大型浸水模型試驗(yàn)在多哈新港項(xiàng)目中的應(yīng)用

黃云

摘 要：土體的膨脹性能主要由土體中親水性礦物質(zhì)（高嶺石、蒙脫石、伊利石）的組成和比例含量有關(guān)，土體特有的礦物成分具有吸水膨脹、失水收縮和反復(fù)脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發(fā)育等特性，性質(zhì)極不穩(wěn)定，使得膨脹土具有會(huì)隨土體含水量的變化而產(chǎn)生隆起或沉降變形的特征。目前國內(nèi)外主要采用水洗法與干篩法測(cè)定土體的液塑限，在某種程度上無法客觀反映土體中親水性礦物質(zhì)的組成和比例含量關(guān)系，本文以多哈新港項(xiàng)目為載體，采用大型浸水模型試驗(yàn)研究港池開挖土體的膨脹性能，模擬港池開挖料在“全濕”極端條件下的膨脹性能，并以此參數(shù)為指導(dǎo)港池開挖料的使用，為項(xiàng)目的順利履約創(chuàng)造條件，形成了良好經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：大型浸水模型試驗(yàn) 液塑限 膨脹土 干篩法 水洗法

1.引言

多哈新港項(xiàng)目采用英國BS1377規(guī)范，該規(guī)范對(duì)液塑限樣品制備采用干篩法和水洗法。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)和外委第三方試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，對(duì)同一樣品采用兩種方法制備試樣得出的數(shù)據(jù)會(huì)普遍存在偏差，這種偏差主要來自于樣品制備方法所產(chǎn)生的操作偏差。干篩法與水洗法兩種方法是對(duì)土體黏粒的“全收集全統(tǒng)計(jì)”，無法客觀反映土體中親水性礦物質(zhì)（高嶺石、蒙脫石、伊利石）的組成和含量比例關(guān)系。項(xiàng)目技術(shù)規(guī)格書明確港池開挖回填料液限>65%、塑性指數(shù)>35%判定為不合格，不能用于碼頭后方陸域形成。為研究多哈新港項(xiàng)目港池開挖料土體的膨脹性能，設(shè)計(jì)了兩組不同細(xì)顆粒含量（粒徑小于0.063mm）的大型浸水模型試驗(yàn)，以期模擬土體在“全淹沒”極端環(huán)境下的膨脹性能是否滿足回填料的工程要求。

2.工程概況

多哈新港地處卡塔爾MASAEED工業(yè)城內(nèi)，離多哈市區(qū)40km，該項(xiàng)目為內(nèi)挖式港口，港池開挖工程量7070萬m3，其中土方3000萬m3，石方4070萬m3。港池區(qū)域表層為2-6m的風(fēng)積沙和底層強(qiáng)風(fēng)化和微風(fēng)化的灰?guī)r組成，陸域形成土石方回填5250萬m3，棄方1820萬m3，基坑采用放坡方式進(jìn)行干開挖，土方直接利用陸域形成，石方部分存在液塑限超標(biāo)，需要選擇性利用方能滿足土石方平衡利用。

3.浸水模型試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇不同區(qū)域不同斷面層次的港池開挖料進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，初判該結(jié)構(gòu)層次料源為液限與塑性指數(shù)超標(biāo)的不合格料源。為研究不同的細(xì)顆粒（根據(jù)英標(biāo)BS-5930，顆粒粒徑小于0.063mm的土體）含量對(duì)土體膨脹性能的影響，根據(jù)著名水工設(shè)計(jì)方Worley Parsons的要求按照?qǐng)D1與圖2設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)。模型主要由兩部分組成，低區(qū)為細(xì)顆粒含量小于20%的港池開挖料，高區(qū)為細(xì)顆粒含量在35%-45%之間的港池開挖料。試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛笮?0m×20m×1m，對(duì)于低區(qū)細(xì)顆粒含量小于20%的模型區(qū)G1/G2為模型底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)、E1/E2/E3/E4為模型頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)；對(duì)于高區(qū)細(xì)顆粒含量在35%-45%的模型區(qū)G3/G4為模型底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)、E5/E6/E7/E8為模型頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)；

模型按照陸域形成的同一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施：（1）按照50cm每層分層碾壓，每一結(jié)構(gòu)層完成后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)換水法密度試驗(yàn)并滿足現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度要求；（2）最大干密度應(yīng)達(dá)到室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度的95%以上；（3）土體含水量應(yīng)小于室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)最佳含水量；（4）土體孔隙率應(yīng)小于10%。

在模型制作過程中采用土工織物、不透水薄膜的方式確保模型試驗(yàn)過程中土體的水頭差為10cm。同時(shí)在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)配置2個(gè)備用水箱，當(dāng)水滲透到土體模型、水頭下降時(shí)應(yīng)及時(shí)補(bǔ)水，始終保持土體模型充分被水浸沒在水中，模擬擬用回填料充分浸沒在水體中的極端條件。模型斷面如圖2。

4.模型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)置

土體中細(xì)顆粒含量不同將模型試驗(yàn)分為高區(qū)與低區(qū)（詳見圖1）兩個(gè)區(qū)域，為保證兩個(gè)區(qū)域在同等條件下推演模擬實(shí)驗(yàn)，高區(qū)與低區(qū)同時(shí)施工、同時(shí)浸水、同時(shí)監(jiān)測(cè)。模型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)G1～G4這4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用3m×3m的鋼板做托板，將1.5m的監(jiān)測(cè)桿焊接在托板中心。頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)E1～E8這8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用0.5m×0.5m的鋼板托板，托板下部設(shè)置4根30cm的嵌釘，確保頂部監(jiān)測(cè)桿的穩(wěn)定。將0.5m的監(jiān)測(cè)桿焊接在托板中心并將托板埋植后與模型頂標(biāo)高相同。頂層碾壓完成后采用人工開挖埋植頂部監(jiān)測(cè)桿，并用微型手推壓路機(jī)碾壓夯實(shí)四周。監(jiān)測(cè)桿上設(shè)置沉降觀測(cè)尺，同時(shí)為方便觀測(cè)，在觀測(cè)尺的上部貼上具有不同半徑的焦點(diǎn)反觀貼，在距離模型外側(cè)5～10m的位置建立一個(gè)固定的基準(zhǔn)點(diǎn)，采用GPS按照每天1次的頻率進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)期為4周。

5.驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)設(shè)計(jì)方Worley Parsons的工程技術(shù)要求，對(duì)于不同細(xì)顆粒含量，其膨脹性能不一致。采用干篩法或水洗法得出某一區(qū)域的港池開挖料不適合做陸域形成回填料時(shí)，通過模型試驗(yàn)如果滿足以下兩個(gè)條件之一，則可以用于陸域形成的回填料。

（1）對(duì)于細(xì)顆粒含量<20%的港池開挖料，浸水模型試驗(yàn)其膨脹量≤10mm；

（2）對(duì)于細(xì)顆粒含量在35%～45%的港池開挖料，浸水模型試驗(yàn)其膨脹量≤15mm；

6.試驗(yàn)結(jié)果分析

6.1干篩法與水洗法

模型試驗(yàn)開始之前應(yīng)根據(jù)港池開挖料在時(shí)間和空間上的分布，全斷面全結(jié)構(gòu)層的取土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，分別進(jìn)行土樣天然含水量、顆粒密度、液塑限、顆粒篩分和土體擊實(shí)試驗(yàn)，從而獲取土樣物理力學(xué)參數(shù)。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)港池開挖料進(jìn)行分類別使用，對(duì)于液塑限超標(biāo)的料源區(qū)再次進(jìn)行浸水模型試驗(yàn)。endprint

土工試驗(yàn)嚴(yán)格按照英標(biāo)B S -1377-2進(jìn)行，干篩法與水洗法試驗(yàn)結(jié)果見表1、2，由表可以看出，對(duì)同一區(qū)域選取的土樣采用兩種不同試驗(yàn)方法得出的液塑限指標(biāo)存在較大的偏差（大約在10左右）。采用干篩法進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)時(shí)，細(xì)顆粒含量小于20%的港池開挖料，液限平均值在99.6，塑性指數(shù)57.8；而細(xì)顆粒含量在35%-45%之間的港池開挖料，液限平均值在71.4，塑性指數(shù)37，均超出了對(duì)陸域形成回填料要求范圍。采用水洗法進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)時(shí)，細(xì)顆粒含量小于20%的港池開挖料，液限平均值在110.6，塑性指數(shù)63.2；而細(xì)顆粒含量在35%-45%之間的港池開挖料，液限平均值在81.6，塑性指數(shù)38.2，均超出了對(duì)陸域形成回填料要求范圍。

6.2現(xiàn)場(chǎng)干密度試驗(yàn)

在浸水模型制作過程中，每層碾壓完成后需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)換水法密度測(cè)試試驗(yàn)，以模擬陸域形成回填統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并驗(yàn)證模型碾壓效果?，F(xiàn)場(chǎng)換水法密度試驗(yàn)嚴(yán)格按照ASTM-D5030-2004進(jìn)行操作，每個(gè)結(jié)構(gòu)層隨機(jī)選擇3個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果詳見表3，。由表可以看出，低區(qū)土體兩次碾壓的平均壓實(shí)度為98%，平均孔隙率問哦6.52%；高區(qū)土體兩次碾壓的平均壓實(shí)度為99%，平均孔隙率問哦4.72%；可見細(xì)顆粒含量高的土體模型在相同的施工條件下，密實(shí)度高，孔隙率低。

6.3不同細(xì)顆粒含量膨脹量位移變化特征

根據(jù)設(shè)計(jì)方Worley Parsons的模型監(jiān)測(cè)頻率要求，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理分析得出不同細(xì)顆粒含量的模型膨脹曲線（圖3），由圖3可以看出模型膨脹位移曲線大致可以劃分為3個(gè)階段：初始快速膨脹階段、緩慢膨脹階段、穩(wěn)定階段。低區(qū)土體模型在初期快速膨脹階段，膨脹速率最大為4mm/d；此后膨脹速率逐漸放緩到2mm/d；再到第20d后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。而對(duì)于高區(qū)土體模型，初期快速膨脹速率為2mm/d，第9d后基本維持在1mm/ d，到第34d基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

7.結(jié)論

（1）多哈新港項(xiàng)目部分港池開挖料采用傳統(tǒng)的土工試驗(yàn)（干篩法、水洗法）其液塑限指標(biāo)不滿足陸域回填料質(zhì)量要求，但通過浸水模型試驗(yàn)?zāi)M該類料源在極端環(huán)境下的膨脹性能，其最終的膨脹量均為9～10mm，滿足設(shè)計(jì)方Worley Parsons提出：對(duì)于細(xì)顆粒含量<20%的港池開挖料，浸水模型試驗(yàn)其膨脹量≤10mm；對(duì)于細(xì)顆粒含量在35%～45%的港池開挖料，浸水模型試驗(yàn)其膨脹量≤15mm膨脹量要求，該類料源滿足陸域回填料質(zhì)量要求。

（2）對(duì)于不同細(xì)顆粒含量的土體，其膨脹性能對(duì)細(xì)顆粒量不敏感，初判可能是由于該類料源中細(xì)顆粒含量中親水性較大的蒙脫石、伊利石成分并不高，而親水性相對(duì)較低的高嶺石成分相對(duì)較大；

（3）傳統(tǒng)的土工試驗(yàn)（干篩法、水洗法）是對(duì)細(xì)顆粒的全收集全統(tǒng)計(jì)，而浸水模型試驗(yàn)是對(duì)該類料源細(xì)顆粒中親水性物質(zhì)（蒙脫石、伊利石、高嶺石）含量比例的綜合評(píng)判，更能客觀反映工程實(shí)際情況，具有推廣意義。

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