前湖水库高含水量黏土压实特性研究

孙 艳

（南昌市水利综合服务中心,江西 南昌 330039）

0 引言

我国南方地区因雨量充沛,地下水位常年较高,故而形成天然含水量高出最优含水量的高含水量黏土,此类黏土因过湿结团而工程性能不良,不宜直接作为填筑材料使用。本文以前湖水库为背景,采取室内土工试验、现场压实试验及强夯置换试验等方式,进行其高含水量黏土压实特性、填筑方式及治理效果的对比分析,为工程高填方地基设计提供指导的同时,也为高含水量黏土的压实施工提供借鉴参考。

1 工程背景

前湖水库是前湖区城防洪治涝工程体系的重要规划部分,前湖水库总库容16.16×106m3,根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2000）及《防洪标准》（GB 50201-94）确定本工程为IV等工程,根据本工程等级,确定大坝泄水闸等主要建筑物为四级建筑物,临时建筑物为5 级建筑物,本工程项目为红谷滩新区前湖坝工程约1.19 km新建防洪坝工程。

拟建场地处赣抚冲积平原及低丘剥蚀岗阜的结合部位。工程区内地层主要分布有第四系全新统冲积相（alQ4）松散堆积层。部分地段为人工填土,下伏基岩为早第三系（E）紫红色泥质粉砂岩。岗阜区地形高25 m～50 m左右,相对高差30 m左右,库存底原高程约17 m。前湖坝址下游地势平坦低洼,地面高程17.0 m～19.0 m,场地地层结构由第四系人工填土层（rQ）、第四系全新统湖积层（IQ4）、第四系上更新统冲积层（aIQ3）及第三系新余群（Exn）组成。按其岩性及工程特性,自上而下可依次划分为：①1层黏土、①2层黏土、②3层黏土和②4层黏土、③1层黏土。根据室内土工试验,各层黏土物理力学性能见表1。

表1 前湖水库各层黏土物理力学性能

通过表1中所分析的前湖水库各层黏土物理力学性能可以看出,其各层土体天然含水量高,液限平均值较大,根据公路行业细粒土工程分类标准,属于高液限土；各土层塑性指数均值较高,适应变形性能优良,但是存在一定的卸车和摊铺困难；各土层孔隙比也较大,表明其为大孔隙结构,且各层饱和度高,软土结构特性十分明显；各土层渗透系数低,表明土体内含水量变化小,通过晾晒也无法使实际含水量降低,存在较大的垂直及水平排水固结难度。

2 填筑方案设计

根据以上对前湖水库高含水量黏土压实特性的分析发现,②3层土体含水量过高,直接分层压实后的地基物理力学性能很难达到技术标准,为此,必须进行改性处理。当前较为常见的高含水量黏土地基改良方式主要有晾晒、换填、物理化学改良等。考虑到本水利工程实际,应进行物理化学改良,虽然化学改良处理后室内试验效果优良,但是因高含水量黏土具有过湿结团特性,无法均匀拌和,所以,采用化学改良措施的处理效果仍有待完善。在此基础上,复合地基填筑的构想便在工程实践中应运而生。现有的高压旋喷桩、深层搅拌桩等均针对既有地基的复合地基加固措施并不能有效解决高含水黏土填筑问题,而强夯置换则能通过分层填筑,在一定程度上有效解决这一问题。

为此,文本分别对物理改良、化学改良、强夯置换等三种措施进行现场填筑试验过程分析及效果对比[1]。

2.1 物理改良方案

此处采用掺加碎石料的方式进行前湖水库高含水量黏土性质的改良,使其从细粒土转变为粗粒土,根据相关试验,为达到较好的改良效果,黏土中碎石组分质量必须至少为25%,本试验碎石掺量体积应按照＞待改良高含水量黏土体积的25%确定。压实工艺采用振压和冲击碾压两种,振压时使用500 kN激振力的压路机械,试验单元尺寸为15 m×10 m；冲击碾压则使用25 kJ冲击压路机,试验单元尺寸为25 m×12 m。物理改良方案参数设计见表2。

表2 前湖水库高含水量黏土物理改良方案参数设计

2.2 化学改良方案

主要以石灰、水泥等为改良剂,通过改良达到降低填料含水量,并使黏土粗粒化的目的。根据相关成果,掺加石灰后吸水率可提升1%以上,而水泥吸水率仅为0.3%,也就是说石灰的吸水率是同体积水泥的3 倍,同时,掺加石灰改良还能提升待改良高含水量黏土的最优含水量,而掺加水泥反而会降低最优含水量。所以,本试验主要以石灰为化学改良剂进行前湖水库高含水量黏土改性处理,参数设计见表3。

表3 前湖水库高含水量黏土化学改良方案参数设计

2.3 强夯置换

在早期的研究过程中有学者提出强夯加固饱和黏土地基的动力固结理论[2],但是因孔隙水压消散时间太长并缺乏排水通道,所以很难应用于工程实践。此后,采用动力置换技术及压密作用进行饱和性黏土加固,并构建起排水通道,从而使饱和黏土地基强夯加固技术具有了工程应用的可行性。当前,强夯置换技术在填土地基加固方面的应用已十分广泛。本试验也主要借助动力强夯置换及压密作用进行复合地基构建,从而有效解决前湖水库高含水量黏土地基物理力学性能差、压实难的问题。置换料主要选用的是工程所在地碎石含量60%的碎石土,试验单元尺寸为28 m×25 m,强夯置换方案参数设计见表4。

表4 前湖水库高含水量黏土强夯置换方案参数设计

本水库工程强夯置换试验中填土地基分层填筑,且结合相关工程经验,分层堆填质量的好坏直接影响强夯效果。根据《强夯地基处理技术规程》（CECS 279-2010）的相关规定,分层堆填亚层厚度应控制在0.8 m～1.2 m,该水库高含水量黏土地基强夯如果采用0.8 m的较薄分层堆填亚层厚度,则会因高含水量黏土可压实性差及过湿结团特性,而增加摊铺整平难度,延长堆填工序耗时[3]。所以,本试验采用直接堆填处理,卸车后连续堆放土堆,并按3.2 m的设计高度简单整平后再填筑厚度0.8 m的碎石,具体处理见图1。

图1 强夯置换堆填处理示意图

3 试验结果分析

3.1 击实试验结果

根据对②3层高含水黏土改良土所进行的重型击实试验结果可以看出,掺加生石灰改性后含水量提高,压实难度降低,但掺加碎石改良后情况正好相反,具体见表5。

表5 高含水黏土改良土重型击实试验结果

3.2 压实系数试验结果

结合现行规定及技术标准,应以压实系数指标进行压实填土质量控制,本文也主要以该指标为评判物理化学改良土性能的标准,每种改良试验方案达到预定压实遍数后随机选择3 个抽检点检查改良土性能。前湖水库高含水量黏土物理、化学改良后压实系数分布情况见图2、图3。

图2 高含水量黏土物理改良后压实系数

图3 高含水量黏土化学改良后压实系数

由图2可知,实施物理改良后前湖水库高含水量黏土振动碾压和冲击碾压下有效压实遍数分别为8 遍和25 遍,均比素土压实遍数大；且两种碾压方式下,通过碎石掺量的增加,压实系数均有所提高,但是提升幅度不大。相对而言,振动碾压方式下方案1～3 以及冲击碾压方式下方案1～6 压实效果较好,当碾压遍数达到有效遍数后,两种碾压方式的压实效果相当。

由图3可知,进行化学改良后前湖水库高含水量黏土压实系数离散性较大,实际上,生石灰拌和过程较为困难,原拌和方式无法顺利实施的情况下只能改用挖掘机集中拌和,但拌和结果仍不理想。振动碾压和冲击碾压下有效压实遍数分别为8 遍和25 遍,生石灰掺加量增大后压实系数均有所提高,且压实系数的增幅比物理改良方式高；振压方式下方案2、3 压实效果最佳,冲击碾压方式下方案2～6 效果最好；当碾压遍数达到有效遍数后,两种碾压方式的压实效果大致相当,振压略好。

3.3 平板载荷试验结果

本试验在强夯置换中主要通过浅层平板载荷试验进行地基土承载力及变形模量的测定,具体结果见表6。通过表6可知,经强夯置换处理后夯点和夯间地基承载力试验值均值分别达到200 kPa和127 kPa,试验结果基本满足该水库高含水量黏土压实特定方面的要求。

表6 前湖水库高含水量黏土平板载荷试验结果

3.4 强夯置换工艺分析

考虑到高含水量黏土强夯置换填筑并无工程经验可以借鉴,所以,前湖水库强夯置换试验采用多遍夯击的方式探索强夯规律。在试验中,点夯4 遍,前3 遍5 击/点,最后一遍3 击/点,共计18 击,且单点夯沉量累计值为6.5 m,比填筑体厚度的1.5 倍还要大,场地夯沉量0.355 m,置换料体积除以待处理土方自然体积的置换比例为75.8%。根据夯击后的检测结果,填筑体被夯墩穿透的深度为1.5 m,表明本试验所设计的夯击能和置换料均较富余。而且由于进行的是直接堆填,夯击前填筑体松散,所以置换比较高。

4 结论

综上所述,前湖水库②3层高含水量黏土天然含水量比最优含水量高,为保证工程施工效果,应进行改良处理。物理改良方案中通过掺加碎石料进行改性,且无论在振压还是冲击碾压方式下均有部分试验区域的压实系数低于标准值；化学改良方案中主要掺加生石灰改性,也存在与物理改良方案相同的问题。根据试验结果,高含水量黏土所具有的过湿结团特性是造成分层前摊铺整平困难、外掺料拌合困难及压实施工困难的主要原因,所以拌合生石灰的改性方式效果也并不理想。采用夯击能3000 kN·m、堆填厚度4.0 m的强夯置换复合地基后地基承载力特征值显著提升,夯击后均匀性良好,符合高含水量黏土改性压实处理的工程要求。本文的分析既解决了前湖水库高含水黏土工程性能较差的难题,也为高含水量黏土强夯置换填筑提供了工程经验。