涡河蒙城枢纽建设工程换填水泥土材料强度及干缩性能试验研究

2022-01-06侯英伟翟登攀

治淮 2021年11期

孙勇侯英伟翟登攀

（1.安徽省蒙城县水利局蒙城 233500 2.中水北方勘测设计研究有限责任公司天津 300000）

我国沿海和江河冲击平原大量分布粉砂土，近年来随着水利水电事业的发展，很多大型水闸枢纽工程修建在粉砂地基覆盖层上。粉砂具有无粘性、压缩性小、渗透系数大等特性，抗冲刷能力差，极易发生渗透变形，因此，通常需要稳定处理和改良，以满足工程需求，其中水泥土换填是一种应用较为广泛的地基处理方式，而换填水泥土的强度及干缩性是水泥土材料的两个重要特性。

本文以涡河蒙城枢纽建设工程为背景，为了模拟工程现场的碾压施工工艺，采用振动台结合压重块的方式进行试样制备，详细论述了试验工艺，针对换填水泥土材料的强度及干缩性能，分析水泥土强度发展规律及水泥土配合比对强度的影响，揭示水泥土干缩现象的内在机理与规律，具有一定的指导意义。

1 工程概况

涡河蒙城枢纽建设工程位于安徽省亳州市蒙城县涡河干流上，枢纽工程主要建筑物由节制闸和船闸组成，枢纽多基坑，其中船闸开挖深度17.5m，节制闸开挖深度12m，上、下游引航道基坑6.61m、12.4m，同时工程天然基础为皖北粉细砂透水地基。

为保证工程安全，根据设计，节制闸和船闸基础处理采用水泥土换填。节制闸基础水泥土换填部位：闸室底板、上游铺盖、消力池上段、上下游翼墙及空箱岸墙底部，换填面积约2.73 万m2，换填厚度1.0～1.7m，设计要求压实度0.98。

船闸基础水泥土换填部位：上闸首及闸室底板，换填厚度1.0m；上游铺盖及导航墙基础，换填厚度1.0～1.2m，设计要求压实度0.96。

2 原材料及试样制备

2.1 原材料

试验采用的土样原材料包括两种，分别为轻粉质壤土（选用船闸部位地基土样，以下简称轻土），重粉质壤土（选用节制闸部位地基土样，以下简称重土），大致对应土工分类标准中的低塑性粘土或者中塑性粘土。

水泥选用散装32.5 级粉煤灰硅酸盐水泥。

2.2 土样的预处理

将工程现场取得的土样分别取样进行烘干和晾晒，得到烘干土和风干土，并分别测试原湿土及风干土的含水率。将原湿土晾干后，碾碎，并过5mm圆孔筛，装袋密封保存，以便用于后续试验，试验前对风干土的含水率可再次测量以保证实际用水量的稳定。

2.3 土样的基本性质

依据《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019）对轻土和重土分别进行了物理性质、颗粒组成、界限粒径、界限系数、无侧限抗压强度、渗透系数的测试，结果显示，两种土的性质区别不大，重土的细颗粒略多，重土原始无侧限抗压强度为42.5kPa，轻土原始无侧限抗压强度为40.3kPa。

2.4 水泥土的配合比设计

根据工程前期进行的最大干密度试验显示，轻粉质壤土水泥掺量10%的水泥土最大干密度为1.72g/cm3，对应最佳含水率为19.8%；重粉质壤土水泥掺量10%的水泥土最大干密度为1.73g/cm3，对应最佳含水率为18.2%。因此，配合比以此为基础进行各原材料的用量计算，并上下变动水泥用量3%，即选用7%、10%、13%的水泥用量进行配合比设计。

以轻土掺加10%水泥为例，每升水泥土含有干土为1.72×90%=1.548kg，则水泥用量为1.548×10%=0.155kg，用水以最佳含水率为准，即1.548×19.8%=0.307kg，以上为按干料计的基础配比，当所用土为风干土时，由于风干土中含有2.3%的水，所以，所用风干土的质量为1.548/（1-2.3%）=1.585kg，用水量需要扣除风干土中已经含有的水，实际用水量为0.307-1.585×2.3%=0.270kg，其他配比以此类推，所有配合比见表1。

表1 水泥土的配合比表

2.5 试样制备

为了模拟工程现场的碾压施工工艺，采用振动台结合压重块的方式进行试样制备，压重块为高度为61mm 的不锈钢块，截面尺寸按试件尺寸加工。

将需要的试模放置在振动台上，开始逐层加入水泥土，分3 层震动碾压，每层厚度为20mm，震动碾压时间为30s，碾压最后一层时，试模套上套模，防止水泥土溢出。碾压结束后，用刮刀将多余料刮去，整平表面，并做上编号，放置在标准养护箱中养护2d 后拆模，拆模后放入标准养护室（相对湿度＞95%，温度20±2℃）养护至需要的龄期。

2.6 压实度校核

为校核上述制备试样的压实度，对2d 后拆模的立方体试件进行取样，测试两种土立方体试件的湿重和干重，并计算含水率、干密度和压实度，测试结果显示，试件的压实度均在94%以上，重土由于用水量较少，压实较困难，因此压实度略低，总体来说，该试件制备方法是可行的。

3 无侧限抗压强度试验

制作试件为边长50mm 的立方体，每组3 个，试件养护至规定龄期（7d、28d、56d）后，取出用覆盖保湿，采用水泥胶砂抗压试验机进行强度试验。

试验结果显示，与土样无侧限抗压强度比，加入水泥后，水泥土的抗压强度明显增加，重土随水泥掺量的增加，水泥土抗压强度为原状土样抗压强度的36～76 倍，轻土随水泥掺量的增加，水泥土抗压强度为原状土样抗压强度的40～85 倍。此外，由于重土的用水量略低，压实度略低，因此强度较轻土略低，但总体接近，土品种对于无侧限抗压强度几乎无影响。

此外，随龄期延长，水泥土强度增长，28d 后基本稳定，增加变缓；随着水泥用量的增加，水泥土强度增加明显，7d 时，随着水泥用量提高，强度增加基本线性，28d 后，水泥用量增加对强度影响更大，说明在13%的水泥用量时，水泥土强度发展更好。

4 干缩试验

水泥土的干燥收缩较大，为研究不同水泥掺量下，不同养护龄期对其干缩的影响，以及不同试件尺寸的影响，对两种土进行了干燥收缩试验。

4.1 试验方法

采用40mm×40mm×160mm 的小试件进行不同养护龄期的对比，即试件拆模后，分别在标养室养护3d、7d、14d，养护期满后再放入干缩室（相对湿度60%、温度20±2℃），基础测长在拆模后即开始，在测长时，同步进行称重，以获得试件的质量变化。

尺寸影响试验采用100mm×100mm×315mm 的大试件做对比，同样在试件制作过程中埋入不锈钢测头，测长采用测长仪进行。重土和轻土各对比相同水泥用量下不同尺寸试件的干缩率。

4.2 干缩率试验结果分析

4.2.1 水泥掺量、养护龄期对水泥土干缩的影响

图1为水泥土试件干燥收缩率与水泥用量、养护龄期、干燥龄期关系曲线图。总体来看，水泥土的干燥收缩率随干燥龄期延长而增大，7d 前收缩率迅速增大，7d 后减缓，14d 后趋于稳定，总体收缩率在9000×10-6～15000×10-6之间。

图1 水泥土试件干燥收缩率与养护龄期、干燥龄期关系曲线图

随着水泥用量增加，各龄期的收缩率降低，其原因有两方面，一方面水泥颗粒水化后，堵塞了土壤颗粒的孔隙，使得水分散失减少，进而收缩率降低，另一方面，水泥水化形成的水泥石，弹性模量较高，收缩率远小于土，水泥用量增加后，限制了土的收缩，因此，水泥掺量增加后，水泥土的收缩降低。

4.2.2 尺寸对水泥土干缩的影响

选择MZ2 和MQ2 两组水泥土配比，标养时间选为3d，采用100mm×100mm×315mm 的大试件进行干缩变形试验，结果显示，与小试件相比，大试件由于体积较大，在干燥环境下失水较慢，因此早期收缩率较小，但14d 后，随着失水的加剧，大试件的干缩率与小试件已无差别，甚至略大。总体来说，对于水泥土而言，试件尺寸对干缩率的测量结果影响较小，因此没有必要采用大试件。