大型浸水模型试验在多哈新港项目中的应用

黄云

摘 要：土体的膨胀性能主要由土体中亲水性矿物质（高岭石、蒙脱石、伊利石）的组成和比例含量有关，土体特有的矿物成分具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，性质极不稳定，使得膨胀土具有会随土体含水量的变化而产生隆起或沉降变形的特征。目前国内外主要采用水洗法与干筛法测定土体的液塑限，在某种程度上无法客观反映土体中亲水性矿物质的组成和比例含量关系，本文以多哈新港项目为载体，采用大型浸水模型试验研究港池开挖土体的膨胀性能，模拟港池开挖料在“全湿”极端条件下的膨胀性能，并以此参数为指导港池开挖料的使用，为项目的顺利履约创造条件，形成了良好经济效益和社会效益。

关键词：大型浸水模型试验 液塑限 膨胀土 干筛法 水洗法

1.引言

多哈新港项目采用英国BS1377规范，该规范对液塑限样品制备采用干筛法和水洗法。根据现场试验检测和外委第三方试验结果对比，对同一样品采用两种方法制备试样得出的数据会普遍存在偏差，这种偏差主要来自于样品制备方法所产生的操作偏差。干筛法与水洗法两种方法是对土体黏粒的“全收集全统计”，无法客观反映土体中亲水性矿物质（高岭石、蒙脱石、伊利石）的组成和含量比例关系。项目技术规格书明确港池开挖回填料液限>65%、塑性指数>35%判定为不合格，不能用于码头后方陆域形成。为研究多哈新港项目港池开挖料土体的膨胀性能，设计了两组不同细颗粒含量（粒径小于0.063mm）的大型浸水模型试验，以期模拟土体在“全淹没”极端环境下的膨胀性能是否满足回填料的工程要求。

2.工程概况

多哈新港地处卡塔尔MASAEED工业城内，离多哈市区40km，该项目为内挖式港口，港池开挖工程量7070万m3，其中土方3000万m3，石方4070万m3。港池区域表层为2-6m的风积沙和底层强风化和微風化的灰岩组成，陆域形成土石方回填5250万m3，弃方1820万m3，基坑采用放坡方式进行干开挖，土方直接利用陆域形成，石方部分存在液塑限超标，需要选择性利用方能满足土石方平衡利用。

3.浸水模型试验方案设计

结合现场实际情况，选择不同区域不同断面层次的港池开挖料进行室内土工试验，初判该结构层次料源为液限与塑性指数超标的不合格料源。为研究不同的细颗粒（根据英标BS-5930，颗粒粒径小于0.063mm的土体）含量对土体膨胀性能的影响，根据著名水工设计方Worley Parsons的要求按照图1与图2设计模型试验。模型主要由两部分组成，低区为细颗粒含量小于20%的港池开挖料，高区为细颗粒含量在35%-45%之间的港池开挖料。试验模型大小为20m×20m×1m，对于低区细颗粒含量小于20%的模型区G1/G2为模型底部监测点、E1/E2/E3/E4为模型顶部监测点；对于高区细颗粒含量在35%-45%的模型区G3/G4为模型底部监测点、E5/E6/E7/E8为模型顶部监测点；

模型按照陆域形成的同一技术标准实施：（1）按照50cm每层分层碾压，每一结构层完成后进行现场换水法密度试验并满足现场压实度要求；（2）最大干密度应达到室内击实试验最大干密度的95%以上；（3）土体含水量应小于室内击实试验最佳含水量；（4）土体孔隙率应小于10%。

在模型制作过程中采用土工织物、不透水薄膜的方式确保模型试验过程中土体的水头差为10cm。同时在试验现场配置2个备用水箱，当水渗透到土体模型、水头下降时应及时补水，始终保持土体模型充分被水浸没在水中，模拟拟用回填料充分浸没在水体中的极端条件。模型断面如图2。

4.模型监测系统设置

土体中细颗粒含量不同将模型试验分为高区与低区（详见图1）两个区域，为保证两个区域在同等条件下推演模拟实验，高区与低区同时施工、同时浸水、同时监测。模型监测系统底部监测点G1～G4这4个监测点采用3m×3m的钢板做托板，将1.5m的监测杆焊接在托板中心。顶部监测点E1～E8这8个监测点采用0.5m×0.5m的钢板托板，托板下部设置4根30cm的嵌钉，确保顶部监测杆的稳定。将0.5m的监测杆焊接在托板中心并将托板埋植后与模型顶标高相同。顶层碾压完成后采用人工开挖埋植顶部监测杆，并用微型手推压路机碾压夯实四周。监测杆上设置沉降观测尺，同时为方便观测，在观测尺的上部贴上具有不同半径的焦点反观贴，在距离模型外侧5～10m的位置建立一个固定的基准点，采用GPS按照每天1次的频率进行观测，观测期为4周。

5.验收标准

根据设计方Worley Parsons的工程技术要求，对于不同细颗粒含量，其膨胀性能不一致。采用干筛法或水洗法得出某一区域的港池开挖料不适合做陆域形成回填料时，通过模型试验如果满足以下两个条件之一，则可以用于陆域形成的回填料。

（1）对于细颗粒含量<20%的港池开挖料，浸水模型试验其膨胀量≤10mm；

（2）对于细颗粒含量在35%～45%的港池开挖料，浸水模型试验其膨胀量≤15mm；

6.试验结果分析

6.1干筛法与水洗法

模型试验开始之前应根据港池开挖料在时间和空间上的分布，全断面全结构层的取土样进行室内土工试验，分别进行土样天然含水量、颗粒密度、液塑限、颗粒筛分和土体击实试验，从而获取土样物理力学参数。根据室内试验结果对港池开挖料进行分类别使用，对于液塑限超标的料源区再次进行浸水模型试验。endprint

土工试验严格按照英标B S -1377-2进行，干筛法与水洗法试验结果见表1、2，由表可以看出，对同一区域选取的土样采用两种不同试验方法得出的液塑限指标存在较大的偏差（大约在10左右）。采用干筛法进行室内土工试验时，细颗粒含量小于20%的港池开挖料，液限平均值在99.6，塑性指数57.8；而细颗粒含量在35%-45%之间的港池开挖料，液限平均值在71.4，塑性指数37，均超出了对陆域形成回填料要求范围。采用水洗法进行室内土工试验时，细颗粒含量小于20%的港池开挖料，液限平均值在110.6，塑性指数63.2；而细颗粒含量在35%-45%之间的港池开挖料，液限平均值在81.6，塑性指数38.2，均超出了对陆域形成回填料要求范围。

6.2现场干密度试验

在浸水模型制作过程中，每层碾壓完成后需要进行现场换水法密度测试试验，以模拟陆域形成回填统一的技术标准并验证模型碾压效果。现场换水法密度试验严格按照ASTM-D5030-2004进行操作，每个结构层随机选择3个测试点进行测试，试验结果详见表3，。由表可以看出，低区土体两次碾压的平均压实度为98%，平均孔隙率问哦6.52%；高区土体两次碾压的平均压实度为99%，平均孔隙率问哦4.72%；可见细颗粒含量高的土体模型在相同的施工条件下，密实度高，孔隙率低。

6.3不同细颗粒含量膨胀量位移变化特征

根据设计方Worley Parsons的模型监测频率要求，对监测数据整理分析得出不同细颗粒含量的模型膨胀曲线（图3），由图3可以看出模型膨胀位移曲线大致可以划分为3个阶段：初始快速膨胀阶段、缓慢膨胀阶段、稳定阶段。低区土体模型在初期快速膨胀阶段，膨胀速率最大为4mm/d；此后膨胀速率逐渐放缓到2mm/d；再到第20d后基本处于稳定状态。而对于高区土体模型，初期快速膨胀速率为2mm/d，第9d后基本维持在1mm/ d，到第34d基本处于稳定状态。

7.结论

（1）多哈新港项目部分港池开挖料采用传统的土工试验（干筛法、水洗法）其液塑限指标不满足陆域回填料质量要求，但通过浸水模型试验模拟该类料源在极端环境下的膨胀性能，其最终的膨胀量均为9～10mm，满足设计方Worley Parsons提出：对于细颗粒含量<20%的港池开挖料，浸水模型试验其膨胀量≤10mm；对于细颗粒含量在35%～45%的港池开挖料，浸水模型试验其膨胀量≤15mm膨胀量要求，该类料源满足陆域回填料质量要求。

（2）对于不同细颗粒含量的土体，其膨胀性能对细颗粒量不敏感，初判可能是由于该类料源中细颗粒含量中亲水性较大的蒙脱石、伊利石成分并不高，而亲水性相对较低的高岭石成分相对较大；

（3）传统的土工试验（干筛法、水洗法）是对细颗粒的全收集全统计，而浸水模型试验是对该类料源细颗粒中亲水性物质（蒙脱石、伊利石、高岭石）含量比例的综合评判，更能客观反映工程实际情况，具有推广意义。

参考文献：

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