刘老涧泵站地基膨胀土特征及改良研究

王教辉 王振友 茆丽霞 宋兴东 马志蕊

（江苏省工程勘测研究院有限责任公司，江苏 扬州 225002）

0 引言

刘老涧第二抽水站是南水北调东线一期工程第五梯级的重要组成部分，位于江苏省宿迁市东南约18 km，采用闸站联合布置方案，为Ⅰ等1 级水工建筑物。拟建抽水站底板底面高程为5.7～8.2 m，上、下游第一节翼墙基础底板高程分别为10.0 m 和6.8 m，上、下游翼墙顶高程分别为20.0 m 和19.5 m，闸站之间隔水墙上、下游顶高程亦分别为20.0 m 和19.5 m，填土高度10.0～12.7 m。由于工程区属于膨胀土地区，非膨胀土源稀少，泵站地基持力层及河道、闸站基坑开挖土料均具膨胀性，直接作为天然地基或建基填筑材料存在安全隐患。因此，如何改善膨胀土填料膨胀特性，使其在改良基础上满足设计施工要求，对于本工程十分重要。

为研究膨胀土对本工程建设安全的影响，确定针对性的处理措施，江苏水源公司委托江苏省工程勘测研究院有限责任公司进行现场改良试验研究工作，要求通过现场试验，确定不同改良剂量的改良效果、改良工艺和改良土的物理力学性质指标。

1 场地膨胀土特征

本工程施工土源为刘老涧二站及刘老涧一站开挖弃土，主要涉及土层为②1、②2、③1层，均为含砂礓的第四系上更新统（Q3）黏性土。

（1）刘老涧二站地基土物理性质指标和膨胀性试验成果见表1 和表2。

（2）刘老涧一站建设过程中开挖土也以②1、②2、③1层为主，因具膨胀性堆弃于工程场地附近，已堆置10余年，其物理力学指标及膨胀性试验成果见表3 和表4。

（3）利用刘老涧一站开挖土进行局部填筑和压实处理，并对压实处理后的填土取样试验，其物理性质指标和膨胀性试验成果见表5 和表6。

（4）刘老涧站膨胀土矿物分析及湿化崩解试验。取刘老涧站膨胀土进行X 射线衍射试验，试验条件：铜靶40kV60MA 石墨单色器，闪烁计数器温度22℃，湿度63%。试验成果见表7。取样进行崩解试验，湿化试验结果表明，1 h 崩解量达50%，24 h 崩解量达70%～80%，网上剩余多为小砂礓。

2 现场改良试验研究

表1 刘老涧二站主要地基土物理性质指标

表2 刘老涧二站地基土膨胀性试验成果

表3 刘老涧一站开挖堆置土物理性质指标

表4 刘老涧一站开挖堆置土膨胀性试验成果

表5 刘老涧一站压实填土物理性质指标

表6 刘老涧一站压实填土膨胀性试验成果

表7 土样矿物组成试验成果表

2.1 改良试验方案

现场试验以河海大学室内科研成果为基础，结合水利工程建设特点，确立现场改良试验研究方案分“石灰改良方案”和“石灰+水泥改良方案”。试验步骤为：第一步膨胀土砂化；第二步不同改良剂（①石灰，②水泥）深入改良；第三步样品制作进行膨胀性、物理力学性试验；第四步成果分析形成报告。改良剂配比为：掺加2%消石灰进行砂化，石灰改良试验采用质量比3%、5%、7%掺灰量（包括砂化石灰掺量）；石灰＋水泥改良试验采用质量比2%石灰砂化再加入3%、4%、5%的水泥。

两种改良剂配比的确定，是考虑改良后的土体能够满足工程需要，同时也综合考虑了施工、造价方面的影响。

2.2 制样设备要求和试验方法

现场改良试验在尽可能贴近施工作业实际的模拟现场施工条件下进行。为进行现场模拟试验，在保持作用功一致的条件下将室内击实改为现场碾压或现场夯实，现场自由膨胀率、无荷载及有荷载膨胀率、膨胀力等试验进行“大试样”的配制，并保留砂礓在其中。按施工破碎一般可达到的土块颗粒及绝大多数砂礓粒径大值3～5 cm、个别土块颗粒及砂礓粒径6～8 cm 考虑，试验要求制备出直径为50.4 cm 的“大试样”，即：配制试样仪器内径为50.4 cm 的“大型”试验设备。“大型”试验设备照片见图1，装置示意图见图2。

作为现场模拟试验的辅助手段，改良试验也同时安排了部分室内试验以进一步确定适当的改良材料、改良剂比例和施工工艺。

2.3 改良试验成果及分析

2.3.1 改良土塑性指数、自由膨胀率

根据《土工试验规程》（SL237—1999）室内试验要求和步骤进行改良土塑性指数、自由膨胀率试验，改良后塑性指数成果见图3、图4，自由膨胀率成果见图5、图6。

图3、图4 结果显示，配制后立即测试的塑性指数基本未变，而闷置后塑性指数下降明显，且随石灰掺入率提高改善幅度增大，随水泥掺入率提高改善幅度亦有所波动，但规律不显著。说明土料闷置工艺是必要的，时间延长对膨胀土改良有利。

图5、图6 结果显示，配制后立即测试的自由膨胀率基本未有改善，而配制闷置后自由膨胀率下降明显，3%、4%和5%的石灰或水泥掺入率均能使膨胀土的自由膨胀率下降至40%以下，成为非膨胀性土；随石灰掺入率提高改善幅度增大，而改善幅度随水泥掺入率提高变化不甚明显。说明改良过程土料闷置工艺是必要的，时间延伸对膨胀土改良有利。

图1 内径50.4 cm 的“大型”设备

图2 有荷膨胀率、膨胀力试验装置示意图

2.3.2 改良“大试样”试验

按试验方案，制作数个直径50.4 cm 的改良土“大试样”，考虑改良工艺对比要求进行无荷膨胀率、有荷膨胀率、膨胀力、收缩试验和渗透试验。

（1）无荷膨胀率关系曲线见图7、图8。结果显示，掺灰率越大，改良效果越好，灰土无荷膨胀率越小；水泥改良土的无荷膨胀率与掺入率关系规律不强，但膨胀率均较小。

（2）有荷膨胀率关系曲线见图9、图10。结果显示，相同荷载下，掺灰率越大，有荷膨胀率越小，各掺灰率条件下加载至5 kPa 左右时，有荷膨胀率均为负值。

（3）膨胀力与掺入率关系曲线见图11、图12。结果显示，石灰掺入率越大，改良土膨胀力越小；水泥掺入率与膨胀力关系难看出明显的规律性。但数据反映标准夯实功下改良土的膨胀力均小于2.5 kPa。

（4）渗透系数与掺入率的关系曲线见图13、图14。结果显示，石灰掺入率提高，改良土渗透系数相应降低；随水泥掺入率提高水泥改良土渗透系数并没有呈现下降趋势。但试验反映出改良土的渗透系数在9.5×10-6～1.7×10-5cm/s 之间，满足水利工程一般防渗要求。

2.3.3 改良土强度试验

按SL237-1999 规定进行改良土的直接快剪试验，考虑改良剂掺入率和龄期。改良土强度试验成果见表8、表9。

图3 石灰掺入率、工艺与塑性指数关系曲线

图4 水泥掺入率、工艺与塑性指数关系曲线

图5 水泥掺入率、改良工艺与自由膨胀率关系曲线

图6 石灰掺入率、改良工艺与自由膨胀率关系曲线

图7 水泥掺入率与无荷膨胀率关系曲线

图8 石灰掺入率与无荷膨胀率关系曲线

图9 4.6～6.7 kPa 荷载下水泥掺入率与膨胀率关系曲线

图10 4.5 kPa 荷载下膨胀率与石灰掺入率关系曲线

图11 膨胀力与石灰掺入率关系曲线

图12 膨胀力与水泥掺入率关系曲线

图13 渗透系数与石灰掺入率关系曲线

图14 渗透系数与水泥掺入率关系曲线

表8 石灰改良土强度试验成果表

由表8 可以看出，石灰改良土具有以下特征：①即配即剪强度值随着掺灰率的提高而有所下降，特别是粘聚力下降十分明显；②浸水养护的夯实土样随着掺灰率的提高强度有明显提高，粘聚力在掺灰率2%～5%之间上升明显，5%以后改善不大，而对内摩擦角影响不明显；③同一掺灰率土样抗剪强度随着养护时间的延长有明显提高，以浸水养护半个月内强度提高效率最大，同时也体现出灰土粘聚力随养护时间延长提高明显，而内摩擦角则仅有较小改变。

由表9 可以看出，水泥改良土试验具有以下特征：①即配即剪强度值随着水泥掺入率的提高有所提高，只是没有陡升趋势，但与素土比较提高显著；②养护时间延长，抗剪强度提高明显，主要表现为粘聚力的提高，而内摩擦角没有大的变化。

表9 水泥改良土强度试验成果表

3 结论

对比分析室内试验成果和模拟施工工艺现场改良试验研究成果，初步得到工程场地膨胀土特征和改良运用方法，形成以下几点结论：

（1）泵站地基土层主要为第四系上更新统（Q3）黏土、粉质黏土，矿物成份中含有10%～40%的伊利石（水云母）、蒙皂石，因伊利石及蒙皂石具亲水性和膨缩性，使场地土具有膨胀性，膨胀性呈中—弱。

（2）膨胀土膨胀力一般在25～140 kPa 之间，深下卧层局部达200 kPa 左右。建筑物主体持力土层处于大气影响深度以下，膨胀力基本小于设计荷载，不受膨胀性明显影响；河坡、消力池、铺盖处等荷载较小的部位可能会因地基土膨胀而产生变形甚至破坏。

（3）膨胀性粘性土即使被挖置于地表多年，甚至进行了压实处理，但其膨胀性基本仍不会改变，故不能作为填筑土料直接使用。

（4）按实际填筑施工条件进行的大型模拟试验成果显示，石灰或石灰+水泥改良后的膨胀性土料，其膨胀性基本消除，能够满足工程设计强度、抗压和抗渗要求。

（5）综合考虑施工复杂性和运行安全性等因素，一般可选用2%石灰砂化后再掺入3%水泥作为膨胀土填料改良剂量。