淮安抽水泵站工程场地土体掺石灰地基处理工艺下力学特性分析研究

陈 超 齐春舫 谷 静

(淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223005)

1 概 述

水工建筑物稳定性与场地地基承载力密切相关，地基土体沉降变形以及力学稳定性均是水工设计中必须考虑的重要岩土参数，确保水工设计水平与地基土体承载性能相匹配乃是设计基本安全要求，为此针对不良地基常常采用人工处理方法进行改良[1-3]，研究改良后地基土体力学稳定性对验证地基处理工艺水平具有重要意义。黎柳坤[4]、陈庆等[5]、王家全等[6]根据土体等岩土体颗粒流特点，利用离散元仿真手段建立颗粒流模型，设立不同荷载工况，开展细观角度下的土体力学稳定性及影响因素分析，极大提升了水利工程中土体材料力学认知水平。通常地基处理采用灌注桩以及物理化学方法改良等工艺技术[7-9]，不同工艺或技术对地基承载力提升均具有重要作用。利用石灰、黏土等其他外加剂对地基土体进行人工改良，有利于快速改变地基不良状态，确保地基承载力满足工程场地设计要求。为此，对土体开展室内力学试验很有必要，姚阳等[10]、张晓昀等[11]利用精密室内仪器开展了包括重塑土、原状土等土体在内的三轴剪切、渗透等试验，为土体力学稳定性及渗透演化研究提供了重要试验资料。本文对淮安地区拟建二级抽水泵站工程场地地基土体进行掺石灰处理工艺研究，研究石灰掺量以及冻融效应对改良土力学稳定性影响，为工程地基处理设计提供试验支撑。

2 试验概况

2.1 试验背景

为提升淮安地区水资源供给能力，在原淮安抽水泵站基础上考虑新建一座二级抽水泵站，一方面可提升地区生活供水水平，且可在枯水季为京杭大运河提供需水量，确保运河通行水位要求。泵站设计由4台机组构成，单机抽水量为60m3/s，可实现日供水量25万m3，设计与新建泵站工程相搭配的输水灌渠，可实现农业生产用水供应，进行泵站枢纽工程周边13.5万亩农田灌溉，减少地下水开采量，整体上二级泵站投入运营后可降低地区缺水率5.5%。另一方面，二级抽水泵站的建设，可实现淮安地区部分小型河道水资源补给，极大改善水资源环境，提升水质，且泵站作为防洪排涝重要水利设施，其建设后对淮安地区防洪标准提升以及保障均具有重要意义。目前，拟建的二级抽水泵站枢纽工程包括有蓄水池、水闸以及挡土边墙等设施，蓄水池设置有拦污栅，减弱池内泥沙淤积沉降对渗流场影响，降低水池内紊流，故蓄水池结构自重荷载较大；而水闸采用预应力闸墩作为支撑结构，闸墩直径为1.8m，验算得知闸墩最大沉降应控制在8～12mm，水闸最大通行流量设计为765m3/s，闸门采用弧形钢闸门，直径为2.2m；挡土边墙采用预制拼装水工挡土墙结构，此类结构主要特点为施工工艺较简单，但自重荷载较大，对地基承载力要求较高；泵站机组设施作为该枢纽工程主要功能设备，其装机容量超过4000kW，采用地下连续墙的加固措施，确保结构在运营过程中静力及振动稳定性。由此可见，该拟建工程所涉及水工设施对地基承载力要求均较高，而目前地勘资料显示该地区最大荷载持力层为砂土，地基承载力约为80kPa左右。考虑此，工程设计部门研究对地基土体进行改良处理，拟定采用石灰作为地基处理外加剂，提升整体地基承载性能，故试验部门先期对掺石灰土体开展力学稳定性分析，为工程设计提供重要试验论证。

2.2 试验介绍

本试验采用GEOMEC高精度土体材料力学综合试验系统开展(见图1)。该试验系统的GEO自研加载系统，精度较高，可更换不同量程，最大可测试至500kN，而本试验根据淮安地区地基土体分布范围，量程上限设置为50kN，荷载最大波动幅度不超过0.1%；围压最大可达30MPa，所有压力传感器均已进行标定，误差控制在允许范围；该试验系统有数据监测、采集设备，其数据采集设备主要分为系统内置与外接耦合设备，内置数据采集设备可实现围压位移、设备位移、荷载速率等参数采集，而外界耦合设备由位移传感器组成，其安装至三轴试验缸内(见图2)，可连接轴向变形LVDT设备与环向变形传感器，LVDT量程为-15～15mm，环向变形最大可达20mm，变形数据最大误差为0.2%。另为实现冻、融交替试验，利用冻融试验箱作为物理损伤试验主要设备，设置冻、融温度分别为-25℃、25℃，每次冻、融环境均经历12h，确保试样内部温度效应一致性。

图1 GEOMEC力学综合试验系统

图2 三轴试验缸内传感器分布

为研究淮安地区抽水泵站工程场地地基土体经掺石灰处理后的力学稳定性，试验设计为最优石灰掺量与冻融效应对力学特征影响性分析两部分。研究方案设定石灰掺量分别为0%(原状土)、3%、6%、9%、12%、15%，冻融交替次数设定为0次、2次、4次、6次、8次、10次、12次，围压分别设定为150kPa、300kPa(各组试验方案见表1)。各组试样均采自工程现场，在室内捣碎后，添加入目标掺量的石灰，重塑形成试验样品[12-13]，所有试样直径、高度均分别为75mm、150mm，在进行力学试验前均在养护箱内养护24h。

表1 各组重塑试样石灰掺量与冻融次数

2.3 击实试验

经石灰处理后的地基土体力学稳定性与击实特性亦密切相关，因而本文给出不同石灰掺量下试样击实特征曲线(见图3)和击实特征参数与石灰掺量关系曲线(见图4)。从图3、图4中可看出，重塑土试样石灰掺量越高，最优含水量越高，各试样最优含水量分布在8.33%～9.7%，其中以石灰掺量15%为最高，达9.7%，石灰掺量增长3%左右，最优含水量增长了5.2%，表明石灰掺量可促进该工程场地地基土体最优含水量发展；另一方面，原状土与掺石灰重塑土的最优含水量最大差距幅度为16.3%，乃是石灰掺量15%时。由三个典型掺石灰试样的击实曲线可知，各试样的最大干密度基本接近，为1.91g/cm3，而原状土的最大干密度较掺石灰试样降低了10.5%，即掺石灰后地基砂土最大干密度得到提升。分析认为，石灰成分进入重塑土样内部，可与土体原生矿物发生化学反应，形成结晶次生矿物，密度得到增长，表现在重塑土最大干密度高于原状土，而石灰与土体内水分结合，可形成水化反应[14-15]，笔者认为此影响了最优含水量的变化，石灰含量越大，从外界吸收水分越充分，表现在重塑土样最优含水量越高。

图3 不同石灰掺量下试样击实特征曲线

图4 击实特征参数与石灰掺量关系曲线

3 石灰掺量影响下改良地基土力学特性

3.1 应力应变特征

根据对不同石灰掺量重塑土样开展三轴压缩力学试验，获得的石灰掺量影响下重塑改良土体应力应变特征见图5。由图5可知，石灰掺量越大，重塑土整体加载应力水平越高，围压150kPa下应变1.5%时原状土加载应力为51.2kPa，而石灰掺量9%、12%、15%重塑土试样的加载应力较之前者分别增大了1.63倍、1.74倍、2.56倍，此种现象在围压300kPa中亦是如此，重塑土与原状土间加载应力幅度差异更为显著，石灰掺量9%、12%、15%重塑土试样与原状土在前述同样对比条件下的增幅差异为2.42倍、3.43倍、4.68倍。笔者认为，原状土加入石灰成分后，石灰可与试样内部水分相结合，形成固体颗粒结构，可填充至土体微小孔隙中，提升试样整体密实度，土体颗粒骨架稳定性亦可得到增强，表征为加载应力水平提升；当围压增大后，不仅微小孔隙可得到填充，且在侧向约束力作用下，可限制孔隙膨胀变形，使石灰的化学生成物胶结颗粒可更好地与孔隙结合，确保土体内部孔隙得到堵塞，试样受石灰掺量影响下的加载应力幅度差异故更显著[16-17]。

图5 石灰掺量影响下重塑土应力应变特征

对比原状土与重塑土间应力应变变化趋势特征可知，原状土在初始线弹性变形阶段变形速率显著低于重塑土，围压150kPa、300kPa下重塑土在加载应力15kPa、30kPa前应力应变基本保持一致，但原状土并不与之一致。由变形模量对比亦可知，围压150kPa下原状土的线弹性模量为35.1kPa，而石灰掺量3%、12%、15%试样线弹性模量相比前者分别提升了60.1%、1.77倍、2.55倍，表明石灰掺量增加，试样线弹性变形能力增强。四个不同石灰掺量重塑改良土应变峰值基本接近，围压150kPa下均稳定在2.7%左右，而同围压下的原状土峰值应变为3.2%，表明重塑改良土在提升承载应力水平的基础上，增加了约束土体大变形能力。

3.2 强度特征

对改良重塑土应力应变进行数据处理后，获得的石灰掺量影响下重塑土三轴抗剪强度关系曲线见图6。由图6可知，石灰掺量与土体抗剪强度为正相关关系，且两者量值上具有线性函数关系，在围压150kPa下石灰掺量3%、9%、15%试样抗剪强度较之原状土分别增大了27.8%、69.4%、108.6%，石灰掺量每增大3%，围压150kPa下重塑改良土强度可提升16%，但强度增长主要以石灰掺量3%～9%间为最大，该区间内强度增幅达19.8%。当围压为300kPa时，重塑土体强度平均增幅为22.8%，在石灰掺量12%后强度增长效应有所减弱；从工程应用角度考虑，石灰掺量控制在合理区间内，即可显著提升地基土体承载能力，改善工程地基承载环境，从本文试验结果角度考虑，石灰掺量控制在9%～12%最适宜。

图6 石灰掺量影响下重塑土抗剪强度关系曲线

4 冻融循环影响下改良地基土力学特性

为研究冻融效应对土体力学特征影响性，对不同冻融交替次数下重塑土试样的力学数据进行处理，获得冻融交替影响下土体应力应变特征(见图7)。由图7可看出，冻融效应对重塑改良土影响具有阶段性变化，以冻融次数6次为影响变化转折节点，在冻融次数0～6次内，冻融效应具有损伤特征，重塑土加载应力水平显著递减，围压150kPa下，应变1.5%下冻融2次、6次试样的加载应力较之冻融0次时分别减少了42.4%、69.6%；而冻融次数在6～12次区间内时，冻融效应具有促进承载应力作用，相同应变下冻融8次、12次试样加载应力相比冻融6次下分别增长了1.2倍、1.39倍。当围压为300kPa时，冻融效应亦以6次为分界点，前、后区间内分别为冻融损伤与冻融促进作用。由变形特征可知，冻融次数越多，试样应变峰值越大，围压150kPa下冻融0次、2次、6次、8次、12次的应变峰值分别为2.2%、3.2%、3.6%、3.9%、4.15%；与之相对应，重塑改良土线弹性模量受冻融效应影响与加载应力类似，均以冻融6次下线弹性模量为最低，围压150kPa下为29.5kPa，而与同围压下的冻融2次、8次、12次线弹性模量相比分别增高了73.9%、92.4%、105.5%。

图7 冻融效应影响下重塑土应力应变特征(围压150kPa)

对冻融效应影响下的重塑土进行数据处理，获得冻融效应与土体抗剪强度关系曲线(见图8)。由图8可知，冻融次数与重塑土抗剪强度具有二次函数关系，最低点为冻融6次，在该节点前的0～6次区间内，每增加2次冻融循环，围压150kPa、300kPa下分别平均可导致土体抗剪强度损失17.6%、15.2%，而反之在节点后的6～12次区间内，土体强度平均增幅又分别可达20%、8.7%，围压越大，强度损失与增长能力越小，表明围压可限制冻融效应对土体强度影响性。

图8 冻融效应影响下重塑土抗剪强度关系

5 结 论

本文获得如下结论：重塑土石灰掺量越高，最优含水量越高，石灰掺量增长3%左右，最优含水量增长了5.2%；掺石灰重塑土最大干密度基本稳定，均为1.91g/cm3，重塑土最大干密度高于原状土。石灰掺量越大，重塑土加载应力与线弹性模量越高，但应变峰值较稳定；石灰掺量与重塑土抗剪强度具有线性函数关系，掺量增大3%，围压150kPa、300kPa下重塑土强度分别可增长16%、22.8%，且增长空间在掺量9%～12%后有所减弱；地基处理时控制石灰掺量在9%～12%最适宜。冻融效应对重塑土影响具有阶段性变化，在冻融6次前、后区间内，力学特征分别为递减、递增变化，冻融0～6次区间与6～12次区间内，围压150kPa下土体抗剪强度分别平均损耗17.6%与增长20%，围压增大，可限制冻融效应对土体强度影响。