遼寧灌區(qū)渠道襯砌設(shè)計(jì)中土壤固化劑的優(yōu)化配比試驗(yàn)

張 鵬

(朝陽縣凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧 朝陽 122629)

目前，大型灌區(qū)節(jié)水改造主要針對(duì)其渠道襯砌進(jìn)行工程治理，國(guó)內(nèi)常用灰土、水泥土、混凝土作為渠道襯砌的主要加固材材，其中混凝土材料防滲性能較高、不易沖刷且具有較強(qiáng)的耐久性，同時(shí)混凝土材料在不同環(huán)境下均具有較好的適應(yīng)性，在國(guó)內(nèi)灌區(qū)改造設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用[1- 5]。但混凝土防滲材料在北方寒冷地區(qū)防凍性能不高，且施工和維修造價(jià)較高，使得其維修養(yǎng)護(hù)難度大，尤其是對(duì)于一些砂石料較為缺少的區(qū)域，如何降低灌區(qū)襯砌的防滲工程造價(jià)一直是研究關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[6]。從20世紀(jì)80年代開始，土壤固化劑就一直致力于解決北方地區(qū)灌區(qū)襯砌加固抗凍性能的問題，一些研究成果也表明土壤固化劑可以就地取材，通過將渠道內(nèi)的原狀土和固化劑進(jìn)行配比攪拌混合均勻后形成強(qiáng)度較高的膠凝材料，其抗壓和抗折強(qiáng)度經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證可以滿足SL 18—2004《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》中的指標(biāo)要求。通過不同區(qū)域土壤固化劑的抗壓、抗折、抗凍效果進(jìn)行分析，其土壤固化劑摻量和水灰比的配比方案的好壞對(duì)于其設(shè)計(jì)質(zhì)量的高低影響明顯，為此本文結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試方法，對(duì)不同配比方案下的土壤固化劑的抗壓、抗折及抗凍性能進(jìn)行測(cè)定，優(yōu)選其配比方案并與常用幾種固化劑進(jìn)行造價(jià)對(duì)比。成果對(duì)于東北地區(qū)灌區(qū)節(jié)水改造設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

1 土壤固化劑的機(jī)理

在常溫條件下將粘土礦物與土壤表層顆粒進(jìn)行直接膠結(jié)形成具有膠凝物質(zhì)的硬化劑成為土壤固化劑，現(xiàn)將其主要固化機(jī)理介紹如下。

(1)土體在成型壓力作用下經(jīng)過固化劑處理后，土體顆粒周圍緊密接觸在一起，在土壤固化劑的作用下生成水化硅酸鈣，在粘土的表層形成凝結(jié)硬化殼，顆粒內(nèi)部滲入不同方式的固化劑激活組分，水鋁、水硅鹽酸等膠凝材料在物理化學(xué)作用下與粘土礦物結(jié)合，在粘土表面產(chǎn)生不可逆凝結(jié)固化，增加粘土固化的穩(wěn)定性和耐久性。

(2)粘土內(nèi)部空穴進(jìn)入極性水分子和OH-離子，使得土體表面顆粒分散，這些分散的顆粒增強(qiáng)了粘土顆粒表面的負(fù)電荷電位，土體中的凝聚能力被固化劑中的某種成分所替換形成膠體結(jié)構(gòu)，使得顆粒的粘聚力降低，增加土壤顆粒的電解質(zhì)濃度，減薄膠粒雙層厚度，顆粒的凝聚作用增強(qiáng)。

(3)聯(lián)結(jié)疏松土體結(jié)構(gòu)，主要靠膠結(jié)物表層與固化劑礦物進(jìn)行相互聯(lián)結(jié)，在硅酸鹽自身層狀建立空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，主要粘土礦化及水化反應(yīng)生產(chǎn)物均具膠結(jié)作用，能夠?qū)⑼寥婪稚㈩w粒進(jìn)行牢固的膠結(jié)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以得到加固和增強(qiáng)，使其成為一個(gè)強(qiáng)度較高的土體結(jié)構(gòu)。

2 土壤固化劑主要性能指標(biāo)

2.1 抗壓強(qiáng)度

在28d自然條件下進(jìn)行固化標(biāo)準(zhǔn)試塊的抗壓強(qiáng)度測(cè)定，在不同固化劑摻入量情況下，采用HY固化劑和粘土或混合土進(jìn)行7.25～12.23MPa抗壓強(qiáng)度的指標(biāo)測(cè)定。

2.2 滲透系數(shù)

南55型滲透儀用于在室內(nèi)滲透系數(shù)的測(cè)定，同心環(huán)法用于現(xiàn)場(chǎng)滲透系數(shù)的測(cè)試，將28d自然條件下的試塊摻入HY固化劑后進(jìn)行固化預(yù)制，其滲透系數(shù)技術(shù)指標(biāo)為不低于7×10-8cm/s。

2.3 抗凍性能

在非飽和狀態(tài)下對(duì)固化土標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，凍融循環(huán)16次后進(jìn)行不同配比方案下固化土抗壓強(qiáng)度測(cè)定，其技術(shù)指標(biāo)為3.65～11.20MPa，經(jīng)過50次凍融循環(huán)在±20℃進(jìn)行28d齡期自然條件養(yǎng)護(hù)環(huán)境下抗凍強(qiáng)度損失率的分析，其損失率技術(shù)指標(biāo)在31%～33.5%之間。

2.4 干濕循環(huán)

在室內(nèi)自然條件下對(duì)固化土標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行28d養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。經(jīng)過50次干濕循環(huán)后進(jìn)行28d齡期自然條件養(yǎng)護(hù)環(huán)境下強(qiáng)度損失率的分析，其損失率技術(shù)指標(biāo)在2.85%～4.74%之間。

3 土壤固化施工方法及技術(shù)指標(biāo)

3.1 固化劑摻量選取及攪拌

(1)分析就地取材的土料特性，晾曬選取的摻量土料，其土層含水率小于15%，土料粉碎主要采用粉碎機(jī)進(jìn)行，采用30mm以下篩網(wǎng)孔徑進(jìn)行過篩。

(2)固化劑型號(hào)按照土料進(jìn)行選取，本試驗(yàn)采用的固化劑型號(hào)為As普通B型1.0級(jí)，其主要配比成分見表1。

表1 土壤固化劑摻量成分

3.2 固化劑攤鋪與壓實(shí)

(1)預(yù)制件的制作。將土料和固化劑摻量采用攪拌機(jī)進(jìn)行混合攪拌均勻后，在預(yù)制板內(nèi)鋪設(shè)均勻，采用成型柜在預(yù)制磚塊內(nèi)進(jìn)行壓制，抗壓、抗折、抗凍設(shè)計(jì)性能是否能滿足要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于預(yù)制件的壓實(shí)度。預(yù)制件要求固化劑與土料攪拌均勻混合后其壓實(shí)度要高于95%以上，土塊的容重要大于1.83g/cm3，固化劑預(yù)制件采用成型機(jī)壓方式進(jìn)行壓實(shí)，在預(yù)制件模具內(nèi)鋪設(shè)攪拌混合土壤固化劑材料，進(jìn)行2次壓實(shí)后預(yù)制件可從模具內(nèi)進(jìn)行脫模處理，立放預(yù)制件且間距要高于1cm，低于2cm，運(yùn)輸過程中要避免預(yù)制件的損壞。

(2)壓實(shí)和攤鋪保護(hù)層。在清洗好的灌區(qū)襯砌地基表層將攪拌混合好的固化土料進(jìn)行均勻攤鋪，攤鋪厚度主要為8～10cm，表面采用人工或機(jī)械方式進(jìn)行平整后，鋪好的土壤固化劑和土料采用小型壓實(shí)機(jī)進(jìn)行至少3遍以上的壓實(shí)處理，壓實(shí)后的土壤容重要高于1.65g/cm3。要及時(shí)養(yǎng)護(hù)土壤固化劑預(yù)制件并在成型后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)澆筑

4 土壤固化試驗(yàn)方案

4.1 灌區(qū)試驗(yàn)段

本文選取遼陽大型灌區(qū)作為試驗(yàn)襯砌段，該灌區(qū)在進(jìn)行節(jié)水改造工程的實(shí)施，結(jié)合工程實(shí)施進(jìn)行灌區(qū)輸水渠道襯砌段的土壤固化試驗(yàn)，遼陽灌區(qū)東一支渠試驗(yàn)段長(zhǎng)度為400m，固化襯砌試驗(yàn)主要采用預(yù)制和現(xiàn)澆2種方式進(jìn)行試驗(yàn)，防滲主要采用聚苯乙烯膜，其厚度為0.3mm，固化預(yù)制板護(hù)厚度為5cm，過渡層為3cm厚度的固化泥。其主要設(shè)計(jì)斷面形式為梯形斷面。

4.2 試驗(yàn)指標(biāo)觀測(cè)方法

(1)凍深：每個(gè)斷面采用丹尼林凍深器進(jìn)行不同部位的凍深觀測(cè)。

(2)凍脹量：從布設(shè)凍深觀測(cè)的7個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位沿著橫向方位進(jìn)行凍脹變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)。預(yù)制斷面和現(xiàn)場(chǎng)澆筑斷面的凍脹量采用相同的觀測(cè)方法。

(3)滲漏量：選取試驗(yàn)段斗渠和農(nóng)渠分別進(jìn)行襯砌前后的靜水試驗(yàn)。

(4)抗拔、抗折強(qiáng)度：在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)段分別進(jìn)行7、28d自然條件養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行試驗(yàn)塊采集，送到室內(nèi)試驗(yàn)室進(jìn)行受力分析，對(duì)其抗拔、抗折強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。

5 試驗(yàn)結(jié)果討論

5.1 不同配比方案下土壤固化抗壓、抗折強(qiáng)度分析

進(jìn)行了21組不同水灰比及土壤固化劑配合比下試驗(yàn)預(yù)制襯砌土塊不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下其抗拔、抗折強(qiáng)度的測(cè)定，試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果見表2。

表2 不同配比方案下的試驗(yàn)土塊抗拔、抗折強(qiáng)度分析

從試驗(yàn)結(jié)果可知，在相同水灰比條件下實(shí)驗(yàn)土塊抗壓、抗折強(qiáng)度隨著摻量增加而有所提高，土壤固化作用下土塊抗壓、抗折強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而有一定程度的提高。通過對(duì)21種配比方案進(jìn)行試驗(yàn)，土壤固化作用下土塊在水灰比為0.35條件下其強(qiáng)度明顯好于水泥硬性土，配合比為3∶1時(shí)期28d的抗拔、抗折效果最優(yōu)。為抗拔、抗折條件下的最優(yōu)方案。渠道襯砌混凝土水泥硬化作用下其抗拔強(qiáng)度可達(dá)到最小抗拔強(qiáng)度允許值的2倍以上，在實(shí)際工程施工中，應(yīng)盡量減少土壤固化劑的摻量，可以一定程度提高其抗拔、抗折得到強(qiáng)度。隨著水灰比的增加在一定養(yǎng)護(hù)時(shí)間下土壤固化抗折、抗壓強(qiáng)度有所減小，因此為了提高土壤固化劑對(duì)于灌區(qū)引水渠道襯砌抗拔、抗壓效果，應(yīng)盡量減小其水灰比。在相同配比方案下，固化土塊的抗拔、抗折強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而提高，但通過試驗(yàn)分析，一般養(yǎng)護(hù)時(shí)間不要超過28d，超過28d后其同一配比方案下的土壤固化抗拔、抗壓強(qiáng)度呈下降變化。綜合分析，采用土壤固化劑進(jìn)行渠道襯砌防滲處理時(shí)，水灰比為0.35，土壤固化劑摻量配合比為3∶1且經(jīng)過28d養(yǎng)護(hù)后其抗拔、抗折強(qiáng)度可以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

5.2 不同配比方案下土壤固化凍深分析

東北地區(qū)冬季氣溫寒冷，為提高灌區(qū)襯砌質(zhì)量，需要對(duì)其土壤固化效果進(jìn)行抗凍性能的分析，首先針對(duì)21種土壤固化配比方案進(jìn)行室外最大凍深的測(cè)定，結(jié)果見表3。

表3 不同配比方案下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的最大凍深值

從各點(diǎn)位試驗(yàn)測(cè)定的最大凍深可看出，灌區(qū)渠道襯砌采用土壤固化材料進(jìn)行鋪設(shè)施工后，隨著地基土溫的變化渠道內(nèi)的凍深變化規(guī)律具有相似性，但由于渠道坡向的變化其總體凍深特征有所差異，渠道邊坡凍深從上到下逐步減低，最大凍土深在陰坡點(diǎn)位要明顯高于陽坡點(diǎn)位。在相同水灰比條件下隨著土壤固化摻量配比的加大，其各點(diǎn)位下的凍土深總體呈遞增變化，且隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，在相同水灰比和土壤固化劑配比方案下其不同點(diǎn)位的最大凍土深呈現(xiàn)遞減變化，渠底的凍土深相對(duì)最低，但土壤固化摻量增加后渠道襯砌點(diǎn)位的最大凍土深有所減小，通過對(duì)21種配比方案的對(duì)比分析，在基于前面抗拔、抗折試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，綜合其配比方案下抗拔、抗折強(qiáng)度分析，當(dāng)水灰比為0.35，土壤固化劑摻量配合比為3∶1下經(jīng)過28d養(yǎng)護(hù)后其最大凍土深可以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

5.3 不同配比方案下土壤固化凍脹量分析

在不同配比方案下各點(diǎn)位凍土深分析的基礎(chǔ)上，對(duì)相同點(diǎn)位的經(jīng)過28d養(yǎng)護(hù)期后的凍脹量進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表4。

表4 不同配比方案下各點(diǎn)位土壤固化凍脹量測(cè)定結(jié)果

從試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果可看出，凍脹量最大值主要出現(xiàn)在渠道的下部，陰坡凍脹量最大值明顯高于陽坡，一般可高出2.5cm左右。在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位通過消融作用其土壤凍脹變形有所復(fù)位，整個(gè)襯砌坡面未出現(xiàn)因凍脹變形影響產(chǎn)生的滑坡現(xiàn)象。和最大凍深變化較為一致，在相同水灰比下隨著土壤固化劑摻量配比增加，其不同坡向最大凍脹量變化差異也較為明顯，陰坡不同點(diǎn)位凍脹量最大值為陽坡的1.5倍左右，隨著土壤固化劑配比摻量增加其陽坡和陰坡凍脹量總體呈現(xiàn)遞增變化，但從其配比為3∶1后其凍脹量變化程度相對(duì)較低，綜合前面各點(diǎn)位不同配比方案下的凍深最大值變化和凍脹量變化，在土壤固化劑不同配比方案下，當(dāng)水灰比為0.35，土壤固化劑摻量配合比為3∶1下經(jīng)過28d養(yǎng)護(hù)后其最大脹量變化允許值可以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

6 經(jīng)濟(jì)造價(jià)效益分析

在進(jìn)行土壤固化劑優(yōu)化配比方案試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，本文針對(duì)灌區(qū)襯砌常用幾種固化材料進(jìn)行工程造價(jià)和性能的對(duì)比，并將工程施工過程中相同條件下的土壤固化預(yù)制板和混凝土預(yù)制板進(jìn)行造價(jià)對(duì)比分析，具體結(jié)果分別見表5—6。

表5 常用固化材料造價(jià)及性能對(duì)比

表6 灌區(qū)襯砌土壤固化預(yù)制板和混凝土預(yù)制板造價(jià)對(duì)比

采用本文優(yōu)化配比方案下工程造價(jià)為16.5元/m2，且具有較好的性能，雖然在抗壓、抗折性能上土壤固化劑的總體性能有所欠缺，但相比于混凝土硬化下，其抗凍性能好于混凝土，其次土壤固化技術(shù)可以就地取材，每m2工程造價(jià)接近混凝土的50%左右，其次灰土和水泥土固化材料工程造價(jià)雖然相對(duì)要低于土壤固化劑和混凝土，但其固化性能相對(duì)一般。此外本文還對(duì)灌區(qū)襯砌土壤固化預(yù)制板和混凝土預(yù)制板進(jìn)行造價(jià)對(duì)比，從對(duì)比結(jié)果可看出，試驗(yàn)渠段總長(zhǎng)度為400m，采用預(yù)制土壤固化板每m襯砌價(jià)格為126.1元，而采用混凝土預(yù)制板進(jìn)行襯砌其每m的造價(jià)為240.2元，預(yù)制土壤固化板每m造價(jià)是預(yù)制混凝土板每延米造價(jià)的64.5%左右，相比可投資節(jié)省比例可為35.5%，灌區(qū)渠道防滲采用土壤固化預(yù)制板作為一項(xiàng)新的技術(shù)，可以在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行取材，大量砂石料能被有效節(jié)省，灌區(qū)渠道襯砌投資可以得到較大程度的下降。

7 結(jié)論

(1)在相同渠道襯砌長(zhǎng)度下，分別采用土壤固化預(yù)制板和混凝土預(yù)制板，其每m工程造價(jià)分別為126.1元和240.2元，土壤固化預(yù)制板是混凝土預(yù)制板造價(jià)的64.5%左右，同比可節(jié)省投資35.5%，作為灌區(qū)襯砌一項(xiàng)新的施工技術(shù)，可以節(jié)省大量砂石料且可大幅下降工程投資，在東北地區(qū)具有較好的技術(shù)推廣性。

(2)在采用土壤固化預(yù)制板進(jìn)行襯砌施工時(shí)，固化劑和土料攪拌混合到完成碾壓鋪設(shè)，要控制施工時(shí)間在6h以內(nèi)，當(dāng)碾壓固化土料出現(xiàn)“起皮”、“壓縮裂紋”等現(xiàn)象時(shí)，要在7d養(yǎng)護(hù)期后進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)厚度不得低于60mm。

(3)土壤固化技術(shù)由于還未有統(tǒng)一質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，其質(zhì)量還較難控制，土壤固化劑鋪設(shè)和攪拌均勻度是后期試驗(yàn)研究的重點(diǎn)。