南水北调中线京石段应急供水工程改性土筑堤技术试验方案及成果分析

冯建国

(河北省水利水电勘测设计研究院,天津 300250)

南水北调中线京石段应急供水工程改性土筑堤技术试验方案及成果分析

冯建国

(河北省水利水电勘测设计研究院,天津 300250)

为解决南水北调中线工程填筑土料严重不足问题,拟采用中细砂改性技术方案。根据南水北调中线京石段应急供水工程S3、S12、S19标段中细砂改性室内试验成果,总结分析改性土的物理力学指标与掺加材料、试验龄期之间的相关关系,为工程设计进行方案比选提供必要的物理力学参数。

南水北调中线工程;中细砂;改性土;试验成果分析

南水北调中线工程(京石段)自2005年开工以来,由于其建筑规模宏大、结构复杂、战线长,在施工过程中遇到诸多问题,其中之一就是合格填筑土料的严重不足,从而制约了工程进度。针对S3、S12、S19标段开挖弃料多为中细砂,渠线附近的土料场在质量和储量上很难满足工程需要的问题,若能采取措施利用中细砂筑堤,充分利用渠道的弃土土料,就地取材,不仅能减少占用耕地,而且也能节省投资,缩短工期[1]。直接利用中细砂作为建筑材料存在以下问题:①砂土的粘聚力很小,边坡稳定性相对较差;②砂土多具有中等透水性,不能满足渠道防渗要求。

土的改性技术是用物理、化学、生物等综合方法,改善天然土的某些性质,使之适应工程需要,该项技术在国外已有详细的研究资料和工程实例,在国内,2000年4月已被应用于辽宁省辽河石佛寺水库筑坝初步设计中,实践证明改性粉细砂筑坝或筑堤技术方案是可行的。现以南水北调中线京石段应急供水工程S3、S12、S19标段中细砂改性室内试验研究为例,总结改性土的物理力学指标与掺加材料、试验龄期之间的相关关系,为工程设计进行方案比选提供必要的物理力学参数。

1 试验概况

1.1 确定试验方案

试验方案要解决的主要问题是:一方面提高正应力较小时,土体的抗剪强度;另一方面提高土体的抗渗性能[2]。方案中包括现场取样原材料的检验和混合材料的配比试验。根据试验结果调整试验组数和掺入材料的百分比,主要实施步骤为:现场取样→原材料及改性材料检测(中细砂、水泥、粉煤灰)→配比试验→成果分析→提出施工建议方案。

1.2 现场采样方法

首先对不同标段沿线均匀布置探坑,选取代表性试样(一般在6组以上)及分类样,并选取改性材料:粉煤灰(2级)、水泥(P32.5)。

1.3 室内试验方法

(1) 天然砂样进行室内筛分、含水率、相对密度试验。筛分试验采用XSB-70B型Φ200标准振筛机;相对密度试验采用漏斗和振动锤击法。为了与改性后的力学指标进行比较,按一定密度制样,进行室内直剪、渗透等试验。渗透试验采用ST-55Ⅱ型渗透仪;直剪试验采用DSJ-4型应变式电动直剪仪[3]。

(2) 粉煤灰进行颗粒分析试验,以了解其颗粒组成。

(3) 进行各种配比改性砂的击实试验,击实试验采用轻型法(DJ-Q型电动击实仪)进行。

(4) 根据不同方案制备改性土试样进行室内渗透试验、直剪(包括饱快、饱固两种方法)试验以及抗压强度试验[3-4]。抗压试验采用WES-20型万能试验机。

2 试验材料的性能

2.1 改性材料

本次试验研究采用的改性材料为水泥、粉煤灰,其性能见表1。水泥的颗粒组成:粒径在0.075～0.005 mm之间和<0.005 mm的含量各按50%考虑。粉煤灰颗粒组成:粒径>0.075 mm的占6.0%,粒径在0.075～0.05 mm之间占8.5%,粒径在0.05～0.005 mm之间占73.7%,粒径<0.005 mm的占11.8%。

2.2 原材料

原材料均采用中细砂。本次试验研究对6组砂样进行室内筛分、相对密度和饱和快剪、饱固快剪、渗透试验,成果汇总于表2,颗粒组成范围见图1。

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3 改性土方案

试样制备采用三种方案:①中细砂掺加水泥方案。

表1 水泥、粉煤灰性能表Table 1 Properties of cement and fly ash

表2 中细砂试验成果统计表Table 2 Statistics of test results of medium fine sand

图1 中细砂颗粒组成范围线Fig.1 Grain composition of medium fine sand

选3组不同级配的砂样分别掺入2%、4%的水泥,含水率按11%,密度按1.65～1.70 g/cm3控制制样,制成3 d龄期渗透、直剪(饱快)、7 cm×7 cm抗压试块,以测其力学性能;②中细砂掺加粉煤灰方案。选3组不同级配砂样掺入8%的粉煤灰,含水率按13%,密度按1.75控制制样,制成1 d 龄期渗透、直剪(饱快)、7 cm×7 cm抗压试块,以测其力学性能;③中细砂掺加粉煤灰、水泥方案。选6组不同级配砂样分别掺加水泥(掺入量1%、2%、4%、6%)、粉煤灰(掺入量6%、8%),再按压实度(0.96、0.98)控制制样,分别制成龄期1 d、3 d、7 d、28 d的渗透、直剪(饱快、饱固快)、抗压强度试样[5],以测其力学性能。

4 改性土的试验成果分析

4.1 改性土颗粒组成的变化

按不同配比方案改性后土的颗粒组成得到了改善,随着掺加改性材料(粉煤灰、水泥)比例的增加,砂样的级配得到了改善,由级配不良变为级配良好[6];细粒土含量平均值由原来的11.7%提高到18.3%,且粘粒含量也由原来的0.0%增加到3.9%;不均匀系数Cu的平均值由原来3.9提高到12.2;曲率系数Cc平均值由原来的0.95提高到2.0。其相关关系见图2、图3。

图2 细粒土含量与掺加改性材料比例关系Fig.2 Relationship between fine soil content and modified material

图3 Cu、Cc与水泥掺量关系曲线Fig.3 Relationship between Cu,Cc and cement parameters

4.2 改性土的击实试验成果

按不同配比方案改性后的砂样进行室内击实试验,其最优含水率平均值在11.4%～13.0%之间,最大干密度平均值在1.79～1.84 g/cm3之间。随着掺加水泥量的增多,其最大干密度有所上升,最优含水率有所降低,但对两种指标影响不大,其相关关系见图4。

图4 击实指标与掺加改性材料关系曲线Fig.4 Relationship between compaction index and modified material

4.3 改性土各种力学性质指标的变化

结果表明:对于单纯掺加水泥和单纯掺加粉煤灰两种方案粘聚力的改善效果不是很明显,而同时掺加水泥、粉煤灰改性后使土料的粘聚力得到了提高,其渗透性能降低。

(1) 改性土抗剪强度与试样养护龄期的关系见图5。图5表明随着试件养护龄期的增长,改性土的粘聚力(C)、内摩擦角(φ)均得到提高。

(3) 改性土的渗透系数与改性材料掺加比例关系见图7。统计结果和图7表明:当掺加材料<7%时,随着改性材料填加比例的增加,渗透系数减小,由原来的8.0×10-4cm/s降到了8.1×10-5cm/s,而且掺加粉煤灰含量的增加,对渗透性能影响较大(如掺加材料7%,其中水泥1%、粉煤灰6%,渗透系数平均值为8.1×10-5cm/s);当掺加材料>7%时,且粉煤灰含量分别为6%、8%,随着掺加材料的增加,渗透系数平均值在8.1×10-5～1.5×10-5cm/s之间,因此改性土的渗透性能与掺加材料含量有关,但起主要作用的是粉煤灰含量,且掺加到一定含量改性土的渗透性能基本稳定,并满足筑堤要求。由于本次渗透试件龄期多为1 d(个别为3 d),水泥和粉煤灰等胶结材料尚未完全发挥效用,估计龄期28 d试件若养护较好,其渗透系数还可能会降低。

(4) 改性土的抗压强度与试件养护龄期的关系见图8。由图8可以看出,抗压强度由1 d龄期的11 kPa增加到28 d龄期的1 106 kPa。随着试件养护龄期的变化,试件中水泥逐渐凝固,强度也逐渐提高。

综上所述,中细砂掺加水泥、粉煤灰后,颗粒级配均有所改善,各种力学性质指标均有所提高,基本符合粘性土筑堤技术要求指标,因此,改性筑堤在技术上是可行的,粉煤灰的掺加比例在6%～8%、水泥的掺加比例1%～2%效果比较理想。

表3 改性土力学性质指标统计表Table 3 Statistical table of mechanical properties of modified soil

图5 抗剪强度指标与试件养护龄期关系曲线Fig.5 Relationship between shear strength and maintenance age of specimen

图6 改性土抗剪强度指标与水泥掺量关系Fig.6 Relationship between shear strength and cement content of modified soil

图7 渗透系数与改性材料掺加比例关系Fig.7 Relationship between permeability coefficient and additive ratio of modified material

图8 抗压强度与试件养护龄期关系曲线Fig.8 Relationship between compressive strength and curing age of specimen

5 结语

(1) 中细砂掺加水泥、粉煤灰随着掺加比例的增加,改性土的级配逐渐变为良好;力学性质指标也随之提高,抗渗透性能增强。

(2) 掺加水泥(含量1%、2%、4%)、粉煤灰(含量6%、8%)的改性土室内击实试验指标变化不大,最优含水率一般在11.0%～13.0%之间,最大干密度在1.75～1.85 g/cm3之间,因此在工期短、任务重的情况下,可参考上述指标进行改性土制样。

(3) 建议采用中细砂掺加1%～2%水泥(P32.5),掺加6%～8%粉煤灰(2级或3级)。

(4) 改性土室内试验研究具有一定的局限性,在工程施工前,应进行现场试验,以确定施工参数。

(5) 在试件的制作过程中,含水率的轻微变化对制样密度影响较大。在进行现场试验过程中,严格控制含水率在最优含水率上下2%以内[7]。

(6) 在试件的制作过程中,各种配比拌合的均匀性对试件的密度影响较大,现场施工时每层土料的填筑厚度、拌和均匀性要严格控制。

(7) 现场施工时,由于工作面长,应妥善处理好每层土料填筑后的养护工作。

(8) 本次有关改性土室内试验研究对野外各种边界条件考虑得还不够充分,试验数据偏于安全,文章中提供的各种试验指标可供在今后的工程中参考使用。

[1] 河北省水利水电勘测设计研究院. 南水北调中线京石段应急供水工程改性土筑堤技术试验研究报告[R].天津:河北省水利水电勘测设计研究院,2007.

[2] 陈仲颐,周景星,王洪谨.土力学[M].北京.清华大学出版社,1994.

[3] 中华人民共和国水利部.土工试验规程:SL237—1999[S].北京:中国水利水电出版社,1999.

[4] 长江水利委员会长江科学院.水利水电工程岩石试验规程:SL264—2001[S].北京:中国水利水电出版社,2001.

[5] 中华人民共和国水利部.水工混凝土试验规程:SL352—2006[S].北京:中国水利水电出版社,2006.

[6] 《工程地质手册》编委会.工程地质手册[M].第四版.北京:中国建筑工业出版社,2010.

[7] 林在贯,高大钊.岩土工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1994.

(责任编辑：于继红)

Test Scheme and Result Aanalysis of Embankment Technology Used by ModifiedSoil in Emergency Water Supply Project of Beijing Shijiazhuang Section ofMiddle Route of South to North Water Transfer Project

FENG Jianguo

(HebeiResearchInstituteofInvestigation&DesignWaterConservancy&Hydropower,TianjinChina300250)

In order to solve the serious shortage of filling soil in the middle route of South to North Water Transfer Project,the medium fine sand modification technology was adopted. According to the results of laboratory test on modification of medium fine sand of S3,S12,S19 tenders in emergency water supply project of Beijing Shijiazhuang section in middle route of South to North Water Transfer Project,the correlation between physical mechanical indexes and materials,test ages of modified soil are summarized and analyzed,the necessary physical and mechanical parameters are provided for scheme comparison for engineering design.

the middle route of South to North Water Transfer Project; medium fine sand; modified soil; test result analysis

2017-06-15;改回日期:2017-06-23

冯建国(1971-),男,工程师,水利水电工程专业,从事水利水电工程、岩土检测工作。E-mail:hbyfjg@163.com

TV68; TU41

A

1671-1211(2017)04-0475-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.026

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1325.008.html 数字出版日期:2017-06-20 13:25