寒區堤防工程冬季施工技術研究

張守杰，蘇安雙，李兆宇，嚴　俊，徐麗麗

(1.黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱 150080；2.中國水利水電科學研究院，北京 100000)

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寒區堤防工程冬季施工技術研究

張守杰1，蘇安雙1，李兆宇1，嚴俊2，徐麗麗1

(1.黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱 150080；2.中國水利水電科學研究院，北京 100000)

摘要：選取三江治理工程現場筑堤砂性土，研究冬季施工條件下土料壓實性能、變形特性、熱傳導性能，并討論了冬季修筑堤防的沉降及滲透穩定性預測方法。結果表明，低溫未凍結砂土料負溫下壓實性能受溫度變化影響不大，擊實干密度與現場碾壓干密度可建立相關性。含水率增加，凍脹變形加大，融沉后逐漸出現殘余變形，加載應力增大導致凍融后砂性土壓縮變形趨勢增加。土溫及含水率影響砂性土導熱性能，須采取保溫措施，連續快速施工，并嚴格控制含水率，以保證冬季筑堤壓實效果和長期穩定。

關鍵詞：寒區;堤防工程;冬季施工;土料；壓實性能；施工技術

0引言

黑龍江省三江治理工程的堤段往往位于平原、葦田、濕地等地下水位高、易積水地帶。這些地帶土料含水率往往較高，未凍結時地面承載力低，機械設備難于行走或靠近，不便進行機械化施工。探索利用冬季地表凍結、便于機械行走作業的條件，掘取凍層下部的暖土進行冬季筑堤，成為加速推進三江堤防工程建設的有力嘗試。冬季筑堤無需專門修筑施工道路，可在提高運輸效率同時降低運輸費用；冬季為枯水期，地下水位低、氣候干燥，適宜在河灘地取土，從而減少對農村土地征用，在保護耕地同時降低了征地費用；冬季筑堤可有效延長施工期，縮短建設工期，增加經濟效益。

冬季筑堤同時面臨考驗與挑戰，可借鑒的設計、施工規范及工程經驗相對較少；同時，相關的理論研究開展較少。土質堤防冬季施工在技術上是否可行，經濟上是否合理，其設計、施工要點何在，尚需深入探討和研究。

本文選取三江治理工程現場筑堤砂性土，研究冬季施工條件下土料壓實性能、變形特性、熱傳導性能，并討論了冬季修筑堤防的沉降及滲透穩定性預測方法。

1試驗

1.1筑堤土料

土樣取自三江干流堤防某試驗堤段料場，天然含水率為22%，相對密度2.68。顆粒分析試驗結果如表1所示。根據顆粒分布及細粒土分類，土料屬于細粒土質砂。

表1　土的顆粒分布

1.2負溫下土料壓實性能

已有研究結果表明，室內擊實實驗的結果可用來評估現場碾壓施工條件下土料的壓實性能。謝定義對我國大型、中小型土石壩設計干密度進行統計，并與原南京水利實驗處室內不同擊實功(錘重、落距、擊實次數)下的擊實干密度進行了對比分析。可見，在已知現場碾壓機具類型和重量、土質及鋪土厚度等前提下，現場碾壓遍數與擊實次數之間存在經驗關系[1]。因此，本文開展負溫環境下的擊實試驗，測試擊實干密度，并與現場碾壓干密度進行對比分析，探討砂性土料在負溫下的壓實性能，并初步指導冬季施工過程中現場碾壓工藝參數的確定。

負溫環境下筑堤土料擊實試驗在溫度可控的凍土實驗室進行，在該實驗室內采用土工電動擊實儀進行標準擊實功下的土料壓實性能研究。主要考察負溫條件、含水率對土料壓實性能的影響。方案如表2所示。

表2　負溫下土料壓實性能試驗設計方案

依據《土工試驗規程》(SL237—1999)[2]進行土樣制備，按設計含水率配制土樣后，裝入塑料袋密封靜置12h。隨后將配制好的土樣放入環境溫度可控的凍土實驗室進行攤鋪降溫。土料降溫過程中使用溫度傳感器進行土料內部溫度監測，當土溫達到試驗要求的溫度時(溫度偏差不超過±0.5℃)，將土樣取出進行負溫環境下的擊實試驗。

1.3土料變形特性

結合三江治理工程筑堤現場實際情況調研，測試溫度為2℃、含水率為4%～24%的土料在環境溫度為-15℃條件下壓實后的凍脹、融沉變形，并且對完全融化后的試樣逐級施加荷載，測試其在常溫-恒載條件下的壓縮變形。凍融變形試驗采用溫度可控的凍融試驗儀，融化后的壓縮變形試驗采用磅秤式固結儀，試驗過程中采用位移傳感器和數據采集儀對試樣變形進行監測和采集。

負溫下的試樣制備參照土料壓實性能試驗方法，凍融變形試驗和融化壓縮變形試驗方法按照《土工試驗規程》(SL237—1999)中相關規定進行，其中壓縮試驗中的各級荷載分別為50kPa、100kPa、200kPa、400kPa，加載變形穩定后施加下一級荷載。

1.4土料熱傳導性能

以現場堤防土溫觀測資料為依據，選取堤防土體的溫度典型值分別為2℃、0℃、-5℃、-10℃，土料含水率范圍控制為4%～24%。試驗土樣放置在可提供凍融環境的低溫恒溫箱中，使用熱特性分析儀測試試樣的導熱系數方案設計如表3所示。

表3　土料熱傳導性能試驗設計方案

按照《土工試驗規程》(SL237—1999)，制備直徑8cm、高13cm的圓柱形試樣，置于低溫恒溫箱內，在設定環境溫度下恒溫24h，土溫使用溫度傳感器和溫度巡檢儀進行測量，待試樣內部溫度達到試驗要求溫度后，采用熱特性分析儀針式探頭分別測量不同含水率試樣的導熱系數。

2結果分析與討論

2.1負溫下土料壓實性能

土料常溫擊實曲線如圖1所示，2℃土料負溫下擊實曲線如圖2所示。結果表明，未凍結筑堤砂性土料在負溫環境下的擊實曲線與常溫下土料的擊實曲線具有相同的變化趨勢。負溫條件下，含水率相近時，隨著環境溫度的降低，土料干密度整體上呈現下降的趨勢。環境溫度在-10℃～-20℃變化時，土料的最大干密度與最優含水率相差不大，干密度處于1.64g/cm3～1.67g/cm3，最優含水率處于16.5%～18.0%變化。上述結果表明，低溫未凍結土料在冬季負溫條件下，其壓實性能受溫度變化影響并不明顯。可見，冬季負溫條件下采用砂性土筑堤，若能保證土料在開挖、運輸、攤鋪、碾壓的施工過程溫度處于0℃以上，不發生凍結，則堤身填筑土體的壓實密度將在很大程度上得到保證。

圖1　常溫土料擊實曲線

圖2　2℃土料負溫條件下擊實曲線

負溫擊實干密度與現場示范工程不同碾壓工藝干密度對比見圖3。現場碾壓環境溫度為-8℃～-15℃，土料溫度為0.2～2.0℃，土料含水率范圍在22%～27%，碾壓機具采用了22t重型振動碾和18.4t履帶式推土機，鋪土厚度為45cm；室內擊實試驗環境溫度為-10℃～-20℃，土料溫度為2℃，含水率為20%～24%，每層土擊實次數為25次。可見，在上述條件下，22t振動碾碾壓4遍干密度與18.4t推土機碾壓8遍干密度較為接近，且值均落在控制干密度附近，滿足填筑質量控制要求。22t振動碾碾壓6遍、8遍的干密度結果與室內擊實干密度較為接近，三種工況下干密度均值都略高于控制干密度。擊實實驗干密度結果略高于22t振動碾碾壓4遍及18.4t推土機碾壓8遍的結果，但也較為接近。對于正溫砂土料在負溫下的填筑，擊實實驗(W=2.5kg，H=30.5cm，N=3，V=947.4cm3，n=25)結果可與現場不同碾壓工藝下的結果通過回歸分析建立關系曲線，從而實現通過擊實實驗結果反推現場不同碾壓工藝下的干密度，并根據冬季施工堤防控制干密度的要求，合理選擇現場碾壓工藝，達到指導現場碾壓工藝選用及冬季筑堤施工標準中相關參數的制定。

圖3　冬季填筑碾壓干密度與擊實試驗干密度統計

2.2土料變形特性

冬季施工條件下，土料碾壓后逐漸凍結，導致堤身在施工期產生凍脹變形，春季后，隨溫度逐漸增加，凍土逐漸融化，產生沉降變形。為保證冬季修筑堤防的長期穩定性，合理設計堤身預留高程，須對筑堤土料凍融過程中的變形特性進行深入的研究。

土溫為2℃的筑堤砂土在環境溫度-15℃條件下填筑后的凍融變形如圖4所示。

由圖4可知，筑堤砂土經負溫環境填筑后的凍融變形曲線存在如下規律：

1)土體在凍結過程中，發生了不同程度的凍脹變形。初始含水率較低的試樣，基本上未發生凍脹變形；含水率達到10%以上時，凍脹變形逐漸趨于明顯。隨著凍結時間的增加，凍脹變形逐漸趨于穩定；隨著初始含水率的增加，最終達到穩定的凍脹變形也增大。

2)筑堤砂土融化后，在自重作用下發生融沉變形，變形隨著時間增加逐漸趨于穩定。含水率對融沉變形具有一定的影響，初始含水率較低的試樣由于凍脹變形很小，幾乎沒有發生融沉；初始含水率為12%～18%的試樣產生的融沉變形與凍脹變形幾近相等，不存在殘余變形；當初始含水率為22%、24%的試樣融沉變形小于凍脹變形，即出現明顯的殘余變形。

圖4　負溫壓實后的筑堤砂土凍融變形曲線

對凍融后筑堤砂土試樣施加四級恒定荷載(50kPa、100kPa、200kPa、400kPa)進行壓縮，壓縮變形隨時間變化曲線如圖5所示。

圖5　筑堤砂土融化后的壓縮變形隨時間變化曲線

由圖5可以看出，在逐級施加恒載條件下，筑堤砂土的變形在某一級荷載下最終趨于準穩定狀態。隨著初始含水率的增加，壓縮變形增大。豎向應力增量變大后，壓縮變形增量隨之增大，表明筑堤砂土在高附加應力作用下時，壓縮變形趨勢更為明顯。

通過取壓力范圍在100kPa～200kPa間的試驗數據，計算不同含水率土料的壓縮系數和壓縮模量，結果匯總于表4。

表4　不同含水率土料的壓縮指標

由表4可以看出，壓縮系數隨著初始含水率的增加，呈現出先增大后減小的變化趨勢。壓縮模量隨初始含水率的增加，呈先減小后增大的變化趨勢。根據土的壓縮性判定標準，土料初始含水率在8%以下時，表現為中等壓縮性土；當土含水率超過8%時，表現為高壓縮性土。

2.3土料熱傳導性能

筑堤土料導熱系數隨溫度和含水率的變化曲線如圖6所示。結果表明，隨著土體溫度的降低，導熱系數總體上呈增大的變化趨勢。這表明，冬季筑堤施工過程中的土料保溫較為關鍵，土料溫度一旦快速降低，將同時導致其散熱速率加快，極易引發土體的凍結和難于碾壓。同時，快速連續的施工工藝也是冬季筑堤必須采取的，這將有助于土料溫度的保持和碾壓密度的保證。

含水率對導熱系數影響顯著，隨著含水率的增加，導熱系數明顯增大。可見，含水率增加將直接導致土溫在負溫條件下降低速率加大，凍結風險增加；且含水率增加后，土料凍結后含冰量及強度增加，碾壓密度很難保證。因此，應用砂性土冬季筑堤，控制土料的含水率十分關鍵。降低填筑土體的含水率，不僅對提高碾壓密實度有益，同時可在一定程度上，減小堤身土體溫度在冬季施工過程中的變幅，從而緩解凍脹、融變形對堤防穩定性的影響。

圖6　土料導熱系數隨溫度變化關系

2.4冬季修筑堤防沉降與滲透穩定預測

與常規堤防相比，冬季施工的堤防工程在滲流及沉降方面的典型特點是存在低溫環境下水-冰相變問題。為準確預測堤防冬季施工及運行下的滲流、沉降分布，須通過理論分析及數學建模，分別提出冬季修筑堤防沉降與滲流穩定的預測模型及方法。

2.4.1冬季筑堤沉降變形預測模型

系統總結低溫下砂土料的壓樣載荷、顆粒構成、孔隙度及強度等特性，從分析凍土受力后的表現形狀出發，通過對低溫筑堤顆粒堆積多孔介質的制備及其孔隙率和強度的系統測試，根據試驗得出的應力-變形關系，應用曲線擬合及彈塑性理論，建立以溫度、孔隙比、相對密度及各向異性張量等為狀態參數的本構分析模型，該模型能夠很好地中反映凍土中冰包裹體和未凍的黏滯水膜效應。基于連續介質假設，考慮水勢力梯度、初始應力、分凝勢及溫度梯度等作為堤防固結過程中水分的遷移驅動力，結合固結理論，建立凍土沉降分析數學模型。通過運用該模型分析方法對多次試驗結果進行數值模擬及交叉對比，獲得分別適用冬季筑堤施工及運行過程中的物理力學參數序列，根據預設的加載及排水等固結條件，可以準確預測寒區堤防不同時期的沉降變形，從而為堤防的優化設計、施工安排及運行管理等提供強有力的支撐。

2.4.2考慮水-冰相變的滲流預測模型

結合堤防施工筑材特點，基于均勻介質假設和局部熱平衡原理，根據水-冰相變理論、能量守恒原理、質量守恒定律和靜力平衡原理及相應的物性方程，推導出凍融循環條件下巖土介質的溫度場-滲流場耦合控制方程，提出一種以體積含冰量、體積含水量和溫溫度為主控變量的數學模型，并利用Galerkin加權余量法進行了時間域及空間域的離散。該模型能夠很好地結合冬季堤防筑材的物理力學試驗成果，并在實測分布數據的基礎上獲得適用的參數系列，根據預設的外界溫度及水量分布，能夠準確地預測堤防冬季施工過程中堤體的溫度場、水分場分布，還能準確預測運行中堤防的浸潤線、滲流量及出逸比降的分布，從而為確定堤防潛在的滲流破壞模式及采取科學合理的滲控措施提供良好的科學支撐。

參考文獻：

[1]謝定義,陳存禮,胡再強.試驗土工學[M].北京：高等教育出版社,2011.

[2]中華人民共和國水利部.SL237—1999土工試驗規程[S].北京：水利水電出版社，1999.

Study on Winter Construction Technology of Embankment Engineering in Cold Regions

ZHANG Shou-jie1;SU An-shuang1;LI Zhao-yu1;YAN Jun2and XU Li-li1

(1.Heilongjiang Provincial Water Conservancy Science Research Institute，Harbin 150080，China；2.Chinese Water Conservancy & Hydroelectric Power Science Research Institute，Beijing 100000，China)

Abstract：Sandy soil used in building the dikes of Sanjiang regulation project on-site was selected to research the soil compaction property，deformation characteristics and heat-transmission property under winter construction conditions，and discussed the embankment sedimentation in winter and the method to forecast the permeable stability. The results show that compaction property of sand unfrozen in low temperature is affected little by temperature change in negative temperature，there may build correlation between compaction dry-density and rolling dry-density on-site. The moisture and frost deformation increased and residual deformation appeared gradually after settlement，and enlargement of loading stress caused the tendency of sandy soil compaction deformation to be increased after frost. The soil temperature and moisture affect the heat-transmission property of sandy soil，necessary to adopt measures to keep the temperature for realizing continuous and quick construction，and to control strictly the moisture for ensuring the effect and long-term stability of diking compaction in winter.

Key words：cold region；embankment engineering；construction in winter；soil material；compaction property；construction technology

文章編號：1007-7596(2016)04-0029-05

[收稿日期]2016-04-05

[基金項目]黑龍江省重大科技招標項目(GA14A501)

[作者簡介]詳見文章最后一頁。

中圖分類號：TV521

文獻標識碼：A