南水北调东线一期工程江苏省境内膨胀土特征及改良

王振友, 宋意勤, 凌晓梅, 邓社根

(江苏省工程勘测研究院有限责任公司,江苏 扬州 225002)

南水北调东线一期工程江苏省境内膨胀土特征及改良

王振友, 宋意勤, 凌晓梅, 邓社根

(江苏省工程勘测研究院有限责任公司,江苏 扬州 225002)

以南水北调东线一期江苏境内工程场地膨胀土为研究对象,通过试验数据收集、分析,得出沿线调水泵站地基原状土、堆弃土、压实填土物理性质、矿物组成和膨胀性特征;结合室内试验,模拟施工条件进行膨胀土改良“大型”试验研究,对比石灰和石灰+水泥为改良剂及不同掺入率时改良土膨胀性、力学强度、渗透性的变化规律,提出膨胀土改良应用建议,为南水北调东线二期江苏境内工程建设积累经验。

膨胀土;“大型”改良试验;改良剂量

南水北调东线一期工程江苏省境包括17个泵站枢纽、7条河道和水资源调整补偿、沿运涵闸漏水处理工程等项目。主要枢纽、河道分布情况见图 1。

图 1 江苏境内主要泵站、河道工程位置示意图Fig.1 Sketch map of major projects in Jiangsu

江苏省的膨胀土分布在苏北的徐州、宿迁和淮安以及苏南的苏州,特别是淮安有大面积的膨胀土分布[1]。南水北调东线一期工程江苏境内泵站、河道工程穿越徐州、宿迁和淮安等地,膨胀土是实际面对和需要彻底解决的工程问题。

1 东线一期工程膨胀土特征

地质勘察发现一期工程多个泵站场地有膨胀土分布,其中尤以洪泽站、刘老涧站、睢宁二站、解台站等枢纽膨胀土问题突出。工程建设需要解决:①膨胀土层作为泵站基础持力层,在泵站施工、运行中是否产生不均匀胀缩变形而导致泵站建筑物破坏？②泵站翼墙墙后需要大量回填土,场地附近无合适土方,而泵站基槽开挖出数万方膨胀土不适合作填土料,若作弃土堆放又需要占用耕地。

一期工程建设成功解决了上述问题。分析总结一期工程代表性泵站膨胀土特征、工程影响和改良运用情况,可以为南水北调二期工程建设提供经验参考,有一定的实用价值。

1.1 各站膨胀土原状样物理性质指标

各站主要地基土层物理性质指标和膨胀性试验[2]成果见表 1。

1.2 各站膨胀土原状样膨胀性指标

收集各站场地地基土层膨胀性试验指标见表 2。

1.3 开挖堆置膨胀土物理力学、膨胀性指标

根据工程建设需要,对1996年完成的刘老涧一站基槽开挖土进行了试验研究。刘老涧一站建设过程中开挖土也以②1、②2、③1层为主,因具膨胀性堆弃于工

表1 各站主要地基土层物理性质指标

表2 各站主要地基土层膨胀性试验成果

程场地附近。自一站建成至2008年二站工程地质勘察,已堆置12年有余,其物理力学指标及膨胀性试验成果见表3、表4。

表3 刘老涧一站开挖堆置土物理性质指标

表4 刘老涧一站开挖堆置土膨胀性试验指标

2 部分站膨胀土矿物组成研究

2.1 洪泽站东膨胀土X射线衍射分析

自洪泽站东场地钻孔中取了一组土样进行膨胀土矿物组成试验。结果见表 5,并附X射线衍射图谱(图 2)。试验结果表明,场地土的矿物组成中含5%～15%的蒙皂石和10%～20%的水云母,这两种矿物均具有亲水性,且两者合计含量可达15%～35%,因而使该场地土具有膨胀性。

表5 土样矿物组成试验成果表

注:可能尚含有少量绿泥石、高岭石等。

图 2 X射线衍射分析图谱Fig.2 X ray diffraction analysis

2.2 刘老涧一站膨胀土矿物分析及湿化崩解试验

取刘老涧一站膨胀土进行X射线衍射试验,试验条件:铜靶40KV60MA石墨单色器,闪烁计数器温度22℃、湿度63%。试验成果见表6。

取样进行崩解试验,湿化试验结果表明,1 h崩解量达50%,24 h崩解量达70%～80%,网上剩余多为小砂礓。

2.3 睢宁二站扫描电镜透视试验

取睢宁二站膨胀土样进行矿物分析试验[3],分析成果见表7。

表6 土样矿物组成试验成果表

以上6组试样扫描电镜透视(TEM)显示,样品内部结构多数团粒呈絮状颗粒或絮状集合体。

表7 睢宁二站主要地基土矿物相对定量分析成果

3 压实处理膨胀土物理学、膨胀性指标

利用刘老涧一站开挖土进行局部填筑并进行压实处理,对压实处理后的填土取样试验,其物理性质指标和膨胀性试验指标见表8、表9。

表8 刘老涧一站压实填土物理性质指标

表9 刘老涧一站压实填土膨胀性试验成果

4 膨胀土现场改良试验研究

4.1 改良试验方案

以河海大学2006—2008年室内科研成果为基础,结合水利工程建设特点,确立现场改良试验研究方案分“石灰改良方案”和“石灰+水泥改良方案”。试验步骤为:第一步膨胀土砂化,第二步不同改良剂(①石灰,②水泥)深入改良,第三步样品制作进行膨胀性、物理力学试验,第四步成果分析形成报告。改良剂配比为:掺加2%消石灰进行砂化,石灰改良试验采用质量比3%、5%、7%掺灰量(包括砂化石灰掺量);石灰+水泥改良试验采用质量比2%石灰砂化再加入3%、4%、5%的水泥。

两种改良剂配比的确定,在考虑改良后的土体能够满足工程需要的同时,也综合考虑了施工、造价方面的影响。

4.2 制样设备要求和试验方法改进

现场改良试验尽可能贴近施工作业实际,模拟现场施工条件下进行。在保持作用功一致的条件下将室内击实改为现场碾压或现场夯实,现场自由膨胀率、无荷载及有荷载膨胀率、膨胀力等试验进行大试样的配制,并保留砂礓在其中。按施工破碎一般可达到的土块颗粒及绝大多数砂礓粒径大值3～5 cm,个别土块颗粒及砂礓粒径6～8 cm考虑,试验要求制备出直径为50.4 cm的大试样,即配制试样仪器内径为50.4 cm的“大型”试验设备。

“大型”试验设备照片见照片1,装置示意见图3。

作为现场模拟试验的辅助手段,改良试验也同时安排了部分室内试验,以进一步确定适当的改良材料、改良剂比例和施工工艺。

4.3 改良试验成果及分析

4.3.1 改良土塑性指数、自由膨胀率

根据《土工试验规程》(SL237— 1999)要求和步骤进行改良土塑性指数、自由膨胀率试验,改良后塑性指数成果见图4、图5,自由膨胀率成果见图6、图7。

照片1 内径50.4 cm的“大型”设备Photo 1 Large equipment of inside diameter of 50.4 cm

图3 有荷膨胀率、膨胀力试验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of expansion ratio and expansion force testing device

图4 石灰掺入率、工艺与塑性指数关系Fig.4 Curves of lime mixing rate,process and plastic index

结果显示,配制后立即测试的塑性指数基本未变,而闷置后塑性指数下降明显,且随石灰掺入率提高改善幅度增大,但随水泥掺入率提高改善幅度则有所波动,规律不显著。说明土料闷置工艺是必要的,时间延长对膨胀土改良有利。

图5 水泥掺入率、工艺与塑性指数关系Fig.5 Curves of cement mixing ratio,process and plastic index

图6 石灰掺入率、改良工艺与自由膨胀率关系Fig.6 Curves of lime mixing ratio,improved technology and free expansion rate

图7 水泥掺入率、改良工艺与自由膨胀率关系Fig.7 Curves of cement mixing rate,improved technology and free expansion rate

结果显示,配制后立即测试的自由膨胀率基本未有改善,而配制闷置后自由膨胀率下降明显,3%、4%和5%的石灰或水泥掺入率均能使膨胀土的自由膨胀率下降至40%以下,成为非膨胀性土;随石灰掺入率提高改善幅度增大,而改善幅度随水泥掺入率提高关系不甚明显。改良过程土料闷置工艺是必要的,延伸对膨胀土改良有利。

4.3.2 改良大试样试验

按既定试验方案,制作数个直径50.4 cm的改良土大试样,考虑改良工艺对比要求进行无荷膨胀率、有荷膨胀率、膨胀力、收缩试验和渗透试验。

(1) 无荷膨胀率。结果显示,掺灰率越大,改良效果越好,灰土无荷膨胀率越小;水泥改良土的无荷膨胀率与掺入率关系规律不强,但膨胀率均较小。

图8 石灰掺入率与无荷膨胀率关系Fig.8 Relation curve between lime mixing rate and the no load swelling rate

图9 水泥掺入率与无荷膨胀率关系Fig.9 Relation curve between cement mixing ratio and the no load swelling rate

(2) 有荷膨胀率。图10、图11显示,相同荷载下,掺灰率越大,有荷膨胀率越小,各掺灰率条件下加载至5 kPa左右时,有荷膨胀率均为负值。

图10 4.5 kPa荷载下膨胀率与石灰掺入率关系Fig.10 Curve of swelling rate and lime mixing rate under 4.5 kPa load

(3) 膨胀力。图12-图13显示,石灰掺入率越大,改良土膨胀力越小;水泥掺入率与膨胀力关系无明显的规律性。但数据反映标准夯实功下改良土的膨胀力均<2.5 kPa。

图11 4.6～6.7 kPa荷载下水泥掺入率与膨胀率关系Fig.11 Curve of cement mixing rate and swelling rate under 4.6～6.7 kPa load

图12 膨胀力与石灰掺入率关系Fig.12 Curve of expansion force and lime mixing rate

图13 膨胀力与水泥掺入率关系Fig.13 Curve of expansion force and cement mixing ratio

(4) 渗透系数。图14、图15显示,石灰掺灰率提高,改良土渗透系数相应降低;随水泥掺入率提高,水泥改良土渗透系数并没有呈现下降趋势。但试验反映出改良土的渗透系数在9.5×10-6～1.7×10-5cm/s之间,满足水利工程一般防渗要求。

图14 渗透系数与石灰掺入率关系Fig.14 Curve of permeability coefficient and lime so mixing ratio

图15 渗透系数与水泥掺入率关系Fig.15 Curve of permeability coefficient and cement mixing ratio

4.3.3 改良土强度试验

按《土工试验规程》规定进行改良土的直接快剪试验,考虑改良剂掺入率和龄期。

表10显示,石灰改良土具以下特征:①即配即剪强度值随着掺灰率的提高而有所下降,特别是粘聚力下降十分明显;②浸水养护的夯实土样随着掺灰率的提高其抗剪强度有明显提高,粘聚力在掺灰率2%～5%之间上升明显,5%以后改善不大,掺灰率对内摩擦角影响不明显;③同一掺灰率土样抗剪强度随着养护时间的延长有明显提高,以浸水养护半个月内强度提高效率最大,同时也体现出灰土粘聚力随养护时间延长提高明显,内摩擦角则仅有较小改变。

表10 石灰改良土强度试验成果表

注:试样击实功592.2 kJ/m3,石灰土浸水前全部已在空气中养护7天。

表11显示,水泥改良土试验具以下特征:①即配即剪强度值随着水泥掺入率的提高有所提高,只是没有陡升趋势,但与素土比较提高显著;②养护时间延长(15天延长至25天),抗剪强度提高明显,主要表现为粘聚力的提高,内摩擦角没有大的变化。

表11 水泥改良土强度试验成果表

注:试样击实功592.2 kJ/m3,泥试夯样均含有2%砂化用石灰。

5 结论

对比分析沿线工程场地土室内试验成果和模拟施工工艺现场改良试验研究成果,初步得到南水北调东线江苏境内工程场地膨胀土特征和改良运用方法,形成以下几点结论:

(1) 沿线建筑物地基土层主要为第四系上更新统(Q3)黏土、粉质黏土,矿物成分中含有15%～38%的伊利石(水云母)、蒙皂石,伊利石及蒙皂石具亲水性和膨缩性,使该场地土具有膨胀性,膨胀性中—弱。

(2) 膨胀土膨胀力一般在16.7～140.7 kPa之间,深下卧层局部达200 kPa左右。建筑物主体持力土层处于大气影响深度以下,膨胀力基本小于设计荷载,不受膨胀性明显影响;河坡、消力池、铺盖处等荷载较小的部位可能会因地基土膨胀而产生变形甚至破坏。

(3) 膨胀性粘性土即使被挖置地表多年,甚至进行压实处理,其膨胀性仍基本不变,故不能作为填筑土料直接使用。

(4) 按实际填筑施工条件进行的大型模拟试验成果显示,石灰或石灰+水泥改良后的膨胀性土料,其膨胀性基本消除,能够满足工程设计强度、抗压和抗渗要求。

(5) 综合考虑施工复杂性和运行安全性等因素,一般可选用2%石灰砂化后再掺入3%水泥作为膨胀土填料改良剂量。

[1] 王宝田,张福海.膨胀土的改良技术与工程应用[M].北京:科学出版社,2008.

[2] 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.

[3] 连伟,訾剑华,石长印.睢宁二站地基土膨胀性研究[J].扬州大学学报(自然科学版),2007(4):32-35.

(责任编辑：陈姣霞)

Expansive Soil Characteristics and Improvement of South-to-north Water Diversion in Jiangsu Province

WANG Zhenyou, SONG Yinqing, LING Xiaomei, DENG Shegen

(EngineeringInvestigationInstituteofJiangsuProvince,LLC,Yangzhou,Jiangsu225002)

In this paper,taking expansive soil in a North Water Transfer Project in Jiangsu Province as the research object,through experimental data collection and analysis,the paper draws the physical properties,mineral composition and swelling characteristics of ground undisturbed soil,spoil heap and compacted fill along transfer pump stations. Combined laboratory tests,the authors simulate the construction of expansive soil conditions of improved “large” experimental research,compare lime (lime and cement) when the modifier and different rates of incorporation of improved soil expansion,mechanical strength,permeability changes law,put forward suggestions of improved application of expansive soil,accumulate experience for the second phase of North Water Transfer project in Jiangsu Province.

expansive soil; “large” improving test; improved dose

2016-04-22;改回日期:2016-05-16

王振友(1968-),男,教授级高级工程师,水文地质与工程地质专业,从事岩土工程勘察工作。E-mail:jsyzwzy@126.com

TU443

A

1671-1211(2016)03-0436-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.044

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.020.html 数字出版日期:2016-05-05 15:31