石灰改良過濕土在均質(zhì)壩填筑中的應用

李 德 軍， 姚 坤

(中國水利水電第十工程局有限公司 第二分局，四川 成都 610072)

1 概 述

某景觀湖擋水壩壩體結構為粉質(zhì)黏土均質(zhì)壩，壩長845 m，壩頂寬18 m，壩內(nèi)外坡比為1∶3，壩體填筑工程量約23萬m3。根據(jù)設計要求，取料料場位于壩址上游的河灘地，取料范圍為取料區(qū)的上層黏土、粉質(zhì)黏土，取料深度約1 m，不能取用有用料下部分布的砂層。同時，要求填筑材料中的有機物含量不能大于5%，最大粒徑小于5 mm，對于粒徑小于0.075 mm的細粒含量為92.2%～92.7%，對于粒徑小于0.005 mm的黏粒含量為24.1%～33.2%，液限小于43%，塑性指數(shù)小于24。將填筑材料含水率控制在最優(yōu)含水率的-2%～+3%以內(nèi)，碾壓施工后其壓實度不小于97%，滲透系數(shù)小于1×10-6m/s ,飽和固結快剪黏聚力不小于22 kPa，內(nèi)摩擦角值小于19°。

由于料場地下水位高、開挖厚度薄、料源含水量受地下水和降雨影響大，經(jīng)現(xiàn)場取樣檢測得知，土料的最大天然含水量達到22.8%，超過最優(yōu)含水量(11.5%)11.3%，最終判斷該土料為過濕土。

2 過濕土施工的常規(guī)處理方式

土方填筑施工的關鍵是在料源為合格土的條件下將填土壓實到設計規(guī)定的密實度。而影響壓實度的主要因素是含水量、壓實機械性能及填土厚度等，其中碾壓設備和填土厚度均可根據(jù)具體情況予以選定，而解決被壓實土含水量偏高問題常用的方法則是通過翻曬、借土、改性等處理方法。

3 方案比選

通過進行可行性及經(jīng)濟性等方面的比較，選擇即可行、又經(jīng)濟的方案，以達到設計標準并滿足對工程成本、進度、質(zhì)量、安全、環(huán)保及文明施工等方面的要求。

3.1 土料翻曬

土料翻曬需要投入大量的機械、大面積的翻曬場地、堆存場地、良好的天氣、較長的時間，而且其質(zhì)量難以得到保證。另外，土料翻曬還需受到工期、天氣及揚塵治理等因素的限制。成都平原屬暖濕亞熱帶太平洋東南季風氣候區(qū)，特別是在春季，具有日照少、陰雨天氣多、空氣潮濕等特點。為此，項目部對成都地區(qū)最近3年以來3、4月份的天氣情況進行統(tǒng)計得知，雨天氣候約占總天數(shù)的31%～58%，且隨著時間的推移，雨水有逐漸增多的趨勢。所以，陰雨天氣的原因制約了土料不具備翻曬條件，也不具備晾曬效果，同時對工期影響的風險大。另外，根據(jù)成都市揚塵防治管理規(guī)定，覆土必須覆蓋，若對土料進行翻曬，必須將覆土進行覆蓋以避免揚塵產(chǎn)生。而土料遮蓋后不能翻曬，也就達不到翻曬效果。

因此，通過土料翻曬的方式從技術角度上雖然可行，但由于以上原因：不具備翻曬時間、條件和達到晾曬的效果，故采用翻曬的措施不可行。

3.2 生石灰改性

石灰改良土的作用是通過在土中摻入石灰獲得土基強度的提高，高含水量土在摻入生石灰后可快速、有效地降低土的天然含水量，通過不同的摻灰比例，使土體含水量至一個適宜的含水量，使其能夠壓實，同時具有一定的強度和穩(wěn)定性。土體摻入生石灰后，生石灰與土內(nèi)部發(fā)生一系列的離子交換、火山灰反應和石灰本身的碳化與結晶的物理與化學作用，從而使土的性質(zhì)發(fā)生根本性變化。

圖1 摻灰量與液限、塑限、塑性指數(shù)曲線關系圖

生石灰是常見的建筑材料，其采購方便，用生石灰改良土后，可有效降低土體的含水量，縮短每層土的填筑周期，同時可提高土體的壓實度，不確定因素少，施工可行性較優(yōu)。另外，從經(jīng)濟性和可行性(建設區(qū)域不具備外購合格土料和征地開采等條件)等角度考慮，生石灰改良土質(zhì)成為首選方案。

4 室內(nèi)土工試驗

4.1 試驗方法

4.1.1 界限含水量試驗

(1)石灰與風干土的重量比分別為0%，4%，5%，6%，7%，8%,9%，10%。

(2)試驗方法：風干土、石灰分別過粒徑0.5 mm的篩，按以上配比攪拌均勻，利用液限塑限聯(lián)合測定儀測定土的液限與塑限。

4.1.2 擊實試驗

(1)擊實類型為重型擊實；

(2)試驗方案:風干土按0%，4%，5%，6%，7%，8%，9%，10%配比分別摻入生石灰，先將干土和生石灰拌勻，再加水拌和，使試樣充分浸潤，然后擊實。

4.1.3 摻灰后的含水量損失

為了測試生石灰對土料土的減水效果，按原狀土含水量(22.8%)制備土樣，在密閉的塑料袋內(nèi)燜料6～8 h，向各份土樣中按0%，4%，5%，6%，7%，8%，9%，10%配比分別摻入石灰并拌勻，敞口讓其充分反應，最后測定其含水量。

4.2 試驗結果及分析

(1)根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制的曲線圖見圖1，從圖1中可以看出：隨著摻灰量的增加(0%～10%)，液限變小(30%～29.7%)，塑限變大(15.8%～18.6%)，塑性指數(shù)變小(14.2%～11.1%)。同時，當摻灰量為8%時，表現(xiàn)為一個較明顯的轉折點，此點的石灰改性土的液限、塑限及塑性指數(shù)的變化在超過8%以后趨于平緩。

(2)根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制曲線(圖2和圖3)，從圖2和圖3中可以看出：在土料土中摻入石灰后，最大干密度降低，而最佳含水量升高，隨著石灰摻量的增大，最大干密度逐漸降低，最佳含水量逐漸升高。

(3)由圖4可以看出：在土料土中摻入生石灰后，隨著石灰摻量的增大，含水量逐漸降低。石灰摻量每增加1%，含水量約降低0.6%左右。同時，通過摻灰后的含水量和擊實后的最佳含水量比較，摻灰后的含水量和該摻入量的石灰土擊實的最佳含水量差距在2%～3%以內(nèi)為可選的石灰摻入量。當生石灰摻量在8%、9%、10%時，兩者的差值分別為2.5%、1.6%、0.8%?？紤]到經(jīng)濟合理性原則和施工因素影響，現(xiàn)場改良該土料土的最佳石灰配比為8%。

5 碾壓試驗

5.1 試驗參數(shù)

圖2 摻灰量與最佳含水量關系圖

圖3 摻灰量與最大干密度關系圖

圖4 摻灰量與含水量關系圖

試驗鋪土厚度：30 cm、25 cm。

碾壓遍數(shù)：①靜壓2遍+振動4遍；②靜壓2遍+振動5遍；③靜壓2遍+振動6遍；④靜壓2遍+振動8遍。

碾壓設備：20 t振動壓路機。

行走速度：2 km/h以內(nèi)。

5.2 試驗結果

(1)摻灰比例為7%，鋪土厚度為30 cm，在分別碾壓4遍、5遍、6遍、8遍的情況下，沉降4.1～0.1 cm，壓實度為95.5%～96.2%。

(2)摻灰比例為7%，鋪土厚度為25 cm，在分別碾壓4遍、5遍、6遍、8遍的情況下，沉降3.5～0.1 cm，壓實度為95.7%～96.3%。

(3)摻灰比例為8%，鋪土厚度為30 cm，在分別碾壓4遍、5遍、6遍、8遍的情況下，沉降4～0 cm，壓實度為96%～96.7%。

(4)摻灰比例為8%，鋪土厚度為25 cm，在分別碾壓4遍、5遍、6遍、8遍的情況下，沉降3.4～0.1 cm，壓實度為96.8%～97.9%。

5.3 試驗結果分析

5.3.1 摻灰比例分析

通過碾壓試驗結果可以看出：當摻灰比例達8%時，壓實度基本達到設計規(guī)定的97%的要求，與室內(nèi)土工試驗分析結果(摻灰8%)一致。

5.3.2 碾壓遍數(shù)分析

根據(jù)碾壓試驗統(tǒng)計結果，當采用摻量為8%的石灰土進行生產(chǎn)性碾壓試驗時，在靜壓2遍+振動碾壓6遍后，土的壓實沉降量變小，壓實系數(shù)增加不明顯，結合壓實度分析，碾壓參數(shù)選擇為靜壓2遍+振動6遍。

5.3.3 松鋪厚度分析

根據(jù)碾壓試驗統(tǒng)計結果，當采用摻量為8%的石灰土進行生產(chǎn)性碾壓試驗時，在松鋪30 cm和25 cm的情況下，松鋪30 cm時，在靜壓2遍+振動碾壓6遍后其壓實度達不到設計要求。而在松鋪25 cm層厚時，在靜壓2遍+振動碾壓6遍后其壓實度即可達到設計要求，故碾壓參數(shù)中的鋪土厚度選擇為松鋪25 cm。

5.3.4 樺犁和路拌機

經(jīng)過生產(chǎn)試驗得知：當樺犁翻2次，路拌機拌和4次，石灰土達到拌和均勻、色澤一致、無花白現(xiàn)象的效果。

6 試驗結論

根據(jù)生產(chǎn)性試驗及成果分析后確定的碾壓施工參數(shù)為：碾壓設備為18 t壓路機，樺犁翻2次，路拌機拌和4次，摻灰比例為8%，松鋪厚度為25 cm，碾壓方式為靜壓2遍+振動碾壓6遍，行走速度小于2 km/h。

7 施工工藝控制

為切實加強施工工藝控制,使檢測時取用的最大干密度與實際情況更加接近，在施工中采取了以下有效措施:

(1) 確定石灰劑量標準曲線:每進一批進場石灰,除進行石灰化學分析外,還要重新確定石灰劑量標準曲線。

(2) 石灰有計劃的進場:根據(jù)工程進度,盡量減少石灰在現(xiàn)場的放置時間(一般不超過5 d) 。石灰檢驗由進場改為使用前,既保證了用于工程中的石灰達到Ⅲ級灰以上的要求,又減少了石灰有效鈣鎂含量的損失對灰劑量的影響。

(3) 控制石灰土的施工工藝:石灰土采用路拌法施工,以避免2 次摻灰處理后造成的最大干密度值失真。應盡量減少石灰土的放置時間。

(4) 及時驗收:若驗收不及時,將造成壓實度減小。

通過采取上述措施,有效地控制了灰劑量和壓實度,提高了質(zhì)量,加快了施工進度。

8 結 語

筆者通過對生石灰改良過濕土進行試驗研究及實際應用后得出了以下結論：

(1)生石灰的摻入能有效改善過濕土的物理力學性質(zhì)，使其滿足壩體填料的要求；針對潮濕地區(qū)土壤天然含水量高、稠度低、難以壓實的特點，采用生石灰粉處理比較合適；

(2)生石灰加入土中，石灰土的最大干密度降低，最佳含水量升高，擊實曲線明顯變得平緩，可使石灰土在一個較寬泛的含水量范圍內(nèi)達到設計要求的壓實度，從而有利于在施工中控制含水量；

(3)過濕土摻入生石灰后，其塑限、最優(yōu)含水量顯著增加，說明摻灰土較未摻灰土在同樣的含水量條件下更容易從塑性狀態(tài)進入半固結狀態(tài)，更容易壓實，從而達到施工中控制的壓實度。