膨脹巖渠坡處理措施施工工藝研究

譚峰屹，鄒榮華，龔壁衛(wèi)，宋建平，龔 泉

（長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

新鄉(xiāng)潞王墳膨脹巖試驗(yàn)段位于南水北調(diào)中線工程總干渠第Ⅳ渠段，在新鄉(xiāng)市潞王墳鄉(xiāng)政府附近，長1．5 km。本渠段渠坡巖性多由黏土巖和泥灰?guī)r組成，局部為砂巖或砂礫巖，巖性巖相變化較大。該渠段黏土巖以中等膨脹性為主，局部為強(qiáng)膨脹，成巖程度差；泥灰?guī)r以弱膨脹為主，上部膠結(jié)較好，下部稍差。

本試驗(yàn)段渠坡處理主要采用土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料、換填黏性土料和土工袋裝填泥灰?guī)r開挖料等處理措施。需針對(duì)不同的處理措施開展現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)，研究填料的壓實(shí)性能，提出相應(yīng)處理措施的施工工藝和施工參數(shù)，如碾壓機(jī)械、碾壓遍數(shù)、攤鋪方法、鋪層厚度等，確定施工壓實(shí)質(zhì)量控制指標(biāo)，以優(yōu)化設(shè)計(jì)和指導(dǎo)試驗(yàn)段處理層施工［1］。

1 土工格柵 ＋泥灰?guī)r開挖料碾壓試驗(yàn)

土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料振動(dòng)平碾碾壓試驗(yàn)采用18t的振動(dòng)平碾碾壓，鋪土厚度分別為40cm、50cm和60cm，研究最優(yōu)鋪土厚度和最優(yōu)碾壓遍數(shù)。碾壓試驗(yàn)的試驗(yàn)內(nèi)容如表1所示。

1．1 材料性能

碾壓試驗(yàn)土工格柵采用耐久性能／耐溫性能／施工性能良好的HDPE單向土工格柵，其力學(xué)性能成果如表2所示。

檢測成果表明，碾壓試驗(yàn)所用的土工格柵強(qiáng)度和延伸率滿足試驗(yàn)要求。

泥灰?guī)r基本物理性能指標(biāo)如表3所示。

表1 不同鋪厚、18 t振動(dòng)平碾碾壓試驗(yàn)參數(shù)組合Table 1 Parameter combination of 18ton vibrating roller compaction test under different layer thicknecses for geogrid with marlite

表2 土工格柵力學(xué)性能成果表Table 2 Test results of geogrid mechanical property

表3 泥灰?guī)r基本物理性能指標(biāo)表Table 3 Physical properties ofmarlite

試驗(yàn)成果表明，泥灰?guī)r的顆粒組成以粉粒、黏粒為主，含有少量砂粒和礫。礫含量（5．0～2．0 mm）為5．4% ～5．8%，砂粒含量（2．0～0．075 mm）為5．9% ～6．3%，粉粒含量（0．075～0．005 mm）為30．0% ～38．1%，黏粒含量（＜0．005 mm）為50．6% ～57．9%。泥灰?guī)r顆粒相對(duì)密度為2．7，液限39．9%，塑限16．7%，塑性指數(shù)23．2，自由膨脹率51．1% ～53．0%，屬弱膨脹性［2］。

泥灰?guī)r回填擊實(shí)試驗(yàn)采用重型擊實(shí)儀，干土法制樣［3］，其最大干密度為1．98 g／cm3，最優(yōu)含水率為12．0%。

1．2 碾壓機(jī)械型號(hào)參數(shù)

碾壓試驗(yàn)中采用的機(jī)械分別為山東常林集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的單鋼輪機(jī)械式振動(dòng)壓路機(jī)、廈工集團(tuán)三明重型機(jī)械有限公司生產(chǎn)的單鋼輪機(jī)械式振動(dòng)壓路機(jī)和進(jìn)口單鋼輪機(jī)械式振動(dòng)壓路機(jī)；振動(dòng)凸塊碾采用廈工集團(tuán)三明重型機(jī)械有限公司生產(chǎn)的單鋼輪機(jī)械式振動(dòng)壓路機(jī)。各振動(dòng)壓路機(jī)性能參數(shù)如表4所示。

表4 振動(dòng)壓路機(jī)型號(hào)參數(shù)Table 4 Types and parameters ofmachines for roller compaction

1．3 18 t平碾碾壓試驗(yàn)成果

1．3．1 沉降量

在18 t振動(dòng)平碾碾壓和不同鋪厚條件下，土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料的沉降觀測成果如表5所示。

表5 不同碾壓遍數(shù)時(shí)的沉降值Table 5 Settlements of geogrid withmarlite in different compaction times

表5表明，在18 t振動(dòng)平碾碾壓和不同鋪厚條件下，土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料的沉降速率隨著碾壓遍數(shù)的增加而減小。

鋪厚40 cm的土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料，碾壓1～8遍時(shí)的沉降速率為5．2 mm／遍，碾壓至8遍時(shí)的平均壓實(shí)沉降量為41．5 mm；碾壓8～14遍時(shí)的沉降速率為0．8 mm／遍，碾壓至14遍時(shí)的平均壓實(shí)沉降量為46．0 mm。

鋪厚50 cm的土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料，碾壓1～6遍時(shí)的沉降速率為6．6 mm／遍，碾壓至6遍時(shí)的平均壓實(shí)沉降量為39．8 mm；碾壓6～8遍時(shí)，沉降速率為3．8 mm／遍，碾壓至8遍時(shí)的平均壓實(shí)沉降量為47．3 mm；碾壓 8～14遍時(shí)，沉降速率為1．5 mm／遍，碾壓至14遍時(shí)的平均壓實(shí)沉降量為56．3 mm。

鋪厚60 cm的土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料，碾壓1～6遍時(shí)的沉降速率為8．5 mm／遍，碾壓至6遍時(shí)的平均壓實(shí)沉降量為51．0 mm；碾壓6～14遍時(shí)，沉降速率為2．0 mm／遍，碾壓至14遍時(shí)的平均壓實(shí)沉降量為67．2 mm。

1．3．2 密度和含水率

在18 t振動(dòng)平碾碾壓和不同鋪厚條件下，土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料的密度和含水率檢測成果如表6所示。

表6 不同鋪土厚度時(shí)檢測成果表Table 6 Test results of geogrid with marlite with different soillayer thicknesses

表6表明：鋪厚為40 cm的土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料，碾壓 8～14遍時(shí)的干密度為1．83～1．98 g／cm3，碾壓至 14遍時(shí)，干密度達(dá)到最大為1．98 g／cm3；鋪厚為50 cm的土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料，碾壓8～14遍時(shí)的干密度為1．81～1．93 g／cm3，碾壓至14遍時(shí)，干密度達(dá)到最大為1．93 g／cm3；鋪厚為60 cm的土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料，碾壓8～14遍時(shí)的干密度為1．76～1．89 g／cm3，碾壓至 14遍時(shí)，干密度達(dá)到最大為1．89 g／cm3。

不同鋪厚和不同碾壓遍數(shù)時(shí)，泥灰?guī)r開挖料的含水率基本在最優(yōu)含水率附近。

1．3．3 滲透系數(shù)

在18 t振動(dòng)平碾碾壓和不同鋪厚條件下，土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料的滲透系數(shù)的檢測成果如表6所示。表6表明，土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料滲透系數(shù)隨碾壓遍數(shù)的增加逐漸減小。

鋪厚為40 cm的土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料，碾壓8～12遍時(shí)的滲透系數(shù)為5．72×10－6～1．78×10－5cm／s，碾壓至12遍時(shí)，滲透系數(shù)最小為5．72×10－6cm／s；鋪厚為50 cm的土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料，碾壓8～14遍時(shí)的滲透系數(shù)為6．48×10－6～1．39×10－5cm／s，碾壓至 10遍時(shí)，滲透系數(shù)最小為6．48×10－6cm／s；鋪厚為 60 cm的土工格柵 ＋泥灰?guī)r開挖料，碾壓8～14遍時(shí)的滲透系數(shù)為2．98×10－5～4．72×10－5cm／s，碾壓至 14遍時(shí)，滲透系數(shù)最小為2．98×10－5cm／s。

鋪厚60 cm時(shí)的土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料滲透系數(shù)明顯高于鋪厚40和50 cm的土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料滲透系數(shù)。這表明鋪厚60 cm時(shí)，土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料不易壓實(shí)，滲透系數(shù)較大。

上述分析表明：18 t振動(dòng)平碾碾壓時(shí)，土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料的最優(yōu)鋪厚為50 cm，最優(yōu)碾壓遍數(shù)為12±2遍。

1．4 不同平碾碾壓試驗(yàn)成果

在1．3節(jié)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行 16，18，20 t振動(dòng)平碾碾壓機(jī)械的碾壓試驗(yàn)，研究在最優(yōu)鋪土厚度和最優(yōu)碾壓遍數(shù)（±2遍）條件下，不同處理措施的壓實(shí)效果。試驗(yàn)方案如表7所示，碾壓機(jī)械如表4所示。

表7 不同碾壓機(jī)械碾壓試驗(yàn)參數(shù)組合Table 7 Parameter combination of different roller compaction machines for geogrid marlite

1．4．1 沉降量

在50 cm鋪厚和不同工作質(zhì)量振動(dòng)平碾條件下，土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料碾壓試驗(yàn)沉降觀測成果如表8所示。

表8表明：在50 cm鋪厚和不同工作質(zhì)量振動(dòng)平碾條件下，土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料的沉降速率隨著碾壓遍數(shù)的增加而減小。

在16 t振動(dòng)平碾條件下，碾壓1～4遍時(shí)，土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料的沉降速率為5．3 mm／遍，碾壓至4遍時(shí)的平均壓實(shí)沉降量為21．0 mm；碾壓4～10遍時(shí)，沉降速率為3．8 mm／遍，碾壓至10遍時(shí)的平均壓實(shí)沉降量為44．0 mm；碾壓10～14遍時(shí)，沉降速率為1．5 mm／遍，碾壓至14遍時(shí)的平均壓實(shí)沉降量為50．0 mm。

表8 50 cm鋪厚、不同工作質(zhì)量時(shí)的沉降量Table 8 Settlements of geogrid withmarlite of50 cm thickness under differentworking qualities geogrid with marlite

在20 t振動(dòng)平碾條件下，碾壓1～4遍時(shí)，土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料沉降速率為9．8 mm／遍，碾壓至4遍時(shí)的平均壓實(shí)沉降量為39．2 mm；碾壓4～10遍時(shí)，沉降速率為3．2 mm／遍，碾壓至8遍時(shí)的平均壓實(shí)沉降量為58．2 mm；碾壓10～12遍時(shí)，沉降速率為0．4 mm／遍，碾壓至12遍時(shí)的平均壓實(shí)沉降量為59．0 mm。

1．4．2 密度和含水率

在50 cm鋪土厚度和不同工作質(zhì)量振動(dòng)平碾碾壓條件下，試驗(yàn)土體的密度和含水率檢測成果如表9所示。

表9 不同碾壓機(jī)械時(shí)檢測成果表Table 9 Test results of geogrid withmarlite with different compactionmachines

表9表明：在16 t振動(dòng)平碾條件下，碾壓10～14遍時(shí)，土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料的干密度為1．63～1．65 g／cm3，碾壓至 12遍時(shí)，干密度最大為1．65 g／cm3；在20 t振動(dòng)平碾條件下，碾壓8～12遍時(shí)，土工格柵 ＋泥灰?guī)r開挖料的干密度為1．89～1．90 g／cm3，碾壓至10遍時(shí)，干密度為1．90 g／cm3。

在不同工作質(zhì)量振動(dòng)平碾和不同碾壓遍數(shù)的條件下，泥灰?guī)r開挖料含水率在最優(yōu)含水率附近。

1．4．3 滲透系數(shù)

在不同工作質(zhì)量振動(dòng)平碾碾壓條件下，土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料的滲透系數(shù)檢測成果如表9所示。表9表明，滲透系數(shù)隨碾壓遍數(shù)的增加逐漸減小。

在16 t振動(dòng)平碾條件下，碾壓10～14遍時(shí)，土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料的滲透系數(shù)為8．37×10－5～3．55×10－4cm／s，碾壓至 14遍時(shí)，滲透系數(shù)最小為8．37×10－5cm／s；在20 t振動(dòng)平碾條件下，碾壓8～12遍時(shí)，土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料的滲透系數(shù)為1．80×10－6～4．10×10－6cm／s，碾壓至 8遍時(shí)，滲透系數(shù)最小為4．10×10－6cm／s。

綜上所述，在采用18 t以上的振動(dòng)平碾、鋪厚50 cm和碾壓12遍的條件下，土工格柵＋泥灰?guī)r開挖料的壓實(shí)度能達(dá)到95%以上，壓實(shí)效果較好。

2 換填黏性土料碾壓試驗(yàn)

換填黏性土料振動(dòng)平碾碾壓試驗(yàn)采用18 t的振動(dòng)平碾碾壓，鋪土厚度分別為25，35，45 cm，研究最優(yōu)鋪土厚度和最優(yōu)碾壓遍數(shù)。試驗(yàn)內(nèi)容如表10所示，試驗(yàn)成果如表11和表12所示。

表10 不同鋪厚、18 t振動(dòng)平碾碾壓試驗(yàn)參數(shù)組合Table 10 Parameters combination of18ton vibrating roller compaction testwith different soillayer thicknessesfor backfilling clay

表11 18 t振動(dòng)平碾、不同碾壓遍數(shù)時(shí)的沉降量Table 11 Settlements of backfilling clay with 18ton vibrating roller compaction and different compaction times

以上成果表明，在18 t振動(dòng)平碾條件下，換填黏性土料的最優(yōu)鋪土厚度為35 cm，最優(yōu)碾壓遍數(shù)為12遍。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了不同功能碾壓機(jī)具的對(duì)比試驗(yàn)，分別比較了在鋪厚35 cm以及16，18，20 t振動(dòng)平碾和20 t振動(dòng)凸塊碾條件下，換填黏性土料的碾壓效果。試驗(yàn)成果如表13和表14所示。

綜上所述，在采用18 t以上的振動(dòng)凸塊碾、鋪土厚度小于35 cm和碾壓12遍的條件下，換填黏性土料的壓實(shí)度能達(dá)到100%，壓實(shí)效果較好。

表12 18 t振動(dòng)平碾、不同鋪厚時(shí)檢測成果表Table 12 Test results of backfilling clay with 18ton vibrating roller compaction and different layer thicknesses

表13 不同碾壓機(jī)械、不同碾壓遍數(shù)時(shí)的沉降量Table 13 Settlements of backfillwith clay with different compaction times and with different compaction machines

3 土工袋＋泥灰?guī)r開挖料碾壓試驗(yàn)

在不同土工袋（80．0%和100．0%充填率）、鋪土厚度40 cm以及18 t的振動(dòng)平碾的條件下，研究土工袋＋泥灰?guī)r開挖料振動(dòng)平碾的最優(yōu)鋪土厚度和最優(yōu)碾壓遍數(shù)。為此，進(jìn)行了不同功能碾壓機(jī)具的對(duì)比試驗(yàn)，分別比較了在不同土工袋（100．0%充填率）、鋪厚40 cm以及不同工作質(zhì)量振動(dòng)平碾的條件下，土工袋＋泥灰?guī)r開挖料的碾壓效果。

研究表明，在大土工袋100%充填率、18 t以上的振動(dòng)平碾和碾壓12遍的條件下，土工袋＋泥灰?guī)r開挖料的壓實(shí)度能達(dá)到90%以上，壓實(shí)效果較好［1］。

表14 不同碾壓機(jī)械、35 cm鋪厚時(shí)檢測成果表Table 14 Test results with different compactionmachines and 35cm layer thickness

4 泥灰?guī)r開挖料膨脹性能試驗(yàn)

根據(jù)《南水北調(diào)中線一期工程總干渠初步設(shè)計(jì)明渠土建工程技術(shù)規(guī)定》（NSBD－ZGJ－1－21），填筑渠段壓實(shí)度不小于0．98。對(duì)于膨脹性巖土，則未作相應(yīng)規(guī)定，而用膨脹性巖土作為填筑材料，填筑后的膨脹性能是一個(gè)十分關(guān)鍵的控制因素。為此，在室內(nèi)針對(duì)不同壓實(shí)度的膨脹巖開挖料，進(jìn)行了膨脹變形和膨脹力試驗(yàn)，以分析在不同密度條件下，土體的膨脹性能，為土工格柵、土工袋等處理措施中的填料碾壓控制標(biāo)準(zhǔn)提供分析依據(jù)。

泥灰?guī)r膨脹性能指標(biāo)如表15所示。

表15 泥灰?guī)r膨脹性能指標(biāo)表Table 15 Expansive physical indexes ofmarlite

試樣制備完全按照現(xiàn)場的顆粒級(jí)配、控制含水率進(jìn)行，表15表明：當(dāng)干密度逐漸增加時(shí)，泥灰?guī)r的膨脹力、無荷膨脹率均逐漸增大。尤其當(dāng)壓實(shí)度超過90%以后，無荷膨脹率或膨脹力均發(fā)生了較大的增長。

綜上所述，泥灰?guī)r開挖料用作回填材料時(shí)，壓實(shí)度宜控制在90%左右。

5 碾壓施工參數(shù)建議

根據(jù)上述碾壓試驗(yàn)成果、實(shí)際工程效果，以及施工工藝研究初步成果，提出土工格柵、土工袋、換填黏性土3種處理措施的施工參數(shù)和施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)建議分別如表16和表17所示。

表16 碾壓施工參數(shù)建議表Table 16 Recomendatory parameters of roller compaction construction

表17 施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)建議表Table 17 Recommendatory Indexes of construction quality control

6 結(jié) 論

針對(duì)換填黏性土料、土工格柵＋開挖料回填和土工袋＋開挖料回填等不同處理措施，比選、研究了不同碾壓機(jī)械、鋪土層厚、碾壓遍數(shù)條件下的壓實(shí)效果。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)分析，提出了不同處理措施的施工碾壓參數(shù)和施工壓實(shí)質(zhì)量控制指標(biāo)。碾壓試驗(yàn)成果為設(shè)計(jì)單位合理制訂設(shè)計(jì)方案、施工單位選取適當(dāng)?shù)氖┕C(jī)具和碾壓施工參數(shù)，以及確定施工質(zhì)量控制等工作提供了科學(xué)的有效的依據(jù)。

［1］ 長江科學(xué)院．南水北調(diào)中線工程總干渠膨脹巖（土）試驗(yàn)段碾壓試驗(yàn)報(bào)告［R］．武漢：長江科學(xué)院，2008．

［2］GBJ112 87，膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范 ［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1988．

［3］GB／T50123 1999，土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn) ［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999．