洞庭湖區(qū)水泥改良軟土的碾壓特性研究

李國文，楊文琦

（湖南百舸水利建設(shè)股份有限公司，湖南 長沙 410007）

1 工程概述

洞庭湖區(qū)河網(wǎng)密布，是長江水系的重要通道，也是全國防汛抗洪的重點地區(qū)，加強洞庭湖區(qū)水利堤防工程的建設(shè)與管理，是落實國家“三農(nóng)”政策、提高國家糧食儲備的重要舉措，更是人民群眾生命財產(chǎn)安全的有效保障[1]。共雙茶垸蓄洪工程分洪閘工程位于共雙茶垸南洞庭湖堤段樁號0+000～1+000 之間，主要建筑物包括閘室、岸墩、上下游消能設(shè)施和兩岸連接堤段。蓄洪容積約21.00 億m3，最大分洪流量為3 630 m3，分洪設(shè)計水位為33.10 m。該工程是洞庭湖三垸分蓄洪工程的重要組成部分，建成后將與原有湖堤一起構(gòu)成一道有效的防洪屏障，確保蓄洪區(qū)內(nèi)群眾的生命財產(chǎn)安全，同時有利于緩解城陵磯地區(qū)的防洪緊張局面[2]。

分洪閘通過左、右岸兩側(cè)連接堤與原有湖堤連接，連接堤與原堤防等級相同，均為3 級。其中，左岸連接堤段長178.0 m，右岸連接堤段長182.0 m，堤頂寬8.5 m，堤頂高程36.0 m，原始地面標高26～28 m，連接堤需填土高度8～10 m。工程區(qū)挖方主要為粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，由于工程附近可利用粘土來源短缺，需最大限度地利用開挖土，對其進行水泥土改良后作為填方，以滿足設(shè)計壓實度0.93 的要求，該項工作成為連接堤填筑的控制重點。

2 地質(zhì)條件

共雙茶垸分洪閘工程位于共雙茶蓄洪垸內(nèi)，四面環(huán)水。垸內(nèi)河湖水系密布，溝渠縱橫交錯，地下水位較高，該區(qū)范圍內(nèi)土質(zhì)以河流沖積物和湖積物為主。根據(jù)地質(zhì)勘察，閘址區(qū)地層巖性由上到下分別為人工堆積層、全新統(tǒng)沖湖積堆積、上更新統(tǒng)沖積堆積。人工堆積層主要為防洪大堤、垸內(nèi)隔堤堤身填筑土和人工吹填土等，以灰黃、黃褐色粉質(zhì)黏土、砂壤土為主；全新統(tǒng)沖湖積堆積層上部為厚1～2 m 的可塑狀粉質(zhì)黏土，中部為軟塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，夾薄層粉細砂；下部為軟塑～可塑狀的粉質(zhì)黏土；上更新統(tǒng)沖積堆積上部為可塑～硬塑狀粉質(zhì)黏土，夾砂壤土、礫質(zhì)土，中部為粉細砂，下部為砂卵（礫）石。

共雙茶垸蓄洪工程分洪閘工程連接堤填筑土料一部分來源于現(xiàn)場閘室段、消力池段表層1～2 m 范圍內(nèi)開挖土料，另一部分來源于原有老堤拆除土料。取現(xiàn)場開挖土料進行了顆粒分析試驗、界限含水率試驗、擊實試驗等土工基礎(chǔ)試驗，所得土樣基本性質(zhì)和粒組含量分析見表1 和表2。

表1 現(xiàn)場土料基本特性

表2 粒組含量分析

由試驗結(jié)果可知，原狀土塑性指數(shù)Ip≥0.73（WL-20）=9.9，液限WL<50%，根據(jù)《土工試驗規(guī)程》[3]，定名為低液限粉質(zhì)黏土，該類土液塑限較低，水穩(wěn)性較差[4]。同時，根據(jù)現(xiàn)場取樣檢測，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場土料天然含水率大多在20%～30%之間，均大于其最優(yōu)含水率。當(dāng)土料處于高含水率時，其強度低，且壓實較難，若施工技術(shù)措施及施工參數(shù)選取不合理，很難滿足設(shè)計壓實度要求。

為了最大限度利用現(xiàn)場開挖土料，采用在原有土料中摻入水泥拌和的方式進行土體改良，并在施工現(xiàn)場進行碾壓試驗對水泥改良效果進行檢測分析。

3 現(xiàn)場碾壓試驗及結(jié)果分析

為確保改良水泥土現(xiàn)場施工滿足設(shè)計要求，正式施工之前在右岸連接堤劃分試驗區(qū)塊進行碾壓試驗，計劃通過試驗選取合理的施工參數(shù)，如水泥摻量、碾壓遍數(shù)等。

3.1 試驗機械

現(xiàn)場碾壓試驗由旋耕機、挖機和壓路機配合進行，碾壓行車速度控制在2 km/h。碾壓完成后，利用環(huán)刀取樣進行室內(nèi)試驗，對碾壓土樣的干密度進行測量。

3.2 場地布置及試驗參數(shù)

現(xiàn)場試驗場地位于右岸連接堤堤基范圍內(nèi)。對堤基進行清理平整并壓實后，將現(xiàn)場劃分為10 m×15 m 的單獨試驗小塊，并按照設(shè)計的試驗方案進行相關(guān)試驗。

試驗用水泥為M32.5 水泥。為進行對比，選取5%、7%和9%三種水泥摻量進行試驗；根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況，水泥土鋪料厚度為35 cm；分別碾壓3 遍、4 遍和5 遍時，在相應(yīng)填筑面上取樣檢測。

3.3 碾壓試驗工藝流程

碾壓試驗程序如下：①平整、壓實場地→②檢測碾壓機具工作特性→③土料攤鋪→④旋耕機攪拌→⑤攤鋪→⑥碾壓→⑦環(huán)刀取樣→⑧室內(nèi)試驗→⑨試驗結(jié)果整理→⑩碾壓參數(shù)確定。

3.4 碾壓試驗結(jié)果及分析

不同水泥摻量下改良黏土碾壓試驗結(jié)果見表3。

表3 不同水泥摻量下壓實度檢測結(jié)果匯總

根據(jù)試驗結(jié)果匯總，將不同水泥摻量下壓實度隨碾壓遍數(shù)的關(guān)系表示如圖1 所示。總體觀之，在不同水泥摻量下，土體壓實度隨碾壓遍數(shù)的增加而增加，且當(dāng)碾壓遍數(shù)達到5 遍時，所有水泥摻量下改良土的壓實度均大于93%，滿足設(shè)計壓實度要求；水泥摻量越大，相同碾壓遍數(shù)下土體的壓實度越高。見圖1。

圖1 不同水泥摻量下壓實度隨碾壓遍數(shù)變化曲線

同時，碾壓遍數(shù)由4 遍增加到5 遍時壓實度增長率顯著大于碾壓遍數(shù)由3 遍增加至4 遍時土體壓實度增長率：當(dāng)水泥摻量分別為5%、7%和9%時，碾壓遍數(shù)由3 遍增長至4 遍時，壓實度分別提高了0.65%、0.65%、0.74%；而碾壓遍數(shù)由4 遍增加至5 遍時，壓實度分別提高了2.49%、2.47%、2.10%。說明碾壓遍數(shù)由4 遍增加至5 遍時，對土體起到的振動密實作用更明顯。

為進一步研究水泥摻量對改良土壓實效果的影響，取碾壓遍數(shù)為3 遍，作出壓實度隨水泥摻量的變化曲線如圖2 所示。由圖2 可知，在相同碾壓遍數(shù)（3 遍）下，水泥摻量越大的改良土可達到的壓實度越大。同時，當(dāng)水泥摻量由0 增加至5%時，土體壓實度由85.9%增加至91.8%，相對增長量為5.9%；當(dāng)水泥摻量繼續(xù)增加至7%和9%時，土體壓實度相對增長量分別為1.2%和1.4%，說明隨著水泥摻量的增加，改良土體壓實度的增長趨勢相對減緩。

圖2 壓實度隨水泥摻量變化曲線

含水率對于低液限粉質(zhì)黏土的力學(xué)性質(zhì)有著較大的影響，因此，在水泥摻量為5%的試驗場區(qū)進行試驗，探究不同含水率對于水泥改良土碾壓特性的影響。對5%水泥摻量的改良土進行擊實試驗，可得其最優(yōu)含水率約為16.7%。由于現(xiàn)場土料天然含水率較高，則設(shè)置19.3%、24.9%、33.7%三組含水率進行試驗，試驗結(jié)果如圖3 所示。

圖3 壓實度隨含水率變化曲線

由圖3 可見，在相同碾壓遍數(shù)下，土體壓實度隨含水率的增加而減小。這是因為試驗所取三組含水率均高于土體最優(yōu)含水率，土中大部分空隙被水占據(jù)，在碾壓壓實作用下，土中水和氣無法完全排出，孔隙體積難以縮小，土體無法進一步被擠密壓實[5]。因此，在實際施工過程中，若土體天然含水率過高，應(yīng)進行攤鋪晾曬，使其含水率接近最優(yōu)含水率。

根據(jù)以上分析可知，當(dāng)水泥摻量為5%時，碾壓5遍可達93%的設(shè)計壓實度；當(dāng)水泥摻量為7%時，碾壓4 遍可到設(shè)計壓實度；而水泥摻量為9%時，碾壓3 遍即可滿足壓實度設(shè)計要求。綜合考慮水泥土的碾壓特性及經(jīng)濟效益，共雙茶垸分洪閘工程連接堤填筑時可考慮采用5%的水泥摻量對現(xiàn)場低液限粉質(zhì)黏土進行改良，碾壓遍數(shù)為5 遍。同時，為了確保填筑質(zhì)量，應(yīng)控制土料含水率接近最優(yōu)含水率。

4 結(jié) 論

1）對不同水泥摻量（5%、7%、9%）下的改良低液限粉質(zhì)黏土進行室內(nèi)試驗及現(xiàn)場碾壓試驗，試驗顯示：改良黏土的壓實度隨水泥摻量和碾壓遍數(shù)的增加而增加，隨含水率的增加而減小。

2）根據(jù)現(xiàn)場碾壓試驗結(jié)果，可對現(xiàn)場低液限粉質(zhì)黏土摻入5%的水泥進行改良用于連接堤填筑，碾壓遍數(shù)可確定為5 遍，同時應(yīng)控制土料含水率盡量接近最優(yōu)含水率。

3）通過水泥土改良的方式對現(xiàn)場開挖低液限粉質(zhì)黏土進行處理，可最大限度地利用開挖土料，減少棄渣量，大大節(jié)約了施工成本，同時能為洞庭湖區(qū)類似工程建設(shè)提供參考。