劉老澗泵站地基膨脹土特征及改良研究

王教輝 王振友 茆麗霞 宋興東 馬志蕊

（江蘇省工程勘測研究院有限責任公司，江蘇 揚州 225002）

0 引言

劉老澗第二抽水站是南水北調(diào)東線一期工程第五梯級的重要組成部分，位于江蘇省宿遷市東南約18 km，采用閘站聯(lián)合布置方案，為Ⅰ等1 級水工建筑物。擬建抽水站底板底面高程為5.7～8.2 m，上、下游第一節(jié)翼墻基礎底板高程分別為10.0 m 和6.8 m，上、下游翼墻頂高程分別為20.0 m 和19.5 m，閘站之間隔水墻上、下游頂高程亦分別為20.0 m 和19.5 m，填土高度10.0～12.7 m。由于工程區(qū)屬于膨脹土地區(qū)，非膨脹土源稀少，泵站地基持力層及河道、閘站基坑開挖土料均具膨脹性，直接作為天然地基或建基填筑材料存在安全隱患。因此，如何改善膨脹土填料膨脹特性，使其在改良基礎上滿足設計施工要求，對于本工程十分重要。

為研究膨脹土對本工程建設安全的影響，確定針對性的處理措施，江蘇水源公司委托江蘇省工程勘測研究院有限責任公司進行現(xiàn)場改良試驗研究工作，要求通過現(xiàn)場試驗，確定不同改良劑量的改良效果、改良工藝和改良土的物理力學性質(zhì)指標。

1 場地膨脹土特征

本工程施工土源為劉老澗二站及劉老澗一站開挖棄土，主要涉及土層為②1、②2、③1層，均為含砂礓的第四系上更新統(tǒng)（Q3）黏性土。

（1）劉老澗二站地基土物理性質(zhì)指標和膨脹性試驗成果見表1 和表2。

（2）劉老澗一站建設過程中開挖土也以②1、②2、③1層為主，因具膨脹性堆棄于工程場地附近，已堆置10余年，其物理力學指標及膨脹性試驗成果見表3 和表4。

（3）利用劉老澗一站開挖土進行局部填筑和壓實處理，并對壓實處理后的填土取樣試驗，其物理性質(zhì)指標和膨脹性試驗成果見表5 和表6。

（4）劉老澗站膨脹土礦物分析及濕化崩解試驗。取劉老澗站膨脹土進行X 射線衍射試驗，試驗條件：銅靶40kV60MA 石墨單色器，閃爍計數(shù)器溫度22℃，濕度63%。試驗成果見表7。取樣進行崩解試驗，濕化試驗結(jié)果表明，1 h 崩解量達50%，24 h 崩解量達70%～80%，網(wǎng)上剩余多為小砂礓。

2 現(xiàn)場改良試驗研究

表1 劉老澗二站主要地基土物理性質(zhì)指標

表2 劉老澗二站地基土膨脹性試驗成果

表3 劉老澗一站開挖堆置土物理性質(zhì)指標

表4 劉老澗一站開挖堆置土膨脹性試驗成果

表5 劉老澗一站壓實填土物理性質(zhì)指標

表6 劉老澗一站壓實填土膨脹性試驗成果

表7 土樣礦物組成試驗成果表

2.1 改良試驗方案

現(xiàn)場試驗以河海大學室內(nèi)科研成果為基礎，結(jié)合水利工程建設特點，確立現(xiàn)場改良試驗研究方案分“石灰改良方案”和“石灰+水泥改良方案”。試驗步驟為：第一步膨脹土砂化；第二步不同改良劑（①石灰，②水泥）深入改良；第三步樣品制作進行膨脹性、物理力學性試驗；第四步成果分析形成報告。改良劑配比為：摻加2%消石灰進行砂化，石灰改良試驗采用質(zhì)量比3%、5%、7%摻灰量（包括砂化石灰摻量）；石灰＋水泥改良試驗采用質(zhì)量比2%石灰砂化再加入3%、4%、5%的水泥。

兩種改良劑配比的確定，是考慮改良后的土體能夠滿足工程需要，同時也綜合考慮了施工、造價方面的影響。

2.2 制樣設備要求和試驗方法

現(xiàn)場改良試驗在盡可能貼近施工作業(yè)實際的模擬現(xiàn)場施工條件下進行。為進行現(xiàn)場模擬試驗，在保持作用功一致的條件下將室內(nèi)擊實改為現(xiàn)場碾壓或現(xiàn)場夯實，現(xiàn)場自由膨脹率、無荷載及有荷載膨脹率、膨脹力等試驗進行“大試樣”的配制，并保留砂礓在其中。按施工破碎一般可達到的土塊顆粒及絕大多數(shù)砂礓粒徑大值3～5 cm、個別土塊顆粒及砂礓粒徑6～8 cm 考慮，試驗要求制備出直徑為50.4 cm 的“大試樣”，即：配制試樣儀器內(nèi)徑為50.4 cm 的“大型”試驗設備?！按笮汀痹囼炘O備照片見圖1，裝置示意圖見圖2。

作為現(xiàn)場模擬試驗的輔助手段，改良試驗也同時安排了部分室內(nèi)試驗以進一步確定適當?shù)母牧疾牧?、改良劑比例和施工工藝?/p>

2.3 改良試驗成果及分析

2.3.1 改良土塑性指數(shù)、自由膨脹率

根據(jù)《土工試驗規(guī)程》（SL237—1999）室內(nèi)試驗要求和步驟進行改良土塑性指數(shù)、自由膨脹率試驗，改良后塑性指數(shù)成果見圖3、圖4，自由膨脹率成果見圖5、圖6。

圖3、圖4 結(jié)果顯示，配制后立即測試的塑性指數(shù)基本未變，而悶置后塑性指數(shù)下降明顯，且隨石灰摻入率提高改善幅度增大，隨水泥摻入率提高改善幅度亦有所波動，但規(guī)律不顯著。說明土料悶置工藝是必要的，時間延長對膨脹土改良有利。

圖5、圖6 結(jié)果顯示，配制后立即測試的自由膨脹率基本未有改善，而配制悶置后自由膨脹率下降明顯，3%、4%和5%的石灰或水泥摻入率均能使膨脹土的自由膨脹率下降至40%以下，成為非膨脹性土；隨石灰摻入率提高改善幅度增大，而改善幅度隨水泥摻入率提高變化不甚明顯。說明改良過程土料悶置工藝是必要的，時間延伸對膨脹土改良有利。

圖1 內(nèi)徑50.4 cm 的“大型”設備

圖2 有荷膨脹率、膨脹力試驗裝置示意圖

2.3.2 改良“大試樣”試驗

按試驗方案，制作數(shù)個直徑50.4 cm 的改良土“大試樣”，考慮改良工藝對比要求進行無荷膨脹率、有荷膨脹率、膨脹力、收縮試驗和滲透試驗。

（1）無荷膨脹率關系曲線見圖7、圖8。結(jié)果顯示，摻灰率越大，改良效果越好，灰土無荷膨脹率越小；水泥改良土的無荷膨脹率與摻入率關系規(guī)律不強，但膨脹率均較小。

（2）有荷膨脹率關系曲線見圖9、圖10。結(jié)果顯示，相同荷載下，摻灰率越大，有荷膨脹率越小，各摻灰率條件下加載至5 kPa 左右時，有荷膨脹率均為負值。

（3）膨脹力與摻入率關系曲線見圖11、圖12。結(jié)果顯示，石灰摻入率越大，改良土膨脹力越??；水泥摻入率與膨脹力關系難看出明顯的規(guī)律性。但數(shù)據(jù)反映標準夯實功下改良土的膨脹力均小于2.5 kPa。

（4）滲透系數(shù)與摻入率的關系曲線見圖13、圖14。結(jié)果顯示，石灰摻入率提高，改良土滲透系數(shù)相應降低；隨水泥摻入率提高水泥改良土滲透系數(shù)并沒有呈現(xiàn)下降趨勢。但試驗反映出改良土的滲透系數(shù)在9.5×10-6～1.7×10-5cm/s 之間，滿足水利工程一般防滲要求。

2.3.3 改良土強度試驗

按SL237-1999 規(guī)定進行改良土的直接快剪試驗，考慮改良劑摻入率和齡期。改良土強度試驗成果見表8、表9。

圖3 石灰摻入率、工藝與塑性指數(shù)關系曲線

圖4 水泥摻入率、工藝與塑性指數(shù)關系曲線

圖5 水泥摻入率、改良工藝與自由膨脹率關系曲線

圖6 石灰摻入率、改良工藝與自由膨脹率關系曲線

圖7 水泥摻入率與無荷膨脹率關系曲線

圖8 石灰摻入率與無荷膨脹率關系曲線

圖9 4.6～6.7 kPa 荷載下水泥摻入率與膨脹率關系曲線

圖10 4.5 kPa 荷載下膨脹率與石灰摻入率關系曲線

圖11 膨脹力與石灰摻入率關系曲線

圖12 膨脹力與水泥摻入率關系曲線

圖13 滲透系數(shù)與石灰摻入率關系曲線

圖14 滲透系數(shù)與水泥摻入率關系曲線

表8 石灰改良土強度試驗成果表

由表8 可以看出，石灰改良土具有以下特征：①即配即剪強度值隨著摻灰率的提高而有所下降，特別是粘聚力下降十分明顯；②浸水養(yǎng)護的夯實土樣隨著摻灰率的提高強度有明顯提高，粘聚力在摻灰率2%～5%之間上升明顯，5%以后改善不大，而對內(nèi)摩擦角影響不明顯；③同一摻灰率土樣抗剪強度隨著養(yǎng)護時間的延長有明顯提高，以浸水養(yǎng)護半個月內(nèi)強度提高效率最大，同時也體現(xiàn)出灰土粘聚力隨養(yǎng)護時間延長提高明顯，而內(nèi)摩擦角則僅有較小改變。

由表9 可以看出，水泥改良土試驗具有以下特征：①即配即剪強度值隨著水泥摻入率的提高有所提高，只是沒有陡升趨勢，但與素土比較提高顯著；②養(yǎng)護時間延長，抗剪強度提高明顯，主要表現(xiàn)為粘聚力的提高，而內(nèi)摩擦角沒有大的變化。

表9 水泥改良土強度試驗成果表

3 結(jié)論

對比分析室內(nèi)試驗成果和模擬施工工藝現(xiàn)場改良試驗研究成果，初步得到工程場地膨脹土特征和改良運用方法，形成以下幾點結(jié)論：

（1）泵站地基土層主要為第四系上更新統(tǒng)（Q3）黏土、粉質(zhì)黏土，礦物成份中含有10%～40%的伊利石（水云母）、蒙皂石，因伊利石及蒙皂石具親水性和膨縮性，使場地土具有膨脹性，膨脹性呈中—弱。

（2）膨脹土膨脹力一般在25～140 kPa 之間，深下臥層局部達200 kPa 左右。建筑物主體持力土層處于大氣影響深度以下，膨脹力基本小于設計荷載，不受膨脹性明顯影響；河坡、消力池、鋪蓋處等荷載較小的部位可能會因地基土膨脹而產(chǎn)生變形甚至破壞。

（3）膨脹性粘性土即使被挖置于地表多年，甚至進行了壓實處理，但其膨脹性基本仍不會改變，故不能作為填筑土料直接使用。

（4）按實際填筑施工條件進行的大型模擬試驗成果顯示，石灰或石灰+水泥改良后的膨脹性土料，其膨脹性基本消除，能夠滿足工程設計強度、抗壓和抗?jié)B要求。

（5）綜合考慮施工復雜性和運行安全性等因素，一般可選用2%石灰砂化后再摻入3%水泥作為膨脹土填料改良劑量。