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冬季土堤填筑自然压密理论及提高工程质量措施

2012-08-08宗兆博臧志刚

东北水利水电 2012年2期
关键词:压密含水率压实

宗兆博,臧志刚

(辽宁省水利水电科学研究院,辽宁 沈阳 110003)

绕阳河干流防洪工程是辽宁省“十五”期间河道整治的重点工程项目。该工程若于正常施工期施工,临时道路承载力有限,施工机械行走困难,效率低下,甚至无法施工。因此,经过技术论证和研究,不得不突破规范要求,利用冬季地表水和土壤冻结变硬的有利时机,集中大量施工机械进行大规模冬季筑堤施工。结合绕阳河干流防洪工程冬季筑堤的施工,采用原型观测及室内试验相结合的方法,在干流冬季筑堤段布置4个原型观测断面,经过对土体孔隙水压力、温度、分层沉降,不同高程土体干密度的几年观测,及室内对冬季土体压缩、固结、渗透等物理力学试验,并对观测及室内试验结果进行分析,总结提出土体的固结规律。

绕阳河堤防工程的施工,绝大部分都是在原有老堤上游侧进行加高培厚。堤防的沉降量主要发生在新填土部分,老堤和堤基虽然也能产生一定的沉降量,但相对说应该是较小的,可以忽略不计。

新填筑部分土体土壤含水率较高,最高可达34.4%,近于饱和。由于外界荷载影响作用很小,随着时间的增长,干密度逐渐增大,高含水率土体孔隙中的水分被挤出、流失、蒸发,土堤堤身含水率也相应下降,当干密度基本稳定或含水率接近塑限18%~21%左右,饱和度降低至80%以下,水分不能流失时就基本稳定不变了。这一变化过程基本反映了土堤在自重应力作用下自然压密和固结的真实过程。

为了解土堤自然压密条件下固结的过程,在室内试验室人工制样,进行一系列试验。

1 土堤在自重应力作用下的压实

土堤为冬季填筑,解冻后的很长时间内,除长期位于水下部分的局部堤体处于饱和状态外,堤的绝大部分均处于非饱和状态。非饱和土体不存在排水固结问题。因而不适于引用太沙基等的固结理论对堤的沉降和固结进行分析研究。现在引用试验室的压缩曲线,对土堤的自然压密过程进行一些简单的分析。

表1是盘山段2号土在不同垂直应力下的孔隙比试验结果,图1是孔隙比与垂直应力的关系曲线图。

试验按土工试验规程进行。初始干密度分别为 1.3,1.4,1.5,1.6g/cm3。图 1 曲线上的任何一点,都表示对应垂直应力作用下所能达到的稳定孔隙比的数值。曲线的开始部分弯曲非常大,而且初始干密度越小弯曲越大,说明初始干密度小的土样在较小的垂直应力下就可能获得较大的压实效果,使孔隙比变小,干密度增大;但随着孔隙比的减小,压实的难度逐渐增加,曲线越来越平缓,即使垂直应力增大至300~400 kPa,其孔隙比的变化

表1 盘山段2号土在标准固结时不同垂直应力下的孔隙比

图1 盘山段土料e—p关系曲线图

也是十分微小的。

根据课题组对试验堤段的最初检测结果,该段土堤在解冻后的初始平均干密度为1.33 g/cm3。在图中用内插法可以得到干密度为1.33 g/cm3时的压缩曲线;再从该曲线上可以查得土堤达到任意干密度(或孔隙比)时所需要的垂直应力值。

然而土堤在自然固结过程中所需的垂直应力是由土的自重提供的。土的自重应力是随土的深度而增加的,即

式中:P为自重应力,kPa;H为上覆土层的厚度,m;γ为土的重度,kN/m3,它与土的干密度、含水率有关。当干密度为1.33 g/cm3时,实测平均含水率为32.1%。则自然重度γ=17.6 kN/m3。

根据土的自然重度可以计算一组数据,绘于图2中。从图2(或从其拟合曲线方程计算中)很容易看到当上覆土层厚度大于3.5 m时,土堤自然压实后的干密度可以达到1.50 g/cm3以上;上覆土层为1.1~3.50 m时,土堤自然压密后的干密度均为1.40~1.50 g/cm3;当上覆土层厚度小1.1 m时,土堤自然压密后的干密度为1.33~1.40 g/cm3。达不到规定的合格标准。

图2 上覆土层厚度H与干密度ρd关系曲线图

从以上的分析中可以看出,土堤在3.5 m以下依靠自重压力,可以使干密度达到1.50 g/cm3的合格标准,然而在3.5 m以上土体能否达到1.50 g/cm3的合格标准呢?分析认为除自重压力外,其他外部因素如冻融、降水、渗透、饱和、湿陷、水分的转移和蒸发,斜坡整形碾压,以及修筑上部砂石路面时的机械震动压实、堤顶行车等,附加荷载均对堤体上部的压实产生有利影响,将逐步提高其干密度值。

必须指出,试验室的试验与土堤的实际情况是存在一定差别的。第一,堤体是非均质的,各个部位的含水率也是不均一的;第二,试验是有侧限的,但实际上靠近堤顶和边沿的土体是无侧限的。因此,此项分析结论是近似的,只能提供一个参考的标准。

2 提高工程质量的措施

干密度、含水率的分布规律和分区填筑措施。从定期的质检成果中可以看到,随着时间的增长,土堤的干密度在不断增大,经2~2.5年左右的自然压密固结后,土堤的总的平均干密度可以达到设计要求的标准。但是必须注意到土堤干密度的分布是不均匀的,较大的干密度主要分布在堤的上部,而偏小的干密度则分布在堤的下部。从定期质量自检资料中,随机摘录2004年10月进行的已经历时20个月的8个单元工程的检测成果,可以清楚的发现这一分布规律。在取样深度小于2 m的范围内,它们的平均干密度(ρd)随取样深度(z)的增加而减小,而平均含水率(ω)则随取样深度的增加而增大。

在8个单元工程质量自检结果中,干密度小于合格标准1.50 g/cm3的样本,均分布在堤的内部和取样深度较深的部位,其中堤坡取样深度1.4~1.5 m处的样本全部小于1.50 g/cm3,其最大值为1.49 g/cm3,最小值为 1.45 g/cm3,平均值为 1.473 g/cm3。这些样本均集中分布在堤的中心和基面附近。产生这一现象的原因有两点:一是堤基部位的土是最先填筑的,这时土料料场地下水位较高,土料含水率相对较高,故这部分填土含水率会高一些;二是位于堤基和堤内部的填土,因水分流失和蒸发的路径较远,含水率降低较慢,而且由于每年雨季河水补给,地下水位升高和毛细管作用的影响,而使非饱和土堤下部填土的含水率不仅不会降低,反而会增高。由于含水率增高,以至于达到饱和以后,要依靠自重压力使这部分土体继续固结,增大干密度则是比较缓慢的。因此认为,有必要采取适当措施,在施工时就使这部分土体达到设计要求的质量标准。具体办法就是“分区填筑”,即把堤轴线两测距基面高度约2.0 m以下的这部分堤体的填筑与其它部位的填筑区分开来,要求填筑时满足以下几点要求:

①尽可能选择使用料场中含水率相对较低的土料(最好不超过最优含水率3~4个百分点)。

②禁止填料中掺有冻土块。

③降低每层填土的铺土厚度(一般不要超过30~35 cm)。

④使用压强较大的碾压设备进行碾压。

⑤每层填土碾压后必须进行干密度和含水率的检测,并力求达到设计规定的压实标准。个别不合格的干密度值应不低于设计密度值的96%。

进行施工期的质量检测,对进一步加强施工管理,提高工程质量,掌握工程运用过程中的质量状况,是十分必要的。为此,必须解决施工期质量检测标准和检测方法问题。

[1]宗兆博,谭丽娥.绕阳河干流防洪工程冬季筑堤的沉降研究[J].吉林水利,2008(8):17~19.

[2]邵静霞,宗兆博.绕阳河干流防洪工程冬季筑堤含水率、干密度规律分析[J].吉林水利,2010(1):41~44.

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