孙 勇 侯英伟 翟登攀
(1.安徽省蒙城县水利局 蒙城 233500 2.中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300000)
我国沿海和江河冲击平原大量分布粉砂土,近年来随着水利水电事业的发展,很多大型水闸枢纽工程修建在粉砂地基覆盖层上。粉砂具有无粘性、压缩性小、渗透系数大等特性,抗冲刷能力差,极易发生渗透变形,因此,通常需要稳定处理和改良,以满足工程需求,其中水泥土换填是一种应用较为广泛的地基处理方式,而换填水泥土的强度及干缩性是水泥土材料的两个重要特性。
本文以涡河蒙城枢纽建设工程为背景,为了模拟工程现场的碾压施工工艺,采用振动台结合压重块的方式进行试样制备,详细论述了试验工艺,针对换填水泥土材料的强度及干缩性能,分析水泥土强度发展规律及水泥土配合比对强度的影响,揭示水泥土干缩现象的内在机理与规律,具有一定的指导意义。
涡河蒙城枢纽建设工程位于安徽省亳州市蒙城县涡河干流上,枢纽工程主要建筑物由节制闸和船闸组成,枢纽多基坑,其中船闸开挖深度17.5m,节制闸开挖深度12m,上、下游引航道基坑6.61m、12.4m,同时工程天然基础为皖北粉细砂透水地基。
为保证工程安全,根据设计,节制闸和船闸基础处理采用水泥土换填。节制闸基础水泥土换填部位:闸室底板、上游铺盖、消力池上段、上下游翼墙及空箱岸墙底部,换填面积约2.73 万m2,换填厚度1.0~1.7m,设计要求压实度0.98。
船闸基础水泥土换填部位:上闸首及闸室底板,换填厚度1.0m;上游铺盖及导航墙基础,换填厚度1.0~1.2m,设计要求压实度0.96。
试验采用的土样原材料包括两种,分别为轻粉质壤土(选用船闸部位地基土样,以下简称轻土),重粉质壤土(选用节制闸部位地基土样,以下简称重土),大致对应土工分类标准中的低塑性粘土或者中塑性粘土。
水泥选用散装32.5 级粉煤灰硅酸盐水泥。
将工程现场取得的土样分别取样进行烘干和晾晒,得到烘干土和风干土,并分别测试原湿土及风干土的含水率。将原湿土晾干后,碾碎,并过5mm圆孔筛,装袋密封保存,以便用于后续试验,试验前对风干土的含水率可再次测量以保证实际用水量的稳定。
依据《土工试验方法标准》(GB/T50123-2019)对轻土和重土分别进行了物理性质、颗粒组成、界限粒径、界限系数、无侧限抗压强度、渗透系数的测试,结果显示,两种土的性质区别不大,重土的细颗粒略多,重土原始无侧限抗压强度为42.5kPa,轻土原始无侧限抗压强度为40.3kPa。
根据工程前期进行的最大干密度试验显示,轻粉质壤土水泥掺量10%的水泥土最大干密度为1.72g/cm3,对应最佳含水率为19.8%;重粉质壤土水泥掺量10%的水泥土最大干密度为1.73g/cm3,对应最佳含水率为18.2%。因此,配合比以此为基础进行各原材料的用量计算,并上下变动水泥用量3%,即选用7%、10%、13%的水泥用量进行配合比设计。
以轻土掺加10%水泥为例,每升水泥土含有干土为1.72×90%=1.548kg,则水泥用量为1.548×10%=0.155kg,用水以最佳含水率为准,即1.548×19.8%=0.307kg,以上为按干料计的基础配比,当所用土为风干土时,由于风干土中含有2.3%的水,所以,所用风干土的质量为1.548/(1-2.3%)=1.585kg,用水量需要扣除风干土中已经含有的水,实际用水量为0.307-1.585×2.3%=0.270kg,其他配比以此类推,所有配合比见表1。
表1 水泥土的配合比表
为了模拟工程现场的碾压施工工艺,采用振动台结合压重块的方式进行试样制备,压重块为高度为61mm 的不锈钢块,截面尺寸按试件尺寸加工。
将需要的试模放置在振动台上,开始逐层加入水泥土,分3 层震动碾压,每层厚度为20mm,震动碾压时间为30s,碾压最后一层时,试模套上套模,防止水泥土溢出。碾压结束后,用刮刀将多余料刮去,整平表面,并做上编号,放置在标准养护箱中养护2d 后拆模,拆模后放入标准养护室(相对湿度>95%,温度20±2℃)养护至需要的龄期。
为校核上述制备试样的压实度,对2d 后拆模的立方体试件进行取样,测试两种土立方体试件的湿重和干重,并计算含水率、干密度和压实度,测试结果显示,试件的压实度均在94%以上,重土由于用水量较少,压实较困难,因此压实度略低,总体来说,该试件制备方法是可行的。
制作试件为边长50mm 的立方体,每组3 个,试件养护至规定龄期(7d、28d、56d)后,取出用覆盖保湿,采用水泥胶砂抗压试验机进行强度试验。
试验结果显示,与土样无侧限抗压强度比,加入水泥后,水泥土的抗压强度明显增加,重土随水泥掺量的增加,水泥土抗压强度为原状土样抗压强度的36~76 倍,轻土随水泥掺量的增加,水泥土抗压强度为原状土样抗压强度的40~85 倍。此外,由于重土的用水量略低,压实度略低,因此强度较轻土略低,但总体接近,土品种对于无侧限抗压强度几乎无影响。
此外,随龄期延长,水泥土强度增长,28d 后基本稳定,增加变缓;随着水泥用量的增加,水泥土强度增加明显,7d 时,随着水泥用量提高,强度增加基本线性,28d 后,水泥用量增加对强度影响更大,说明在13%的水泥用量时,水泥土强度发展更好。
水泥土的干燥收缩较大,为研究不同水泥掺量下,不同养护龄期对其干缩的影响,以及不同试件尺寸的影响,对两种土进行了干燥收缩试验。
采用40mm×40mm×160mm 的小试件进行不同养护龄期的对比,即试件拆模后,分别在标养室养护3d、7d、14d,养护期满后再放入干缩室(相对湿度60%、温度20±2℃),基础测长在拆模后即开始,在测长时,同步进行称重,以获得试件的质量变化。
尺寸影响试验采用100mm×100mm×315mm 的大试件做对比,同样在试件制作过程中埋入不锈钢测头,测长采用测长仪进行。重土和轻土各对比相同水泥用量下不同尺寸试件的干缩率。
4.2.1 水泥掺量、养护龄期对水泥土干缩的影响
图1为水泥土试件干燥收缩率与水泥用量、养护龄期、干燥龄期关系曲线图。总体来看,水泥土的干燥收缩率随干燥龄期延长而增大,7d 前收缩率迅速增大,7d 后减缓,14d 后趋于稳定,总体收缩率在9000×10-6~15000×10-6之间。
图1 水泥土试件干燥收缩率与养护龄期、干燥龄期关系曲线图
随着水泥用量增加,各龄期的收缩率降低,其原因有两方面,一方面水泥颗粒水化后,堵塞了土壤颗粒的孔隙,使得水分散失减少,进而收缩率降低,另一方面,水泥水化形成的水泥石,弹性模量较高,收缩率远小于土,水泥用量增加后,限制了土的收缩,因此,水泥掺量增加后,水泥土的收缩降低。
4.2.2 尺寸对水泥土干缩的影响
选择MZ2 和MQ2 两组水泥土配比,标养时间选为3d,采用100mm×100mm×315mm 的大试件进行干缩变形试验,结果显示,与小试件相比,大试件由于体积较大,在干燥环境下失水较慢,因此早期收缩率较小,但14d 后,随着失水的加剧,大试件的干缩率与小试件已无差别,甚至略大。总体来说,对于水泥土而言,试件尺寸对干缩率的测量结果影响较小,因此没有必要采用大试件。
本文结合涡河蒙城枢纽建设工程水泥土换填施工,针对换填水泥土材料的强度及干缩性能进行了室内试验研究,主要获得了以下结论:
(1)采用边长50mm 的立方体试件进行无侧限抗压强度试验,结果表明,随着水泥用量的增加,水泥土强度增加明显,7d 时,随着水泥用量提高,强度增加基本线性,28d 后,水泥用量增加对强度影响更大。
(2)水泥土的干燥收缩率随龄期延长而增大,7d 前收缩率迅速增大,7d 后减缓,14d 后趋于稳定,总体收缩率在9000~15000×10-6之间;随着水泥用量增加,各龄期的收缩率降低;养护时间延长对降低水泥土的收缩有利。
(3)与小试件相比,大试件由于体积较大,在干燥环境下失水较慢,因此早期收缩率较小,但14d 后,随着失水的加剧,大试件的干缩率与小试件已无差别,甚至略大■