洞庭湖区水泥改良软土的碾压特性研究

2020-04-28李国文杨文琦

湖南水利水电 2020年1期

李国文，杨文琦

（湖南百舸水利建设股份有限公司，湖南长沙 410007）

1 工程概述

洞庭湖区河网密布，是长江水系的重要通道，也是全国防汛抗洪的重点地区，加强洞庭湖区水利堤防工程的建设与管理，是落实国家“三农”政策、提高国家粮食储备的重要举措，更是人民群众生命财产安全的有效保障[1]。共双茶垸蓄洪工程分洪闸工程位于共双茶垸南洞庭湖堤段桩号0+000～1+000 之间，主要建筑物包括闸室、岸墩、上下游消能设施和两岸连接堤段。蓄洪容积约21.00 亿m3，最大分洪流量为3 630 m3，分洪设计水位为33.10 m。该工程是洞庭湖三垸分蓄洪工程的重要组成部分，建成后将与原有湖堤一起构成一道有效的防洪屏障，确保蓄洪区内群众的生命财产安全，同时有利于缓解城陵矶地区的防洪紧张局面[2]。

分洪闸通过左、右岸两侧连接堤与原有湖堤连接，连接堤与原堤防等级相同，均为3 级。其中，左岸连接堤段长178.0 m，右岸连接堤段长182.0 m，堤顶宽8.5 m，堤顶高程36.0 m，原始地面标高26～28 m，连接堤需填土高度8～10 m。工程区挖方主要为粉质粘土和淤泥质粉质粘土，由于工程附近可利用粘土来源短缺，需最大限度地利用开挖土，对其进行水泥土改良后作为填方，以满足设计压实度0.93 的要求，该项工作成为连接堤填筑的控制重点。

2 地质条件

共双茶垸分洪闸工程位于共双茶蓄洪垸内，四面环水。垸内河湖水系密布，沟渠纵横交错，地下水位较高，该区范围内土质以河流冲积物和湖积物为主。根据地质勘察，闸址区地层岩性由上到下分别为人工堆积层、全新统冲湖积堆积、上更新统冲积堆积。人工堆积层主要为防洪大堤、垸内隔堤堤身填筑土和人工吹填土等，以灰黄、黄褐色粉质黏土、砂壤土为主；全新统冲湖积堆积层上部为厚1～2 m 的可塑状粉质黏土，中部为软塑状淤泥质粉质黏土，夹薄层粉细砂；下部为软塑～可塑状的粉质黏土；上更新统冲积堆积上部为可塑～硬塑状粉质黏土，夹砂壤土、砾质土，中部为粉细砂，下部为砂卵（砾）石。

共双茶垸蓄洪工程分洪闸工程连接堤填筑土料一部分来源于现场闸室段、消力池段表层1～2 m 范围内开挖土料，另一部分来源于原有老堤拆除土料。取现场开挖土料进行了颗粒分析试验、界限含水率试验、击实试验等土工基础试验，所得土样基本性质和粒组含量分析见表1 和表2。

表1 现场土料基本特性

表2 粒组含量分析

由试验结果可知，原状土塑性指数Ip≥0.73（WL-20）=9.9，液限WL<50%，根据《土工试验规程》[3]，定名为低液限粉质黏土，该类土液塑限较低，水稳性较差[4]。同时，根据现场取样检测，发现现场土料天然含水率大多在20%～30%之间，均大于其最优含水率。当土料处于高含水率时，其强度低，且压实较难，若施工技术措施及施工参数选取不合理，很难满足设计压实度要求。

为了最大限度利用现场开挖土料，采用在原有土料中掺入水泥拌和的方式进行土体改良，并在施工现场进行碾压试验对水泥改良效果进行检测分析。

3 现场碾压试验及结果分析

为确保改良水泥土现场施工满足设计要求，正式施工之前在右岸连接堤划分试验区块进行碾压试验，计划通过试验选取合理的施工参数，如水泥掺量、碾压遍数等。

3.1 试验机械

现场碾压试验由旋耕机、挖机和压路机配合进行，碾压行车速度控制在2 km/h。碾压完成后，利用环刀取样进行室内试验，对碾压土样的干密度进行测量。

3.2 场地布置及试验参数

现场试验场地位于右岸连接堤堤基范围内。对堤基进行清理平整并压实后，将现场划分为10 m×15 m 的单独试验小块，并按照设计的试验方案进行相关试验。

试验用水泥为M32.5 水泥。为进行对比，选取5%、7%和9%三种水泥掺量进行试验；根据施工现场实际情况，水泥土铺料厚度为35 cm；分别碾压3 遍、4 遍和5 遍时，在相应填筑面上取样检测。

3.3 碾压试验工艺流程

碾压试验程序如下：①平整、压实场地→②检测碾压机具工作特性→③土料摊铺→④旋耕机搅拌→⑤摊铺→⑥碾压→⑦环刀取样→⑧室内试验→⑨试验结果整理→⑩碾压参数确定。

3.4 碾压试验结果及分析

不同水泥掺量下改良黏土碾压试验结果见表3。

表3 不同水泥掺量下压实度检测结果汇总

根据试验结果汇总，将不同水泥掺量下压实度随碾压遍数的关系表示如图1 所示。总体观之，在不同水泥掺量下，土体压实度随碾压遍数的增加而增加，且当碾压遍数达到5 遍时，所有水泥掺量下改良土的压实度均大于93%，满足设计压实度要求；水泥掺量越大，相同碾压遍数下土体的压实度越高。见图1。

图1 不同水泥掺量下压实度随碾压遍数变化曲线

同时，碾压遍数由4 遍增加到5 遍时压实度增长率显著大于碾压遍数由3 遍增加至4 遍时土体压实度增长率：当水泥掺量分别为5%、7%和9%时，碾压遍数由3 遍增长至4 遍时，压实度分别提高了0.65%、0.65%、0.74%；而碾压遍数由4 遍增加至5 遍时，压实度分别提高了2.49%、2.47%、2.10%。说明碾压遍数由4 遍增加至5 遍时，对土体起到的振动密实作用更明显。

为进一步研究水泥掺量对改良土压实效果的影响，取碾压遍数为3 遍，作出压实度随水泥掺量的变化曲线如图2 所示。由图2 可知，在相同碾压遍数（3 遍）下，水泥掺量越大的改良土可达到的压实度越大。同时，当水泥掺量由0 增加至5%时，土体压实度由85.9%增加至91.8%，相对增长量为5.9%；当水泥掺量继续增加至7%和9%时，土体压实度相对增长量分别为1.2%和1.4%，说明随着水泥掺量的增加，改良土体压实度的增长趋势相对减缓。

图2 压实度随水泥掺量变化曲线

含水率对于低液限粉质黏土的力学性质有着较大的影响，因此，在水泥掺量为5%的试验场区进行试验，探究不同含水率对于水泥改良土碾压特性的影响。对5%水泥掺量的改良土进行击实试验，可得其最优含水率约为16.7%。由于现场土料天然含水率较高，则设置19.3%、24.9%、33.7%三组含水率进行试验，试验结果如图3 所示。

图3 压实度随含水率变化曲线

由图3 可见，在相同碾压遍数下，土体压实度随含水率的增加而减小。这是因为试验所取三组含水率均高于土体最优含水率，土中大部分空隙被水占据，在碾压压实作用下，土中水和气无法完全排出，孔隙体积难以缩小，土体无法进一步被挤密压实[5]。因此，在实际施工过程中，若土体天然含水率过高，应进行摊铺晾晒，使其含水率接近最优含水率。

根据以上分析可知，当水泥掺量为5%时，碾压5遍可达93%的设计压实度；当水泥掺量为7%时，碾压4 遍可到设计压实度；而水泥掺量为9%时，碾压3 遍即可满足压实度设计要求。综合考虑水泥土的碾压特性及经济效益，共双茶垸分洪闸工程连接堤填筑时可考虑采用5%的水泥掺量对现场低液限粉质黏土进行改良，碾压遍数为5 遍。同时，为了确保填筑质量，应控制土料含水率接近最优含水率。