楊洪磊 洪波

（核工業(yè)（天津）工程勘察院有限公司，天津 300204）

1 土的特性測(cè)試及分析

1.1 表觀特征

天津地區(qū)高液限粘土具有擠壓析水以及失水后出現(xiàn)收縮而出現(xiàn)裂縫等現(xiàn)象，可以看出該粘土具有輕微的“干縮濕脹“特性，隨著土的含水量的變化，粘性土的體積也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)粘性土的含量增加時(shí)，由于土在浸濕過(guò)程中使結(jié)合水膜變厚，土粒間的距離增大，土的體積將發(fā)生膨脹；反之，當(dāng)粘性土的含水量減少時(shí)，由于土粒間的結(jié)合水膜變薄、土粒間距離減小，土的體積發(fā)生收縮。這種由于含水量變化而引起土的體積變化的性質(zhì)，即土的遇水膨脹和失水收縮的特性稱為土的脹縮性。粘性土的脹縮性容易使工程土體產(chǎn)生不均勻變形，對(duì)建筑基坑、路堤、路塹及圍堰等工程邊坡的穩(wěn)定性造成不利影響。

1.2 微觀特征

在工程區(qū)周圍出露的粘土層中不同深度、不同位置采取試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)分析，首先對(duì)試樣進(jìn)行X射線衍射分析，以確定其礦物組成，根據(jù)X射線衍射測(cè)試結(jié)果，該粘土由大量管狀多水高嶺土礦物組成，疏松多孔狀結(jié)構(gòu)中填充有蝕變的蒙脫石礦物。

從粘土結(jié)構(gòu)上看，團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的孔隙中主要為結(jié)合水和空氣所充填，并對(duì)土體壓密起阻礙作用，有如下主要特征：

（1）孔隙度很大（多在50～60%），而各單獨(dú)孔隙的直徑很小，局部是聚粒絮凝結(jié)構(gòu)的孔隙更小，但孔隙度更大，因此，土的壓縮性更大。

（2）含水量很大，往往超過(guò)50%，且以結(jié)合水為主。排水困難，壓縮過(guò)程緩慢。

（3）具有較大的易變性、不穩(wěn)定性。外界條件變化（如加壓、震動(dòng)、干燥、浸濕以及水溶液成分和性質(zhì)變化等）對(duì)它的影響很敏感，且往往使之產(chǎn)生質(zhì)的變化，故團(tuán)聚結(jié)構(gòu)又稱為易變結(jié)構(gòu)。

從粘土構(gòu)造上來(lái)看屬于結(jié)核狀構(gòu)造：由均勻分布的土粒和大小不等的礫石所共同組成。

從土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造反映了土的物質(zhì)成分的連結(jié)特點(diǎn)、空間分布和變化形式,我們可以看出該地區(qū)火山噴發(fā)后曾經(jīng)存在過(guò)比較長(zhǎng)時(shí)間的沉積環(huán)境，產(chǎn)生了火山碎屑巖沉積，歷經(jīng)數(shù)萬(wàn)年風(fēng)化而形成的厚層含礫石粘土。

在實(shí)際工程中，無(wú)論是把土作為建筑地基和環(huán)境還是把土作為建筑材料使用，工程的修筑都會(huì)使土中原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起土的變形。甚至破壞。為保證工程的正常使用和經(jīng)濟(jì)、牢固，應(yīng)對(duì)土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。

1.3 室內(nèi)試驗(yàn)分析

室內(nèi)土工試驗(yàn)主要針對(duì)粘土的物理力學(xué)性質(zhì)及顆粒組成分析，具體試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 粘土試驗(yàn)成果匯總表

1.4 碾壓實(shí)驗(yàn)

為了解這種高液限和高含水量粘土的施工性能，僅進(jìn)行室內(nèi)測(cè)試還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，同時(shí)還進(jìn)行了不同含水量土料的碾壓試驗(yàn)，以觀察這種土料對(duì)不同鋪土和壓實(shí)方法的適應(yīng)性以及能夠達(dá)到的最大干密度。共進(jìn)行三組碾壓試驗(yàn)，計(jì)劃分別采用最小含水量（48%）＋5%進(jìn)行分組，碾壓后在不同深度測(cè)試干密度、含水量以計(jì)算壓實(shí)度，結(jié)果顯示，最小含水量狀態(tài)下的粘土在同等碾壓條件下，干密度最大，分別超過(guò)低于最小含水量粘土和高于最小含水量粘土的10%和18%，因而決定采用48%作為控制含水量的土料來(lái)填筑圍堰心墻。

由于粘性填土存在著最佳含水量，因此在填土施工時(shí)應(yīng)將土料的含水量控制在最佳含水量左右，以期用較小的能量獲得最好的密度。當(dāng)含水量控制在最佳含水量的干側(cè)時(shí)（即小于最佳含水量），壓實(shí)土的結(jié)構(gòu)具有凝聚結(jié)構(gòu)的特征。這種土比較均勻，強(qiáng)度較高，較脆硬，不易壓密，但浸水時(shí)容易產(chǎn)生附加沉降。當(dāng)含水量控制在最佳含水時(shí)的濕側(cè)時(shí)（即大于最佳含水量），土具有分散結(jié)構(gòu)的特征。這種土的可塑性大，適應(yīng)變形的能力強(qiáng)，但強(qiáng)度較低，且具有不等向性。這是因?yàn)楹拷咏痛笥谧罴阎禃r(shí)，土孔隙中的氣體越來(lái)越處于與大氣不連通的狀態(tài)，碾壓作用已不能將其排出體外，亦即壓實(shí)土是不可能被碾壓到完全飽和的。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 圍堰心墻設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過(guò)程中采用有限元應(yīng)力分析論證了圍堰心墻出現(xiàn)的拱效應(yīng)和水力劈裂的可能性，計(jì)算時(shí)采用了不同的心墻厚度，考慮到符合要求的土料料源豐富和心墻施工困難等因素，心墻厚度不宜太小，同時(shí),為使心墻下部在最不利荷載組合情況下都能保持壓應(yīng)力從而防止水力劈裂，也要求心墻有足夠的厚度。岸坡突變之處用混凝土補(bǔ)平順，以限制突變岸坡造成的拉應(yīng)力導(dǎo)致心墻開(kāi)裂。心墻下游面的反濾層包括碎、礫石和砂粒，其粒徑小于75 μm 顆粒含量不小于3%，以防止更細(xì)的心墻料遭受滲透破壞。同時(shí)在心墻不同高度內(nèi)安裝水管式沉降計(jì),以測(cè)定心墻的固結(jié)沉降。

2.2 填土處理

2.2.1 摻灰處理

由于該粘土具有“干縮濕脹”性，粘粒成分主要是由親水礦物組成，因此設(shè)計(jì)采用摻入一定量的石灰對(duì)該粘土進(jìn)行處理，可以有效地改良土性，從礦物組成上，摻入主要含鈣鎂成分的石灰，在總體上使得親水礦物表面吸附的陽(yáng)離子的離子價(jià)有所提高，可降低其膨脹性。此外摻入石灰后，石灰與土中的礦物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使土體表面硬化，從而使土的粘粒含量有所下降，提高壓實(shí)度，同時(shí)由于石灰水解左右產(chǎn)生的水化熱可降低土體含水量和提高土體的強(qiáng)度。這個(gè)處理過(guò)程主要分為二個(gè)步驟：

其一，石灰水化：

水化熱可吸收土中的水分，以降低填土含水量，同時(shí)，由于氫氧化鈣結(jié)晶的析出可改善土體性質(zhì)，提高土體的壓實(shí)度。

其二，氫氧化鈣硬化，形成表面致密層：

2.2.2 摻灰比例

由于該工程填土最優(yōu)含水量基本與最小含水量接近，而且最大含水量與最小含水量差距較大，因此經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)配比驗(yàn)證，摻灰量為6%時(shí)填土的含水量在44%～49%之間，接近于最優(yōu)含水量，若含水量較高，則填土粘性較大，石灰難以摻入；含水量過(guò)低則填土強(qiáng)度高，難以破碎，影響碾壓效果。

2.3 施工過(guò)程中試驗(yàn)控制

壓實(shí)土質(zhì)量控制是指通過(guò)包括探坑和探槽或者儀器等察看填土結(jié)構(gòu)是否良好。以獲得填筑土的含水量、干密度、比重以及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。測(cè)試中除發(fā)現(xiàn)含水量與密度存在一定程度的不相關(guān)性外，其它數(shù)據(jù)基本與室內(nèi)試驗(yàn)或碾壓實(shí)驗(yàn)中取得的數(shù)據(jù)基本吻合。填筑結(jié)束后一個(gè)月的沉降值為354mm，兩個(gè)月的沉降值為219mm，三個(gè)月的沉降為51mm，四個(gè)月的沉降值為9mm，基本趨于穩(wěn)定，沉降目前正在測(cè)試中，但是逐漸減小的趨勢(shì)是明顯的；壓縮系數(shù)在0.12～0.26 Mpa—1，填土滲透系數(shù)平均值為3.2×10-7cm/s。

3 結(jié)語(yǔ)

上述經(jīng)驗(yàn)僅僅是根據(jù)特定的環(huán)境條件、地質(zhì)條件和施工條件總結(jié)出來(lái)的，可能存在一些不甚完善的地方，在室內(nèi)試驗(yàn)分析研究以及圍堰心墻設(shè)計(jì)過(guò)程中，各種影響因素十分復(fù)雜，建議類似工程應(yīng)根據(jù)具體的技術(shù)要求和不同運(yùn)行工況對(duì)施工工藝進(jìn)行調(diào)整，并能夠提前施工消耗部分前期沉降為宜。