董 禮

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016)

1 引言

引江濟(jì)淮工程綜合了工業(yè)和城鄉(xiāng)供水、江淮航運(yùn)、農(nóng)業(yè)灌溉以及改善江淮河湖水系生態(tài)環(huán)境的重要水利工程[1-2]。其供水范圍涵蓋了安徽省和河南省共計(jì)14個(gè)地級(jí)市，55個(gè)區(qū)縣，為該地區(qū)超過(guò)4 000萬(wàn)人的生活提供了便利，是安徽省水資源環(huán)境攻堅(jiān)戰(zhàn)略工程和基礎(chǔ)建設(shè)投資項(xiàng)目中的重大工程項(xiàng)目。該工程施工過(guò)程中，需要開挖邊坡規(guī)模大，數(shù)量多，大多數(shù)邊坡開挖高度在20 m以上，屬于高邊坡。由于工程沿線屬于江淮平原，地下水位埋深淺，水位變幅大，邊坡上部多為弱～中膨脹性的粉質(zhì)黏土，下部為泥頁(yè)巖等崩解巖，具有吸水軟化、失水崩解的特性，導(dǎo)致河道開挖邊坡后受地下水和地表降水影響，邊坡產(chǎn)生了大量空鼓和裂縫，邊坡存在嚴(yán)重的工程地質(zhì)隱患[3]。這一病害是引江濟(jì)淮工程通水運(yùn)行和降水檢修過(guò)程中可能面臨的關(guān)鍵問(wèn)題和難題。

關(guān)于膨脹土特性和膨脹土巖邊坡的研究成果如:吳建濤等[4]提出利用石灰加水泥來(lái)對(duì)膨脹土進(jìn)行改進(jìn)，從而降低膨脹土對(duì)水質(zhì)的影響程度；魏存蘭[5]研究了膨脹性泥巖在不同浸水方式下的物理力學(xué)性質(zhì)，并探討了泥巖遇水后的含水率變化規(guī)律；熊欽武[6]研究了吉圖琿客代表性膨脹土，通過(guò)一些列單軸和三軸試驗(yàn)分析了膨脹土在不同含水率條件下的力學(xué)性能；黃偉[7]、譚文超[8]等人通過(guò)模擬設(shè)計(jì)外部干濕循環(huán)交替環(huán)境培養(yǎng)箱，研究了膨脹土受侵蝕和干濕循環(huán)作用下的劣化過(guò)程和規(guī)律；另外，還有其他學(xué)者對(duì)膨脹土的凍融循環(huán)特性、施工均勻性和擊實(shí)特性等均做了一系列研究[9-12]。

本文以引江濟(jì)淮試驗(yàn)工程為依托，選取典型膨脹土試驗(yàn)，通過(guò)設(shè)置不同的水泥摻量，對(duì)改性后的膨脹土的膨脹率、界限含水率、抗壓抗剪等物理力學(xué)特性進(jìn)行了詳細(xì)研究，為引江濟(jì)淮工程中邊坡加固和施工工藝研究提供改性配合比建議。

2 試驗(yàn)用材料

試驗(yàn)所用材料主要為膨脹土和水泥，其中膨脹土取自引江濟(jì)淮河道內(nèi)J40+700～J42+200工程段內(nèi)開挖的弱膨脹土(見圖1)，室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)成果見表1。改性用水泥選自當(dāng)?shù)厮鄰S，普通水泥，其規(guī)格為PC32.5。

圖1 引江濟(jì)淮河道內(nèi)膨脹土樣品

表1 試驗(yàn)用膨脹土基本性質(zhì)

由于膨脹土原裝條件下含水率過(guò)大，通過(guò)對(duì)樣品在室外進(jìn)行10 d的翻曬處理，當(dāng)土體含水率降低至15%以下，進(jìn)行破碎和過(guò)0.5 mm孔篩分。然后利用濕慘法，將不同摻量的混凝土混入膨脹土中，待拌和均勻后使用重型擊實(shí)試驗(yàn)獲取試驗(yàn)用樣品。其中每次擊實(shí)試驗(yàn)需要做2次，取平均值，最大干密度和最優(yōu)含水率試驗(yàn)成果見表2。

表2 試樣樣品的擊實(shí)成果

3 試驗(yàn)項(xiàng)目及成果分析

3.1 膨脹性試驗(yàn)

膨脹率試驗(yàn)分為自由膨脹率和50 kPa有壓膨脹率。自由膨脹率試驗(yàn)采用烘干后過(guò)0.5 mm篩的膨脹土進(jìn)行，脹縮性試驗(yàn)采用壓樣法制備環(huán)刀樣。每種試驗(yàn)均測(cè)試水泥摻量為0、2%、3%、4%、5%和7%，然后分別養(yǎng)護(hù)1 d、3 d和7 d后進(jìn)行測(cè)試。不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間和水泥摻量下的膨脹性曲線見圖2和圖3。

圖2 自由膨脹率試驗(yàn)曲線

圖3 有荷膨脹率試驗(yàn)曲線

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于素土，摻入水泥后樣品的自由膨脹率有顯著改善，當(dāng)水泥摻量為2%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間1 d時(shí)樣品自由膨脹率從51%大幅度降低至42.3%，降低了約18%。同時(shí)可以看出在水泥摻量為2%～5%之間時(shí)，同樣養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下改性膨脹土的膨脹率總體上下降不明顯，但是當(dāng)摻量達(dá)到7%后，改性膨脹土的自由膨脹率陡降至26.9%～32.1%，此時(shí)改性后的樣品已經(jīng)屬于非膨脹土。

有荷膨脹試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)摻入2%水泥后膨脹土的膨脹率明顯降低，摻入率在2%～5%范圍內(nèi)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間3 d以內(nèi)，50 kPa膨脹率范圍在0.3%～0.8%之間波動(dòng)；同時(shí)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在水泥摻量為7%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1 d和3 d條件下，有荷膨脹率反而有所增加，分別從0.47%增加至0.77%，從0.28%增加至0.49%，分析這一產(chǎn)生原因認(rèn)為由于水泥摻量過(guò)大導(dǎo)致水泥發(fā)生水化反應(yīng)進(jìn)而消耗部分膨脹土表層吸附水，使得膨脹率失水干燥提高了樣品的膨脹率，說(shuō)明水泥改性過(guò)程中若水泥摻量過(guò)大，將會(huì)使得改性反應(yīng)變得漫長(zhǎng)。

3.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是土體在無(wú)側(cè)限條件下抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度，是反應(yīng)改性土體后物理力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)指標(biāo)之一。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣采用擊樣法制樣，擊實(shí)桶尺寸為φ50 mm×130 mm，試樣尺寸為φ50 mm×90 mm。

不同摻量水泥改性后的樣品的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成果見圖4。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)齡期下不同摻灰率改性土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)結(jié)果可知，素膨脹土的單軸抗壓強(qiáng)度為0.45 MPa，當(dāng)加入水泥后抗壓強(qiáng)度有顯著提高。從養(yǎng)護(hù)時(shí)間來(lái)看，3 d養(yǎng)護(hù)周期和1 d養(yǎng)護(hù)周期對(duì)改性土抗壓強(qiáng)度影響不明顯，其中在摻量為2%、4%和5%摻量下改性土的抗壓強(qiáng)度值反而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，降低了8%～12%，分析認(rèn)為由于膨脹土和水泥攪拌初期其力學(xué)性能不夠，攪拌時(shí)間超過(guò)水泥初凝時(shí)間導(dǎo)致。同時(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間不變的條件下，隨著水泥摻量的逐步提高，改性土的抗壓強(qiáng)度呈緩慢增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，當(dāng)摻量為7%時(shí)，增長(zhǎng)最為明顯。

3.3 液塑限試驗(yàn)

改性土的界限含水率與液塑限對(duì)于工程施工和運(yùn)行期間的水穩(wěn)定性非常重要。本文采用液塑限聯(lián)合測(cè)定法，測(cè)試改性土在各種養(yǎng)護(hù)周期下的特性變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 液限含水率隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間和水泥摻量變化曲線

圖6 塑性指數(shù)隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間和水泥摻量變化曲線

試驗(yàn)結(jié)果可知，改性土的液限含水率與水泥摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈負(fù)相關(guān)，塑限含水率與水泥摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈正相關(guān)，當(dāng)采用7%水泥摻量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間7 d時(shí)改性土液限含水率達(dá)到最低值47.0%，塑限含水率達(dá)到最高值26.3，此時(shí)改性土的塑性指數(shù)達(dá)到最低值20.7。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在摻量為2%～5%范圍內(nèi)改性土的塑性指數(shù)下降最為顯著，當(dāng)水泥摻量為7%時(shí)，塑性指數(shù)相比5%條件下僅降低約4%～6%，說(shuō)明水泥摻量超過(guò)5%之后對(duì)改性土的液性指數(shù)改善效果一般。

3.4 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

采用四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀測(cè)試樣品的剪切強(qiáng)度，試驗(yàn)過(guò)程中先按預(yù)定的含水率和干密度對(duì)樣品進(jìn)行擊實(shí)，將不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的試樣壓入試驗(yàn)盒中，然后對(duì)其施加垂直荷載(每次加100 kPa)至400 kPa，待試樣破壞后記錄剪切強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見圖7和圖8。

圖7 粘聚力隨水泥摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化曲線

圖8 摩擦角隨水泥摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化曲線

試驗(yàn)結(jié)果可知，摻入2%水泥養(yǎng)護(hù)1 d后改性土的粘聚力為153.0 kPa，內(nèi)摩擦角21.2°，相較于素膨脹土(93.5 kPa，14.0°)分別增加了39.2%和51.4%。隨著水泥摻量的增大，改性土的粘聚力不斷增加，并且呈現(xiàn)先慢后快的趨勢(shì)。分析認(rèn)為，由于水泥摻量達(dá)到一定值后，發(fā)生水解和水化反應(yīng)，一部分水泥與膨脹土產(chǎn)生離子交換，另一部分發(fā)生凝膠反應(yīng)，雙重作用下改變了膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，顆粒間相互作用力得到增強(qiáng)，其外在表現(xiàn)為粘聚力增加，當(dāng)水泥摻量達(dá)到7%養(yǎng)護(hù)7 d后，粘聚力增長(zhǎng)了194.5%。

從摩擦角的變化趨勢(shì)來(lái)看，雖然隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間和水泥摻量呈現(xiàn)正相關(guān)增長(zhǎng)關(guān)系，但是其表現(xiàn)為先快后慢，當(dāng)水泥摻量超過(guò)3%后，其摩擦角曲線近似為平行線。分析認(rèn)為，由于水解和水化反應(yīng)所產(chǎn)生的離子交換與凝膠團(tuán)使得膨脹土顆粒尺寸變大，微觀程度上增加了材料的表面粗糙度，使得內(nèi)摩擦角增加，摻量7%，養(yǎng)護(hù)7 d后，內(nèi)摩擦角增加了72.2%。

4 結(jié)論

通過(guò)開展引江濟(jì)淮工程J40+700～J42+200工程段內(nèi)開挖的弱膨脹土水泥改性試驗(yàn)研究，分析了不同水泥產(chǎn)量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的改性膨脹土的膨脹性、抗壓強(qiáng)度、液塑限和抗剪強(qiáng)度規(guī)律，為引江濟(jì)淮工程中邊坡加固和施工工藝研究提供改性配合比建議，得到了如下結(jié)論:

(1)摻入水泥后改性土的自由膨脹率有顯著改善，當(dāng)水泥摻量為2%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間1 d時(shí)樣品自由膨脹率從51%大幅度降低至42.3%，降低了約18%。摻量達(dá)到7%后，改性膨脹土的自由膨脹率陡降至26.9%～32.1%，此時(shí)改性后的樣品已經(jīng)屬于非膨脹土。

(2)在水泥摻量為7%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1 d、3 d條件下，有荷膨脹率反而有所增加，分別從0.47%增加至0.77%，從0.28%增加至0.49%，分析認(rèn)為水泥摻量過(guò)大導(dǎo)致水泥發(fā)生水化反應(yīng)進(jìn)而消耗部分膨脹土表層吸附水，使得膨脹率失水干燥提高了樣品的膨脹率。

(3)加入水泥后抗壓強(qiáng)度有顯著提高。從養(yǎng)護(hù)時(shí)間來(lái)看，3 d養(yǎng)護(hù)周期和1 d養(yǎng)護(hù)周期對(duì)改性土抗壓強(qiáng)度影響不明顯，其中在摻量為2%、4%和5%摻量下改性土的抗壓強(qiáng)度值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，降低了8%～12%，分析認(rèn)為由于膨脹土和水泥攪拌初期其力學(xué)性能不夠，攪拌時(shí)間超過(guò)水泥初凝時(shí)間導(dǎo)致。

(4)3 d養(yǎng)護(hù)周期和1 d養(yǎng)護(hù)周期對(duì)改性土抗壓強(qiáng)度影響不明顯，其中在摻量為2%、4%和5%摻量下改性土的抗壓強(qiáng)度值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，降低了8%～12%，分析認(rèn)為由于膨脹土和水泥攪拌初期其力學(xué)性能不夠，攪拌時(shí)間超過(guò)水泥初凝時(shí)間導(dǎo)致。

(5)摻入水泥后膨脹土發(fā)生水解和水化反應(yīng)，一部分水泥與膨脹土產(chǎn)生離子交換，另一部分發(fā)生凝膠反應(yīng)，雙重作用下改變了膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，顆粒間相互作用力得到增強(qiáng)，并且增大了膨脹土顆粒粒徑，雙重作用下，其外在表現(xiàn)為粘聚力和內(nèi)摩擦角均大幅增加。水泥摻量在3%～5%范圍內(nèi)增速最大。

綜合以上關(guān)于養(yǎng)護(hù)時(shí)間和水泥摻量對(duì)改性膨脹土特性影響規(guī)律，同時(shí)考慮工程實(shí)際應(yīng)用，初步確定引江濟(jì)淮工程膨脹土改性中水泥摻量為3%～5%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間3 d能夠得到最佳的力學(xué)和物理特性。