結果可看出，凍脹量最大值主要出現在渠道的下部，陰坡凍脹量最大值明顯高于陽坡，一般可高出2.5cm左右。在進行現場觀測試驗時，各監測點位通過消融作用其土壤凍脹變形有所復位，整個襯砌坡面未出現因凍脹變形影響產生的滑坡現象。和最大凍深變化較為一致，在相同水灰比下隨著土壤固化劑摻量配比增加，其不同坡向最大凍脹量變化差異也較為明顯，陰坡不同點位凍脹量最大值為陽坡的1.5倍左右，隨著土壤固化劑配比摻量增加其陽坡和陰坡凍脹量總體呈現遞增變化，但從其配比為3∶1后其凍脹量變化程度相對較低，綜合前面各點位不同配比方案下的凍深最大值變化和凍脹量變化，在土壤固化劑不同配比方案下，當水灰比為0.35，土壤固化劑摻量配合比為3∶1下經過28d養護后其最大脹量變化允許值可以滿足設計規范要求。

6 經濟造價效益分析

在進行土壤固化劑優化配比方案試驗分析的基礎上，本文針對灌區襯砌常用幾種固化材料進行工程造價和性能的對比，并將工程施工過程中相同條件下的土壤固化預制板和混凝土預制板進行造價對比分析，具體結果分別見表5—6。

表5 常用固化材料造價及性能對比

表6 灌區襯砌土壤固化預制板和混凝土預制板造價對比

采用本文優化配比方案下工程造價為16.5元/m2，且具有較好的性能，雖然在抗壓、抗折性能上土壤固化劑的總體性能有所欠缺，但相比于混凝土硬化下，其抗凍性能好于混凝土，其次土壤固化技術可以就地取材，每m2工程造價接近混凝土的50%左右，其次灰土和水泥土固化材料工程造價雖然相對要低于土壤固化劑和混凝土，但其固化性能相對一般。此外本文還對灌區襯砌土壤固化預制板和混凝土預制板進行造價對比，從對比結果可看出，試驗渠段總長度為400m，采用預制土壤固化板每m襯砌價格為126.1元，而采用混凝土預制板進行襯砌其每m的造價為240.2元，預制土壤固化板每m造價是預制混凝土板每延米造價的64.5%左右，相比可投資節省比例可為35.5%，灌區渠道防滲采用土壤固化預制板作為一項新的技術，可以在當地進行取材，大量砂石料能被有效節省，灌區渠道襯砌投資可以得到較大程度的下降。

7 結論

(1)在相同渠道襯砌長度下，分別采用土壤固化預制板和混凝土預制板，其每m工程造價分別為126.1元和240.2元，土壤固化預制板是混凝土預制板造價的64.5%左右，同比可節省投資35.5%，作為灌區襯砌一項新的施工技術，可以節省大量砂石料且可大幅下降工程投資，在東北地區具有較好的技術推廣性。

(2)在采用土壤固化預制板進行襯砌施工時，固化劑和土料攪拌混合到完成碾壓鋪設，要控制施工時間在6h以內，當碾壓固化土料出現“起皮”、“壓縮裂紋”等現象時，要在7d養護期后進行修補，修補厚度不得低于60mm。

(3)土壤固化技術由于還未有統一質量標準規范，其質量還較難控制，土壤固化劑鋪設和攪拌均勻度是后期試驗研究的重點。