灌注樁后注漿對樁周黃土力學特性和濕陷性的影響

張 星, 崔 強, 王金鎖, 李 俊, 劉 廣, 張振華

(1.國網新疆電力有限公司建設分公司,新疆 烏魯木齊 830063; 2.中國電力科學研究院有限公司,北京 102401; 3.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

我國新疆地區有大量的風電等清潔能源,依靠特高壓輸電線路將新疆地區電能輸送到能源緊缺的東部和中部地區,是實現資源有效調配的重要方式。2022年5月國務院在《關于促進新時代新能源高質量發展的實施方案》中提出,要加大力度規劃建設以大型風光電基地為基礎、以其周邊清潔高效先進節能的煤電為支撐、以穩定安全可靠的特高壓輸變電線路為載體的新能源供給消納體系[1]。根據《新疆“十四五”電力發展規劃》,“十四五”期間,新疆將進一步完善750 kV主網架,開工建設±800 kV哈密北—重慶特高壓直流工程,推動實施哈密—敦煌第三回750 kV輸變電工程,形成“內供七環網、外送六通道”的主網架格局,特高壓電網將迎來新一輪的建設高峰期[2]。

新疆地區的黃土雖然在自然狀態下有低壓縮性、強度高和孔隙比小等特點[3],但是新疆黃土一旦遇水,就會產生明顯的濕陷變形現象,且失水后還會出現二次濕陷性。隨著土體埋藏深度增加,黃土濕陷性逐漸降低,而在相同埋深情況下,在一定范圍內,隨著上覆壓力的增加并在一定浸水條件下,黃土的濕陷性十分明顯[4-5]。干濕循環作用會使得黃土顆粒間的微裂隙逐漸擴張,干密度顯著減小,這也是導致表面裂隙改變和力學性能衰減的本質原因[6]。

為了評價黃土地基濕陷性變形,文獻[7]進行不同圍壓和應力比的黃土增濕至飽和浸水三軸試驗,給出濕陷性黃土的濕陷變形計算表達式;文獻[8-12]研究發現,利用水泥粉煤灰碎石樁、素土擠密樁、土壤固化劑和振桿密實法技術處理濕陷性黃土地基,能較好地改善黃土的濕陷性。新疆地區的黃土濕陷變形嚴重影響新疆特高壓輸電線路的塔基基礎穩定性,亟需開展黃土地基改良方法對其力學特性和濕陷性的影響機制研究。

為提升新疆黃土地基中特高壓輸電線路的塔基穩定性,本文采用灌注樁后注漿方法進行黃土地基改良,通過開展改良前后樁周黃土的直剪強度、濕陷性指標和微觀性能測試,從宏微觀角度揭示灌注樁后注漿對新疆黃土的改良效果和作用機制,以期為采用灌注樁后注漿方法改良新疆黃土的力學和變形特性提供參考。

1 試驗準備

1.1 取樣地點

本研究取樣地點位于新疆伊犁哈薩克自治州尼勒克縣塔勒德地區。為驗證地基改良技術方案對依托工程濕陷性黃土地基適用性,研究人員在該地區開展了黃土地基灌注樁后注漿的改良試驗,并進行樁基上拔承載力的真型測試。本文主要研究灌注樁后注漿改良方式對樁周黃土力學和濕陷性的影響。

1.2 樣品制備與測試

本次強度測試使用標準環刀樣進行實驗室測試,在20號塔位取環刀樣12個,在29號塔位于改良前后各取環刀樣12個。其中,20號塔位在黃土地基中直接開挖取樣,記為取樣點1,如圖1所示。

圖1 20號塔位取樣點1取樣現場圖片

29號塔位為樁基灌漿和上拔試驗場地,該場地規劃設計10個試驗樁,改良前土樣取樣位置為未注漿試驗樁的樁周土體,記為取樣點2;改良后土樣取樣位置為注漿試驗樁的樁周土體,記為取樣點3。29號塔位取樣點取樣現場圖片如圖2所示。

圖2 29號塔位取樣點取樣現場圖片

注漿采用多斷面樁側注漿方式,自地面起算,每隔 2 m設置1層注漿斷面。取樣點3處的樁長為5.2 m, 埋入長度為5.0 m,外露長度為0.2 m,樁徑為1.0 m,共設置2個注漿斷面。漿液通過豎向注漿管到達注漿斷面,在每個注漿斷面上有由耐高壓復合軟管加工而成的環形單向注漿閥,環形注漿閥上開設 6 個注漿孔。后注漿時間在混凝土初凝后,即成樁 2 d后開始注漿。漿液的水灰比控制在0.7～0.9之間,注漿壓力與深度有關,在本取樣斷面處注漿壓力為0.1 MPa,注漿流量不超過 75 L/min,每個斷面注漿量估算約為0.7 t。

環刀取樣過程中均勻用力,環刀取樣后采用保鮮膜和膠帶密封,并采用記號筆進行編號,密封好的環刀樣裝入保鮮袋,進一步防止水分丟失。密封制備好的環刀樣采用防震氣泡膜包裹裝箱,運輸過程輕拿輕放,盡量避免對黃土原狀結構的擾動。

為弄清新疆黃土樣物理性質,開展一系列實驗室物理力學試驗。采用鋁盒烘干法對新疆黃土含水率進行測試,烘干時間不少于8 h,使用液塑限聯合測定儀,測得3個取樣點試樣的液限、塑限和塑性指數。3個取樣點試樣的含水率、密度、塑限、液限和塑性指數見表1所列。

表1 3個取樣點試樣含水率、密度和液塑限

2 后注漿對力學特性和濕陷性的影響

2.1 試驗方法

本文采用直剪試驗研究新疆黃土的力學和強度特性。根據文獻[13],結合土樣實際情況,新疆濕陷性黃土直剪試驗的方法和步驟如下:

1) 每組直剪試驗準備4個環刀土樣,將準保存良好的原狀環刀土樣拆封,進行環刀編號,制備標準的環刀土樣。

2) 將剪切盒安裝好,插入銷釘,使上下剪切盒緊密貼合,環刀刀口向上放在上剪切盒,用透水石緩慢按壓環刀土樣,將土樣擠進剪切盒中,放上加壓蓋。

3) 將剪切盒的觸頭對準壓力環方向,將剪切盒正確放在剪切儀上,手搖搖桿,當變形百分表有讀數時,停止搖動,使環刀、剪切盒緊密接觸,將壓力桿放在壓力蓋上,先給予100 kPa的垂直壓力。拔出銷釘,接通電源,打開開關。

4) 搖桿每轉動2圈,記錄變形百分表讀數。土樣剪切破壞時的讀數乘以測力環系數即為該土樣在對應垂直壓力下的抗剪強度。需要注意的是,本次試驗土樣為濕陷性黃土,剪切破壞對應的讀數在變形百分表的表現不明顯,需仔細關注試驗過程中指針不再轉動或倒退的現象,同時根據記錄數據的增長值和增長趨勢,識別出土樣剪切破壞時對應的變形百分表讀數。

5) 再分別給予200、300、400 kPa的垂直壓力,重復步驟1)～步驟4),得到每級垂直壓力下的抗剪強度。

濕陷性指標測試采用雙線法,該方法操作較簡單,需要的試樣量少。試驗時一個試樣在天然濕度下分級加壓,直至濕陷變形穩定為止;另一個試樣在天然濕度下施加第1級壓力后浸水。浸水時向容器中注入純水,水面宜高出試樣頂面;浸水時注入的純水淹沒土樣,水面高度相同,確保不同試樣的浸水狀態完全一致。在第1級壓力下濕陷穩定后,再分級加壓,直至試樣在各級壓力下浸水變形穩定為止,壓力等級在150 kPa以內時,每級增量為25～50 kPa;壓力超過150 kPa時,每級增量為50～100 kPa。由于取土深度較淺,最后一級壓力采用200 kPa。記錄每級壓力下的讀數,并計算每級壓力下的濕陷系數[13],計算公式為:

(1)

其中:δ為濕陷系數;hp為在某級壓力下,試樣變形穩定后的高度;hp′為在某級壓力下,試樣浸水濕陷變形穩定后的高度;h0為試樣初始高度。

2.2 抗剪強度

3個取樣點黃土試樣4種壓力下的直剪試驗結果見表2所列。

表2 3個取樣點黃土試樣4種壓力下抗剪強度 單位:kPa

由表2可知:取樣點1與取樣點2的黃土抗剪強度相近,這2個取樣點的土均為改良前黃土,均為未施加改良措施的土樣;改良后樁周黃土在各級荷載下的抗剪強度明顯增大,在100 kPa垂直壓力下增幅大約為20 kPa,整體呈垂直壓力越大、增幅越大的趨勢。

根據表2試驗數據,進行試驗數據擬合,根據擬合直線方程可得到黃土的內摩擦角和黏聚力,見表3所列。

表3 3個取樣點黃土的黏聚力和內摩擦角

從表3可以看出:改良前土樣(取樣點1和取樣點2)的內摩擦角平均為23.66°,黏聚力平均為20.88 kPa;與改良前土樣相比,改良后黃土(取樣點3)內摩擦角變大為26.76°,增幅為13.10%,而黏聚力增大為31.30 kPa,增幅為49.90%。由此可見,樁周后注漿的擠壓作用一定程度上改變了新疆黃土的結構,改良后黃土的抗剪強度、內摩擦角和黏聚力均有不同程度的提升。

2.3 濕陷性指標

根據2.1節所述黃土濕陷性指標測試方法,用雙線法進行黃土濕陷性指標測試,試驗過程中做好記錄,進行黃土試樣在不同壓力下天然狀態與浸水狀態變形比較,在最后一級壓力黃土濕陷變形穩定后,浸水狀態試樣比天然狀態試樣變形明顯。

每組黃土濕陷性指標測試需采用2個試樣,一個試樣為天然狀態,另一個試樣為浸水狀態。每個取樣點進行2組濕陷性指標測試,分別記為試驗1和試驗2,測出在每級壓力下試樣天然狀態與浸水狀態下的試樣高度。取樣點1試驗1在不同壓力下天然與浸水狀態變形對比如圖3所示。

圖3 取樣點1試驗1在不同壓力下天然與浸水狀態變形對比

取樣點1試驗2在不同壓力下天然與浸水狀態變形對比如圖4所示。

圖4 取樣點1試驗2在不同壓力下天然與浸水狀態變形對比

同樣地,分別進行取樣點2和取樣點3的2組濕陷性指標測試。由式(1)計算得到不同垂直壓力下黃土的濕陷系數,見表4所列。

表4 3個取樣點黃土4種壓力下2組試驗的濕陷系數

取樣點2和取樣點3共進行4組試驗。由表4可知:在軸向荷載50 kPa下,黃土的濕陷系數由改良前的平均0.042減小至改良后的0.017;在軸向荷載100、150、200 kPa下,與改良前相比,改良后濕陷系數均有所下降,由改良前的0.061、0.072、0.079分別減小至改良后的0.037、0.044、0.051;在每級荷載下,黃土的濕陷系數平均下降0.026左右,降幅約41.34%,黃土濕陷性系數下降較明顯,達到了較好改良效果。不同垂直壓力下黃土改良前后平均濕陷系數對比如圖5所示。

圖5 3個取樣點黃土濕陷系數對比

從圖5可以看出,取樣點1與取樣點2(改良前)濕陷性較高,采用樁周后注漿進行黃土的濕陷性改善,取樣點3(改良后)黃土遇水時濕陷變形顯著減小,平均降低41.34%。

3 注漿前后的微觀結構測試分析

3.1 FESEM測試分析

采用合肥工業大學分析測試中心的熱場發射掃描電子顯微鏡(field emission scanning electron microscope,FESEM)對新疆黃土的微觀結構進行觀測,改良前、后黃土的FESEM圖像如圖6所示。

圖6 改良前、后黃土FESEM圖像

對比改良前、后FESEM圖像可以發現:改良后顆粒間隙變小,孔隙率也較小,顆粒之間膠結良好;在注漿后土體表面可見少量凝塊狀膠結,分布均勻。在現場試驗中,采用的注漿壓力較大,但是開挖樁周土體發現,漿液很少進入土體,大部分附著在樁周上形成混凝土凸起。這種樁周凸起一定程度上增大了樁周側摩阻力,對樁體抗拔承載力的提升具有重要作用。同時,注漿過程中漿液注入對周圍土體具有較強的擠壓作用,注漿壓力通過擠壓樁周土體,降低了孔隙率,提高了黃土的抗剪強度。

3.2 XRD測試分析

依據文獻[14],在黃土X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)測試分析前,先取100 g左右土樣在室溫下風干,然后用瑪瑙研缽將風干后的樣品碾碎成粒徑小于0.075 mm的粉末,在碾碎過程中可通過過篩的方法分離達到粒徑要求的粉晶顆粒。將碾磨好的粉末樣品充分混合均勻后,進行XRD測試。

本研究采用固定靶X’Pert PRO MPD X射線衍射儀(荷蘭PANalytical公司)進行測試分析,結果表明,改良前后的新疆黃土礦物組分未明顯改變。這說明注漿后漿液未大量進入土體,更多的是附著在樁周形成混凝土凸起。采用分析軟件MDI Jade 6.5對黃土的XRD圖譜進行分析,結果如圖7所示。

圖7 黃土的XRD分析結果

4 結 論

本文針對灌注樁后注漿對樁周黃土力學特性和濕陷性的影響開展試驗研究。研究結果表明,改良前新疆尼勒克縣塔勒德地區黃土內摩擦角平均為23.66°,改良后內摩擦角增大為26.76°,增幅為13.10%,而改良前黃土黏聚力平均為20.88 kPa,改良后增大為31.30 kPa,增幅約為49.90%。

采用改良前后土樣(取樣點2、取樣點3)進行4組濕陷性指標測試,發現在50、100、150、200 kPa 4級軸向荷載下,改良后黃土的濕陷性變形均有顯著減小,每級荷載下,黃土的濕陷系數平均下降0.026左右,降幅約41.34%。黃土的微觀測試也表明,黃土微觀結構會因隨注漿而改變,改良后土骨架間的孔隙變小;改良前大多為絮狀結構,改良后發現少量塊狀膠結,這可能與后注漿過程中漿液對樁周黃土擠壓作用有關。

本文試驗結果表明,采用灌注樁后注漿技術在新疆地區對黃土地基進行改良、提高輸電線路塔基穩定性是可行的。