寒區(qū)堤防工程冬季施工技術(shù)研究

張守杰，蘇安雙，李兆宇，嚴(yán)　俊，徐麗麗

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100000)

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寒區(qū)堤防工程冬季施工技術(shù)研究

張守杰1，蘇安雙1，李兆宇1，嚴(yán)俊2，徐麗麗1

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100000)

摘要：選取三江治理工程現(xiàn)場(chǎng)筑堤砂性土，研究冬季施工條件下土料壓實(shí)性能、變形特性、熱傳導(dǎo)性能，并討論了冬季修筑堤防的沉降及滲透穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法。結(jié)果表明，低溫未凍結(jié)砂土料負(fù)溫下壓實(shí)性能受溫度變化影響不大，擊實(shí)干密度與現(xiàn)場(chǎng)碾壓干密度可建立相關(guān)性。含水率增加，凍脹變形加大，融沉后逐漸出現(xiàn)殘余變形，加載應(yīng)力增大導(dǎo)致凍融后砂性土壓縮變形趨勢(shì)增加。土溫及含水率影響砂性土導(dǎo)熱性能，須采取保溫措施，連續(xù)快速施工，并嚴(yán)格控制含水率，以保證冬季筑堤壓實(shí)效果和長(zhǎng)期穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：寒區(qū);堤防工程;冬季施工;土料；壓實(shí)性能；施工技術(shù)

0引言

黑龍江省三江治理工程的堤段往往位于平原、葦田、濕地等地下水位高、易積水地帶。這些地帶土料含水率往往較高，未凍結(jié)時(shí)地面承載力低，機(jī)械設(shè)備難于行走或靠近，不便進(jìn)行機(jī)械化施工。探索利用冬季地表凍結(jié)、便于機(jī)械行走作業(yè)的條件，掘取凍層下部的暖土進(jìn)行冬季筑堤，成為加速推進(jìn)三江堤防工程建設(shè)的有力嘗試。冬季筑堤無(wú)需專門修筑施工道路，可在提高運(yùn)輸效率同時(shí)降低運(yùn)輸費(fèi)用；冬季為枯水期，地下水位低、氣候干燥，適宜在河灘地取土，從而減少對(duì)農(nóng)村土地征用，在保護(hù)耕地同時(shí)降低了征地費(fèi)用；冬季筑堤可有效延長(zhǎng)施工期，縮短建設(shè)工期，增加經(jīng)濟(jì)效益。

冬季筑堤同時(shí)面臨考驗(yàn)與挑戰(zhàn)，可借鑒的設(shè)計(jì)、施工規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少；同時(shí)，相關(guān)的理論研究開展較少。土質(zhì)堤防冬季施工在技術(shù)上是否可行，經(jīng)濟(jì)上是否合理，其設(shè)計(jì)、施工要點(diǎn)何在，尚需深入探討和研究。

本文選取三江治理工程現(xiàn)場(chǎng)筑堤砂性土，研究冬季施工條件下土料壓實(shí)性能、變形特性、熱傳導(dǎo)性能，并討論了冬季修筑堤防的沉降及滲透穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法。

1試驗(yàn)

1.1筑堤土料

土樣取自三江干流堤防某試驗(yàn)堤段料場(chǎng)，天然含水率為22%，相對(duì)密度2.68。顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。根據(jù)顆粒分布及細(xì)粒土分類，土料屬于細(xì)粒土質(zhì)砂。

表1　土的顆粒分布

1.2負(fù)溫下土料壓實(shí)性能

已有研究結(jié)果表明，室內(nèi)擊實(shí)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可用來評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)碾壓施工條件下土料的壓實(shí)性能。謝定義對(duì)我國(guó)大型、中小型土石壩設(shè)計(jì)干密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與原南京水利實(shí)驗(yàn)處室內(nèi)不同擊實(shí)功(錘重、落距、擊實(shí)次數(shù))下的擊實(shí)干密度進(jìn)行了對(duì)比分析?？梢?，在已知現(xiàn)場(chǎng)碾壓機(jī)具類型和重量、土質(zhì)及鋪土厚度等前提下，現(xiàn)場(chǎng)碾壓遍數(shù)與擊實(shí)次數(shù)之間存在經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[1]。因此，本文開展負(fù)溫環(huán)境下的擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)試擊實(shí)干密度，并與現(xiàn)場(chǎng)碾壓干密度進(jìn)行對(duì)比分析，探討砂性土料在負(fù)溫下的壓實(shí)性能，并初步指導(dǎo)冬季施工過程中現(xiàn)場(chǎng)碾壓工藝參數(shù)的確定。

負(fù)溫環(huán)境下筑堤土料擊實(shí)試驗(yàn)在溫度可控的凍土實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，在該實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用土工電動(dòng)擊實(shí)儀進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功下的土料壓實(shí)性能研究。主要考察負(fù)溫條件、含水率對(duì)土料壓實(shí)性能的影響。方案如表2所示。

表2　負(fù)溫下土料壓實(shí)性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237—1999)[2]進(jìn)行土樣制備，按設(shè)計(jì)含水率配制土樣后，裝入塑料袋密封靜置12h。隨后將配制好的土樣放入環(huán)境溫度可控的凍土實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行攤鋪降溫。土料降溫過程中使用溫度傳感器進(jìn)行土料內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)，當(dāng)土溫達(dá)到試驗(yàn)要求的溫度時(shí)(溫度偏差不超過±0.5℃)，將土樣取出進(jìn)行負(fù)溫環(huán)境下的擊實(shí)試驗(yàn)。

1.3土料變形特性

結(jié)合三江治理工程筑堤現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)研，測(cè)試溫度為2℃、含水率為4%～24%的土料在環(huán)境溫度為-15℃條件下壓實(shí)后的凍脹、融沉變形，并且對(duì)完全融化后的試樣逐級(jí)施加荷載，測(cè)試其在常溫-恒載條件下的壓縮變形。凍融變形試驗(yàn)采用溫度可控的凍融試驗(yàn)儀，融化后的壓縮變形試驗(yàn)采用磅秤式固結(jié)儀，試驗(yàn)過程中采用位移傳感器和數(shù)據(jù)采集儀對(duì)試樣變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)和采集。

負(fù)溫下的試樣制備參照土料壓實(shí)性能試驗(yàn)方法，凍融變形試驗(yàn)和融化壓縮變形試驗(yàn)方法按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237—1999)中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，其中壓縮試驗(yàn)中的各級(jí)荷載分別為50kPa、100kPa、200kPa、400kPa，加載變形穩(wěn)定后施加下一級(jí)荷載。

1.4土料熱傳導(dǎo)性能

以現(xiàn)場(chǎng)堤防土溫觀測(cè)資料為依據(jù)，選取堤防土體的溫度典型值分別為2℃、0℃、-5℃、-10℃，土料含水率范圍控制為4%～24%。試驗(yàn)土樣放置在可提供凍融環(huán)境的低溫恒溫箱中，使用熱特性分析儀測(cè)試試樣的導(dǎo)熱系數(shù)方案設(shè)計(jì)如表3所示。

表3　土料熱傳導(dǎo)性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237—1999)，制備直徑8cm、高13cm的圓柱形試樣，置于低溫恒溫箱內(nèi)，在設(shè)定環(huán)境溫度下恒溫24h，土溫使用溫度傳感器和溫度巡檢儀進(jìn)行測(cè)量，待試樣內(nèi)部溫度達(dá)到試驗(yàn)要求溫度后，采用熱特性分析儀針式探頭分別測(cè)量不同含水率試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。

2結(jié)果分析與討論

2.1負(fù)溫下土料壓實(shí)性能

土料常溫?fù)魧?shí)曲線如圖1所示，2℃土料負(fù)溫下?lián)魧?shí)曲線如圖2所示。結(jié)果表明，未凍結(jié)筑堤砂性土料在負(fù)溫環(huán)境下的擊實(shí)曲線與常溫下土料的擊實(shí)曲線具有相同的變化趨勢(shì)。負(fù)溫條件下，含水率相近時(shí)，隨著環(huán)境溫度的降低，土料干密度整體上呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。環(huán)境溫度在-10℃～-20℃變化時(shí)，土料的最大干密度與最優(yōu)含水率相差不大，干密度處于1.64g/cm3～1.67g/cm3，最優(yōu)含水率處于16.5%～18.0%變化。上述結(jié)果表明，低溫未凍結(jié)土料在冬季負(fù)溫條件下，其壓實(shí)性能受溫度變化影響并不明顯?？梢?，冬季負(fù)溫條件下采用砂性土筑堤，若能保證土料在開挖、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓的施工過程溫度處于0℃以上，不發(fā)生凍結(jié)，則堤身填筑土體的壓實(shí)密度將在很大程度上得到保證。

圖1　常溫土料擊實(shí)曲線

圖2　2℃土料負(fù)溫條件下?lián)魧?shí)曲線

負(fù)溫?fù)魧?shí)干密度與現(xiàn)場(chǎng)示范工程不同碾壓工藝干密度對(duì)比見圖3?，F(xiàn)場(chǎng)碾壓環(huán)境溫度為-8℃～-15℃，土料溫度為0.2～2.0℃，土料含水率范圍在22%～27%，碾壓機(jī)具采用了22t重型振動(dòng)碾和18.4t履帶式推土機(jī)，鋪土厚度為45cm；室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)環(huán)境溫度為-10℃～-20℃，土料溫度為2℃，含水率為20%～24%，每層土擊實(shí)次數(shù)為25次。可見，在上述條件下，22t振動(dòng)碾碾壓4遍干密度與18.4t推土機(jī)碾壓8遍干密度較為接近，且值均落在控制干密度附近，滿足填筑質(zhì)量控制要求。22t振動(dòng)碾碾壓6遍、8遍的干密度結(jié)果與室內(nèi)擊實(shí)干密度較為接近，三種工況下干密度均值都略高于控制干密度。擊實(shí)實(shí)驗(yàn)干密度結(jié)果略高于22t振動(dòng)碾碾壓4遍及18.4t推土機(jī)碾壓8遍的結(jié)果，但也較為接近。對(duì)于正溫砂土料在負(fù)溫下的填筑，擊實(shí)實(shí)驗(yàn)(W=2.5kg，H=30.5cm，N=3，V=947.4cm3，n=25)結(jié)果可與現(xiàn)場(chǎng)不同碾壓工藝下的結(jié)果通過回歸分析建立關(guān)系曲線，從而實(shí)現(xiàn)通過擊實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果反推現(xiàn)場(chǎng)不同碾壓工藝下的干密度，并根據(jù)冬季施工堤防控制干密度的要求，合理選擇現(xiàn)場(chǎng)碾壓工藝，達(dá)到指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)碾壓工藝選用及冬季筑堤施工標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)參數(shù)的制定。

圖3　冬季填筑碾壓干密度與擊實(shí)試驗(yàn)干密度統(tǒng)計(jì)

2.2土料變形特性

冬季施工條件下，土料碾壓后逐漸凍結(jié)，導(dǎo)致堤身在施工期產(chǎn)生凍脹變形，春季后，隨溫度逐漸增加，凍土逐漸融化，產(chǎn)生沉降變形。為保證冬季修筑堤防的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，合理設(shè)計(jì)堤身預(yù)留高程，須對(duì)筑堤土料凍融過程中的變形特性進(jìn)行深入的研究。

土溫為2℃的筑堤砂土在環(huán)境溫度-15℃條件下填筑后的凍融變形如圖4所示。

由圖4可知，筑堤砂土經(jīng)負(fù)溫環(huán)境填筑后的凍融變形曲線存在如下規(guī)律：

1)土體在凍結(jié)過程中，發(fā)生了不同程度的凍脹變形。初始含水率較低的試樣，基本上未發(fā)生凍脹變形；含水率達(dá)到10%以上時(shí)，凍脹變形逐漸趨于明顯。隨著凍結(jié)時(shí)間的增加，凍脹變形逐漸趨于穩(wěn)定；隨著初始含水率的增加，最終達(dá)到穩(wěn)定的凍脹變形也增大。

2)筑堤砂土融化后，在自重作用下發(fā)生融沉變形，變形隨著時(shí)間增加逐漸趨于穩(wěn)定。含水率對(duì)融沉變形具有一定的影響，初始含水率較低的試樣由于凍脹變形很小，幾乎沒有發(fā)生融沉；初始含水率為12%～18%的試樣產(chǎn)生的融沉變形與凍脹變形幾近相等，不存在殘余變形；當(dāng)初始含水率為22%、24%的試樣融沉變形小于凍脹變形，即出現(xiàn)明顯的殘余變形。

圖4　負(fù)溫壓實(shí)后的筑堤砂土凍融變形曲線

對(duì)凍融后筑堤砂土試樣施加四級(jí)恒定荷載(50kPa、100kPa、200kPa、400kPa)進(jìn)行壓縮，壓縮變形隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。

圖5　筑堤砂土融化后的壓縮變形隨時(shí)間變化曲線

由圖5可以看出，在逐級(jí)施加恒載條件下，筑堤砂土的變形在某一級(jí)荷載下最終趨于準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)。隨著初始含水率的增加，壓縮變形增大。豎向應(yīng)力增量變大后，壓縮變形增量隨之增大，表明筑堤砂土在高附加應(yīng)力作用下時(shí)，壓縮變形趨勢(shì)更為明顯。

通過取壓力范圍在100kPa～200kPa間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算不同含水率土料的壓縮系數(shù)和壓縮模量，結(jié)果匯總于表4。

表4　不同含水率土料的壓縮指標(biāo)

由表4可以看出，壓縮系數(shù)隨著初始含水率的增加，呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)。壓縮模量隨初始含水率的增加，呈先減小后增大的變化趨勢(shì)。根據(jù)土的壓縮性判定標(biāo)準(zhǔn)，土料初始含水率在8%以下時(shí)，表現(xiàn)為中等壓縮性土；當(dāng)土含水率超過8%時(shí)，表現(xiàn)為高壓縮性土。

2.3土料熱傳導(dǎo)性能

筑堤土料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度和含水率的變化曲線如圖6所示。結(jié)果表明，隨著土體溫度的降低，導(dǎo)熱系數(shù)總體上呈增大的變化趨勢(shì)。這表明，冬季筑堤施工過程中的土料保溫較為關(guān)鍵，土料溫度一旦快速降低，將同時(shí)導(dǎo)致其散熱速率加快，極易引發(fā)土體的凍結(jié)和難于碾壓。同時(shí)，快速連續(xù)的施工工藝也是冬季筑堤必須采取的，這將有助于土料溫度的保持和碾壓密度的保證。

含水率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響顯著，隨著含水率的增加，導(dǎo)熱系數(shù)明顯增大?？梢姡试黾訉⒅苯訉?dǎo)致土溫在負(fù)溫條件下降低速率加大，凍結(jié)風(fēng)險(xiǎn)增加；且含水率增加后，土料凍結(jié)后含冰量及強(qiáng)度增加，碾壓密度很難保證。因此，應(yīng)用砂性土冬季筑堤，控制土料的含水率十分關(guān)鍵。降低填筑土體的含水率，不僅對(duì)提高碾壓密實(shí)度有益，同時(shí)可在一定程度上，減小堤身土體溫度在冬季施工過程中的變幅，從而緩解凍脹、融變形對(duì)堤防穩(wěn)定性的影響。

圖6　土料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化關(guān)系

2.4冬季修筑堤防沉降與滲透穩(wěn)定預(yù)測(cè)

與常規(guī)堤防相比，冬季施工的堤防工程在滲流及沉降方面的典型特點(diǎn)是存在低溫環(huán)境下水-冰相變問題。為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)堤防冬季施工及運(yùn)行下的滲流、沉降分布，須通過理論分析及數(shù)學(xué)建模，分別提出冬季修筑堤防沉降與滲流穩(wěn)定的預(yù)測(cè)模型及方法。

2.4.1冬季筑堤沉降變形預(yù)測(cè)模型

系統(tǒng)總結(jié)低溫下砂土料的壓樣載荷、顆粒構(gòu)成、孔隙度及強(qiáng)度等特性，從分析凍土受力后的表現(xiàn)形狀出發(fā)，通過對(duì)低溫筑堤顆粒堆積多孔介質(zhì)的制備及其孔隙率和強(qiáng)度的系統(tǒng)測(cè)試，根據(jù)試驗(yàn)得出的應(yīng)力-變形關(guān)系，應(yīng)用曲線擬合及彈塑性理論，建立以溫度、孔隙比、相對(duì)密度及各向異性張量等為狀態(tài)參數(shù)的本構(gòu)分析模型，該模型能夠很好地中反映凍土中冰包裹體和未凍的黏滯水膜效應(yīng)?；谶B續(xù)介質(zhì)假設(shè)，考慮水勢(shì)力梯度、初始應(yīng)力、分凝勢(shì)及溫度梯度等作為堤防固結(jié)過程中水分的遷移驅(qū)動(dòng)力，結(jié)合固結(jié)理論，建立凍土沉降分析數(shù)學(xué)模型。通過運(yùn)用該模型分析方法對(duì)多次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬及交叉對(duì)比，獲得分別適用冬季筑堤施工及運(yùn)行過程中的物理力學(xué)參數(shù)序列，根據(jù)預(yù)設(shè)的加載及排水等固結(jié)條件，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)寒區(qū)堤防不同時(shí)期的沉降變形，從而為堤防的優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工安排及運(yùn)行管理等提供強(qiáng)有力的支撐。

2.4.2考慮水-冰相變的滲流預(yù)測(cè)模型

結(jié)合堤防施工筑材特點(diǎn)，基于均勻介質(zhì)假設(shè)和局部熱平衡原理，根據(jù)水-冰相變理論、能量守恒原理、質(zhì)量守恒定律和靜力平衡原理及相應(yīng)的物性方程，推導(dǎo)出凍融循環(huán)條件下巖土介質(zhì)的溫度場(chǎng)-滲流場(chǎng)耦合控制方程，提出一種以體積含冰量、體積含水量和溫溫度為主控變量的數(shù)學(xué)模型，并利用Galerkin加權(quán)余量法進(jìn)行了時(shí)間域及空間域的離散。該模型能夠很好地結(jié)合冬季堤防筑材的物理力學(xué)試驗(yàn)成果，并在實(shí)測(cè)分布數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上獲得適用的參數(shù)系列，根據(jù)預(yù)設(shè)的外界溫度及水量分布，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)堤防冬季施工過程中堤體的溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)分布，還能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)運(yùn)行中堤防的浸潤(rùn)線、滲流量及出逸比降的分布，從而為確定堤防潛在的滲流破壞模式及采取科學(xué)合理的滲控措施提供良好的科學(xué)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝定義,陳存禮,胡再?gòu)?qiáng).試驗(yàn)土工學(xué)[M].北京：高等教育出版社,2011.

[2]中華人民共和國(guó)水利部.SL237—1999土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：水利水電出版社，1999.

Study on Winter Construction Technology of Embankment Engineering in Cold Regions

ZHANG Shou-jie1;SU An-shuang1;LI Zhao-yu1;YAN Jun2and XU Li-li1

(1.Heilongjiang Provincial Water Conservancy Science Research Institute，Harbin 150080，China；2.Chinese Water Conservancy & Hydroelectric Power Science Research Institute，Beijing 100000，China)

Abstract：Sandy soil used in building the dikes of Sanjiang regulation project on-site was selected to research the soil compaction property，deformation characteristics and heat-transmission property under winter construction conditions，and discussed the embankment sedimentation in winter and the method to forecast the permeable stability. The results show that compaction property of sand unfrozen in low temperature is affected little by temperature change in negative temperature，there may build correlation between compaction dry-density and rolling dry-density on-site. The moisture and frost deformation increased and residual deformation appeared gradually after settlement，and enlargement of loading stress caused the tendency of sandy soil compaction deformation to be increased after frost. The soil temperature and moisture affect the heat-transmission property of sandy soil，necessary to adopt measures to keep the temperature for realizing continuous and quick construction，and to control strictly the moisture for ensuring the effect and long-term stability of diking compaction in winter.

Key words：cold region；embankment engineering；construction in winter；soil material；compaction property；construction technology

文章編號(hào)：1007-7596(2016)04-0029-05

[收稿日期]2016-04-05

[基金項(xiàng)目]黑龍江省重大科技招標(biāo)項(xiàng)目(GA14A501)

[作者簡(jiǎn)介]詳見文章最后一頁(yè)。

中圖分類號(hào)：TV521

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A