再生骨料改性土用于水工堤壩芯土的性能試驗研究

張奇智

(喀左縣水利局,遼寧 喀左 122300)

1 研究背景

降雨是十分普遍的自然現(xiàn)象，同時也是堤壩穩(wěn)定性的重要影響因素。降雨不僅會改變土石壩的滲流場，同時還會使堤壩的土體軟化，使大壩土體的抗剪強度明顯降低，并對大壩的穩(wěn)定性造成負面影響[1]。在降雨初期，雨水的入滲主要發(fā)生在堤壩壩坡的表層非飽和區(qū)，隨著雨水的持續(xù)入滲，就會達到飽和區(qū)，并直接補充地下水，造成潛水的水面提高，并在堤壩邊坡的表層形成暫態(tài)飽和區(qū)，隨著雨水入滲面部位土體的軟化，堤壩壩坡的穩(wěn)定性也會逐漸降低[2]。在我國，江河湖泊堤防以土質(zhì)為主，強降雨造成的堤壩滲流和滑坡十分頻繁，同時也是堤防安全的主要影響因素。當(dāng)然，要防止堤防的滲流破壞，除了提高工程設(shè)計建設(shè)標準之外，提高堤壩芯土的抗?jié)B性也是十分重要和有效的途徑[3]。隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進，勢必會產(chǎn)生大量以磚和混凝土為主的建筑垃圾，而再生骨料就成為上述建筑垃圾回收再利用的重要方式[4]。根據(jù)相關(guān)研究，在黏土材料中添加一定量的骨料，可以有效改善土體的滲透性和強度。但是對于再生建筑骨料改性土的應(yīng)用方面尚沒有深入研究[5]。

2019年太子河觀音閣水庫下游段堤防維修養(yǎng)護工程是遼寧省本溪市重點投資的水利工程，主要是對觀音閣水庫下游42.5 km的河堤進行維修養(yǎng)護，對部分堤段進行加高加固。施工區(qū)域內(nèi)有本溪市城中村改造產(chǎn)生的大量建筑垃圾，可以為堤壩建設(shè)提供必要的再生骨料，不僅可以減少取土和建筑垃圾堆放對環(huán)境造成的破壞，還可以降低施工成本。因此，本次研究以上述工程為依托，通過試驗的方法檢測再生骨料改性土的滲流、強度性能以及用于堤壩芯土的可行性。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗材料

試驗用的原狀土取自項目區(qū)的原始土體，屬于粉土類型，利用10 mm篩對其進行篩分。經(jīng)實驗室測定其密度為1.82 g/cm3，含水率為10.3%，土粒的相對密度為2.65 g/cm3，塑限為8.6%，液限為19.8%。磚和混凝土等建筑垃圾通過研磨之后獲得試驗所需的建筑骨料。為了避免骨料粒徑差異對試驗結(jié)果的影響，試驗中選擇同一批次的建筑垃圾進行研磨。經(jīng)實驗室測定磚骨料和混凝土骨料的比表面積分別為852.3 m2/kg和827.1 m2/kg。由此可見，再生骨料的活性明顯強于原狀土，可以對土粒產(chǎn)生較強的吸附作用，并可以通過水化反應(yīng)形成膠凝性水化物，提高改性土的抗?jié)B性[6]。

2.2 試驗方案

為了研究兩種再生骨料量和主要因素對原狀土改性的影響作用，試驗中參考相關(guān)研究經(jīng)驗，設(shè)計了0%、20%、40% 3種不同配比磚骨料和混凝土骨料，并利用正交試驗的方法，設(shè)計出如表1所示的9種試驗方案。

表1 正交試驗方案設(shè)計

2.3 試驗方法

由于原狀土為粉土，因此需要在通風(fēng)處自然風(fēng)干，并利用5 mm篩進行篩分。按照確定的試驗方案配比，量取原狀土、磚骨料和混凝土骨料，并按照10%的含水率量取自來水，將材料攪拌均勻后，利用環(huán)刀制作直徑70 mm，高20 mm的圓柱形試件。

由于試驗的改性土滲透性較好，因此采用常水頭法進行滲透性試驗[7]。試驗采用的設(shè)備為MST-60型滲透儀，首先將制作好的試樣放入儀器的滲透圓筒，并分層填充夯實。向供水瓶中注入自來水，然后打開供水管排除水瓶中的全部空氣，調(diào)節(jié)供水速率和排水速率相同，以3 h為觀測時間并記錄好滲出水量。

試件的強度試驗采用ZJ型電動直剪儀進行，分別對制作的4個試樣施加50 kPa、100 kPa、150 kPa 和200 kPa的垂向應(yīng)力，剪切速率設(shè)定為0.8 mm/min。根據(jù)試驗結(jié)果，建立起試樣的抗剪強度和豎向應(yīng)力之間的關(guān)系曲線，該曲線的傾角即為試樣的內(nèi)摩擦角，豎向坐標的截距即為試樣的黏聚力[8]。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 滲透系數(shù)試驗結(jié)果與分析

按照試驗方案和試驗方法，對不同配比的試樣進行滲透性試驗，結(jié)果如表2所示。由表中的試驗結(jié)果可知，各方案的滲透系數(shù)與時間之間的變化趨勢具有十分明顯的規(guī)律性，即滲透系數(shù)隨著時間的增加而逐步減小最終趨于穩(wěn)定。同時，添加再生骨料后的改性土的滲透系數(shù)顯著低于未添加再生骨料的原狀土。從單摻磚骨料和混凝土骨料的方案對比來看，試樣的滲透系數(shù)會隨著骨料摻加量的增大而減小。因此，從單摻骨料來看，增加骨料的摻量有利于降低改性土的滲透性。方案5為磚骨料和混凝土骨料各含20%，而方案7為磚骨料含量40%，而兩種方案3 h滲透系數(shù)分別為2.87和5.46，方案5的滲透系數(shù)減小了47.44%；兩種方案24 h滲透系數(shù)分別為1.30和2.74，方案5的滲透系數(shù)減小了52.55%。由此可見，采用混合再生骨料配比有利于降低改性土的滲透系數(shù)。

表2 滲透性試驗結(jié)果 10-5cm·s-1

根據(jù)表中的計算結(jié)果，改性土的滲透系數(shù)與再生骨料摻量之間并非線性關(guān)系，因此利用試驗數(shù)據(jù)構(gòu)建不同時間節(jié)點的滲透系數(shù)回歸模型，利用SPSS軟件和最小二乘法進行試驗數(shù)據(jù)的擬合分析，獲得回歸模型如式(1)：

k=5.955-11.431m1-12.456m2-

0.256e-m1-0.063e-m2

(1)

式中：k為滲透系數(shù)；m1為磚骨料摻入量；m2為混凝土骨料摻入量。

對上述回歸模型進行t檢驗，結(jié)果如表3所示。由檢驗結(jié)果可知，該模型在95%置信度水平下對再生骨料改性土抗?jié)B性顯著，可以用于相關(guān)研究。

表3 回歸模型t檢驗結(jié)果

3.2 強度特性試驗結(jié)果分析

強度特性也是影響再生骨料改性土實際應(yīng)用的重要指標，對試件進行快剪試驗，結(jié)果如表4所示。由試驗結(jié)果可知，改性土的內(nèi)摩擦角隨著骨料摻入量的增大而減小，主要由于摻入的再生骨料比表面積和活性較大，可以吸附在顆粒表面，起到一定的潤滑作用，從而降低顆粒表面的粗糙程度和嵌固作用，因此隨著再生骨料摻入量的增加，改性土土體的內(nèi)摩擦角會逐步減小。從黏聚力來看，整體呈現(xiàn)出隨著再生骨料摻入量的增加而增大的趨勢。再生骨料比表面積和活性較大，摻入之后土粒之間的距離減小，氫鍵增強，同時通過水化反應(yīng)增加顆粒之間的膠結(jié)力，最終使改性土黏聚力的增大。從最優(yōu)配比的方案5來看，其內(nèi)摩擦角與原狀土相比減小了5.65%，黏聚力增加了32.50%。因此，該配比具有良好的強度特征，與原狀土相比，抗剪強度有所提高，有利于堤壩在降雨條件下保持安全穩(wěn)定狀態(tài)。

表4 正交快剪試驗結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)添加再生骨料后的改性土的滲透系數(shù)明顯低于未添加再生骨料的原狀土。

(2)在單摻骨料情況下，改性土的滲透系數(shù)會隨著骨料摻加量的增大而減小。

(3)在降低改性土的滲透系數(shù)方面，采用混合再生骨料配比優(yōu)于單摻骨料；采用混合骨料時，磚骨料和混凝土骨料的最佳摻量約為20%。

(4)隨著骨料摻入量的增大，改性土的內(nèi)摩擦角略微減小，而黏聚力則顯著增加，土體的整體抗剪強度有所提高，可以用于堤壩建設(shè)工程。