南水北调东线江苏段膨胀土综合利用的探讨

南水北调东线江苏段膨胀土综合利用的探讨

1复合膨胀性土体砂化改性作为填充材料，混合石灰是最有效、最经济的处理方法。但南水北调东线工程水利输水工程,在挡土结构前后两侧有可能存在较大的水位差,并且随季节性和受水方的要求,输水渠道中的水位会发生一定变化。同时,堤防渠道还有防渗要求。因此必须考虑其在运行当中的抗渗(防渗)问题。而石灰改良膨胀土,改良土的干密度会降低,渗透系数会增加,这在堤防渠道工程当中是不希望遇到的情况。因此如何解决石灰改良会使土体渗透性随时间有变大的问题,寻找合适的改良方法使土体渗透性降低是解决本工程问题的关键。在工程上,采用水泥对土体进行加固也是比较常用的方法。水泥改良之后强度能有较大提高和渗透性有一定程度的减小。因此可考虑进行水泥石灰复合改良,具体施工工艺是先将石灰与膨胀土拌和,使土体砂化并降低膨胀土的胀缩性,然后再向砂化了的土体中掺入水泥,连续压实、养护,使改良土的强度提高,渗透性降低,胀缩性基本消失,满足工程的抗渗要求。水泥对膨胀土的固化,主要体现在水泥在水化过程中各组分与水反应,生成硅酸盐、铝酸盐和氢氧化钙,反应如下:Ca(OH)2渗入土壤内部,与黏土矿物发生反应,继续生成凝胶物质,可减少亲水矿物的含量,并提高土颗粒间的连接强度,反应如下:此外Ca2+与土颗粒表面吸附离子发生阳离子交换反应,使土颗粒吸水性能改性和团粒化,增加膨胀土的水稳性。水泥土的强度主要来源于两部分水化物的胶结作用,即水泥本身的水化产物的胶结作用和水泥水化时产生的Ca(OH)2与土中活性物质之间的硬凝反应所产生的水化物的胶结作用。用水泥加固软土时,水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的水发生水解和水化反应,生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等化合物。当水泥的各种水化物生成后,有的自身继续硬化,形成水泥石骨架;有的则与其周围具有一定活性的黏土颗粒发生反应。水泥土的渗透系数随水泥掺入比的增大而减小,随养护期的增长而减小,一般为10-7~10-10cm/s数量级,甚至还要小。影响水泥土无侧限抗压强度的因素很多,主要有水泥掺入比、养护龄期、水泥种类、土的含水率、土中有机质的含量、外掺剂、养护方法等。对于水泥石灰复合改良膨胀土来说,改良剂掺量的选取和合适的改良方法是本研究的最终目的。研究的内容主要是从复合改良土膨胀性及水稳定性两个方面试验分析,对改良的方法效果和可行性进行定量评判。研究思路:在天然高含水率下研究水泥石灰的掺入方式;通过对改良前后膨胀土的自由膨胀率、液塑限、无荷膨胀率、渗透系数、无侧限抗压强度等变化情况进行对比研究,确定改良剂的掺量;并通过研究改良土的长期性能最终判断改良的效果。2掺改剂用量的确定:掺生石灰可以不加入白砂糖过膨胀土改良效果好坏,主要控制因素是改良剂与土料混合均匀程度。因此,如何降低土料黏性,使土体朝散粒化方向发展是解决问题的关键。对于本工程而言,土体的天然含水率较高,由苏北地区的地质资料可知,天然地基土的含水率一般在28%~35%左右。而通过前期的素土击实试验得到,天然土的最优含水率为22.1%,填土的天然含水率在最优含水率以上6%~13%。素土若先风干至最优含水率ωop±3%附近再掺灰,土块将成为外干内湿的团块,极难破碎,石灰与土处于分离状态而不能拌匀,碾压不能成型且干密度低。这是因为膨胀土黏性高,当平均含水率降低到最优含水率左右时,土块强度大,难以破碎,土块表面含水率低于塑限,失去黏性,因而碾压不能成型。因此,现场施工采取何种方法在土体含水率较高时能有效迅速减小含水率和土的黏性,使土体易于破碎且含水率位于最优含水率附近,这对于现场实际施工将是一个巨大的帮助。二次掺入的目的就是为了改良剂能和土体混合均匀,充分接触,发挥改良剂的作用。在水泥石灰复合改良中,以石灰作为第一次掺入的改良剂,水泥作为第二次掺入的改良剂。第一次掺入石灰的目的主要是为了初步降低含水率,同时使土体在一定高含水率下能够比较容易在翻拌过程中破碎,这是上面所指的土体的“砂化现象”,也即寻求一个合适掺量使现场机械破碎土块消耗的能量最少,并且能够使第二次的掺水泥均匀性提高。石灰的掺入起到一个辅助性的作用,它是为了后续的水泥加入打基础的,为此必须明确,在试验当中只要能到达上述这个目的,第一次掺入量就是合适的,也即第一次掺入石灰存在一个最低掺量的标准。这个标准就是能使土体砂化,针对这个“砂化”的标准,进行相应的天然土体砂化试验。砂化以后的土料,水泥比较容易均匀掺入而提高土体强度、降低土体渗透性。砂试验步骤如下。(1)取20kg的素土,测试其含水率。为了使测得的含水率w具有代表性,取样前将现场取回的土全部进行翻拌,尽量不破坏土块。每一个铝盒所取的土样来自翻拌混合样中的3处以上,平行做6组,取平均值,之后取20kg翻拌过的含水率比较均匀且已知的素土作为试样。(2)向20kg素土中均匀加水,由于团块有的较大,水份不易分布均匀,将所需加水量分3次用喷壶均匀加入,直至含水率达28%左右(近似于现场含水率)。(3)将配好至现场含水率的素土按照筛孔孔径从大到小过筛,称量出每个直径范围的土质量,确定天然团块直径分布状况;将每个团块粒径范围的土平均分成4份,将每个粒径的土各取1份,轻轻拌和均匀,在拌合过程中尽量不使土团块破坏。(4)取一定量生石灰敲碎过2mm筛后作为“砂化”改良剂。在平均分成的4份当中,取1份作为素土,其他3份分别考虑加石灰进行砂化,按照1%、2%、3%的灰剂量(干土质量的百分含量)分别将生石灰掺入3份土中,边撒灰边搅拌,尽量拌合均匀。(5)将4份土样堆在同一处,分别用塑料袋装好,但不封口。在以后的3d里,每天翻拌一遍,并进行人工破碎(翻拌、破碎时间都相同)。(6)3d后测定含水率,之后将每份土样均晾干至同一含水率23%(最优含水率附近),分别进行翻拌破碎。(7)最后将所有的试样分别进行筛分,测定每份试样团粒分布状况。在焖料3d后测定含水率,得到生石灰掺量为1%、2%、3%的土体砂化后含水率变为26.3%,25.5%,24.9%。试验结果分析:在土体中加入生石灰降低改良土的含水率,在本次试验中,掺灰1%~3%,含水率下降2%~4%。由图1、图2可见,原状素土呈团块状,用手按捏后只发生形状改变。而掺入石灰焖料3d后,土料呈现如图3-图5所示的散粒状,用手捏大颗粒马上破碎成小颗粒,这种状态的变化称作“砂化”。砂化后的土料、水泥等外加剂就比较容易掺入均匀。表1显示了素土和改良土在天然状态下的筛分成果。由表1可见,土体在掺灰后,小于10mm的土团粒明显增多。在1%掺量时达到46.54%、2%掺量时为84.79%、3%掺量时为88.16%,可见2%的掺量就能对改良土体破碎产生比较明显的作用。2%和3%掺量改良土的团粒各范围含量都比较相近,由此可以看到在2%的掺量之上进一步提高生石灰的掺入量对粒径变化不是很明显。在对土体进行破碎时,素土的黏性较大,比较粘手,而掺石灰的改良土不粘手,其黏性已大幅降低。由砂化试验结果,2%的生石灰的砂化效果是比较经济合适的,有利于天然土的颗粒化,离散化,黏性大幅降低。建议采用2%的生石灰作为本工程的砂化掺量。3复合土的渗透率堤防填料的强度和变形特性是影响堤防工程正常使用的重要因素,同时渗透特性也是一个不可忽视的因素。石灰水泥复合改良土的强度高,压缩性低。南水北调东线工程泵站上下游挡土结构后的填土,要求渗透性低,采用水泥石灰复合改良膨胀土作为填料。压实度92%的土料渗透试验成果见表2。由表2可见,水泥石灰复合改良土的渗透系数大于素土。但仍处于低渗透性范围内,远小于《堤防工程设计规范》中的规定。同时可见,水泥石灰复合改良土的渗透性随龄期(养护时间)的增大在逐渐变小,在28d养护时间时,复合改良土的渗透系数基本在10-7cm/s数量级左右,在有效应力达到200kPa时,渗透系数为5.2×10-7cm/s。虽然说水泥石灰复合改良土的渗透性较素土要大,但是其随时间在不断减小,对于堤防工程来说是有利的,因此,水泥石灰复合改良土的渗透性较好地满足了本工程设计的要求。4灌溉季节降水在正常使用状态下,晴雨交替,地下水位的升降导致毛细水的上升高度变化对改良土层的含水率有一定的影响。持续晴朗干燥的气候会导致改良土层的含水率降低,而降雨又会使得雨水从表层浸入到改良土层中,导致改良土层的含水率上升;在灌溉季节,持续降水使得季节性地下水位上升到地表,由于表面张力作用产生的毛细水也随之升高,使得改良土层的含水率也升高,在冬季,由于地下水位线的下降,毛细水也下降,土体中的含水率降低。往返的干湿交替,是实际工程中普遍存在的问题。为了模拟在工程中出现的这种情况,本研究针对水泥石灰复合改良土进行了经历不同干湿循环次数的无荷膨胀率试验、无侧限强度试验、渗透试验,通过这些试验以了解干湿循环对改良土膨胀性、强度、渗透性的影响。4.1干旱循环试验本次试验的仪器为常规固结仪,每次浸水让水面高出试样的底面5mm,使得试样在毛细压力下吸水膨胀。每次试验前量取干试样的高度,待膨胀试验结束后将试样取出,然后放在阴凉处风干至初始质量。通过控制质量的方法来控制试样的干湿循环,然后将试样密封24h,使水分均匀。此为一次干湿循环,然后依此进行下一次干湿循环。具体试验结果见图6。由图6可见,经过水泥石灰复合改良之后的膨胀土,在经历干湿循环的过程当中,无荷膨胀率的变化范围较小,在0.1%~0.2%之内。相对于素土的干湿循环的变化范围而言,这种变形显著减小很多。另外一方面,通过观察试样表面的完整度也可以从一定程度上说明土样的水稳定性,历经不同干湿循环次数的环刀试样表面在经历了10次干湿循环后没有发生明显的变化,上下试样表面结构仍然保持完整,试样上、下表面都没有发生较为明显的土颗粒掉落和胀缩裂缝的情况,因此建议剂量下的水泥石灰复合改良土有较好的水稳定性,在干湿循环变化的条件下,具有稳定的工作性态。4.2干法循环次数对无侧限强度的影响本次试验的仪器为无侧限压缩仪。试样养护达到28d时取出进行试验,试样在与室温相同的水中浸泡48h,然后置于室温条件下自然风干至初始制样含水率,然后将试样密封24h,使水分均匀。此为一次干湿循环,然后依此进行下一次干湿循环试验,如此反复进行。在达到规定次数后,分别测试其抗压强度。具体试验结果见图7。由图7可见,试样在经历干湿循环后,随着干湿循环次数的增加,土体的无侧限强度较高,均在500kPa以上,但是相对于未经历干湿循环的试样,无侧限强度值有所下降,强度损失在15%~25%范围内进行波动。在每次干湿循环过程中,试样晾干至初始质量时,由于无侧限试样为一个完全的自由泡水状态,无任何约束方式,即全敞开式浸水,见图8。这种方式是模拟实际当中最危险的一种自然不利环境影响下的情况。另外一方面,虽然说晾干状态为自然风干,且进行了一定时间的密闭使含水率均匀,但是在表面部分的含水率变化是很明显的,浸泡过程当中,尤其在表面部分,会有一定的影响。风干过程中试样表层的含水率下降比较大;浸水过程中表面含水率先增加,导致试样结构发生一定程度的变化,进一步影响到强度的发挥。综上可知,在干湿循环的影响下,无侧限强度在无约束泡水的极端不利条件下,强度有一定程度下降,但还是能够满足土体的强度要求,9次干湿循环后强度较素土仍有较大提高。因此,对于实际工程来讲,水泥石灰复合改良土历经干湿循环下强度能够满足工程要求。4.3干法循环次数对土体渗透系数的影响水泥石灰复合改良土试样养护达到28d时,取出进行试验,试样在与室温相同的水中浸泡48h,然后置于室温条件下自然风干至初始制样含水率,再将试样密封24h,使水分均匀。此为一次干湿循环,然后依此进行下一次干湿循环试验,如此反复进行。在达到规定次数后,分别测试其渗透系数。具体试验结果见表3。从表3可以看出,水泥石灰复合改良土随着干湿循环次数的增加,改良土的渗透系数基本维持在10-6cm/s数量级左右。随干湿循环次数的增加,试样的渗透系数浮动范围较小。在一次干湿循环内,土体渗透系数随有效应力的增加而不断减小。可以看到,虽然土体受干湿循环影响,经历了不同次数的干湿状态,也就是不断的反复胀缩,这给土体带来了不利影响;另外一方面水泥石灰加入土体后,由于水泥的水硬性特点,其与土体的物理化学作用随时间的增加会有一个继续的过程,这个过程的效果对土体是有利的。正是由于上述的两个方面影响,土体渗透系数呈现一个较小的浮动范围。水泥石灰复合改良土的渗透系数较素土略有变大,但从时间增长来看,水泥石灰复合改良土有随时间减小的趋势,这对本工程是有利的。水泥石灰复合改良土的渗透系数远小于《堤防工程设计规范》中规定的要计算渗流量的最小渗透系数10-3cm/s,可见,水泥石灰复合改良土的渗透系数也能较好地满足堤防设计的要求。5复合改良土的利用通过对水泥石灰复合改良土的相关性质的试验研究,得到以下主要结论。(1)从砂化试验可以看到,在土体中加入生石灰能初步降低改良土的含水率,随着生石灰掺量的增大,砂化降低含水率的趋势越明显。在本次试验中,含水率下降在2%~4%范围内。从不同掺灰率的砂化效果来看,2%的生石灰掺量是比较经济合适的掺量,能使天然土体的黏性大幅降低,且易于破碎。建议工程中采用2%的生石灰作为砂化掺量。(2)通过对建议掺量下(石灰2%和水泥4%)土体进行渗透试验,得到水泥石灰复合改良土的渗透性随龄期(养护时间)的增大在逐渐变小,复合改良土