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)場筑堤砂性土，研究冬季施工條件下土料壓實性能、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)測方法。結(jié)果表明，低溫未凍結(jié)砂土料負(fù)溫下壓實性能受溫度變化影響不大，擊實干密度與現(xiàn)場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效果和長期穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：寒區(qū);堤防工程;冬季施工;土料；壓實性能；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。冬季筑堤無需專門修筑施工道路，可在提高運輸效率同時降低運輸費用；冬季為枯水期，地下水位低、氣候干燥，適宜在河灘地取土，從而減少對農(nóng)村土地征用，在保護(hù)耕地同時降低了征地費用；冬季筑堤可有效延長施工期，縮短建設(shè)工期，增加經(jīng)濟(jì)效益。

冬季筑堤同時面臨考驗與挑戰(zhàn)，可借鑒的設(shè)計、施工規(guī)范及工程經(jīng)驗相對較少；同時，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、施工要點何在，尚需深入探討和研究。

本文選取三江治理工程現(xiàn)場筑堤砂性土，研究冬季施工條件下土料壓實性能、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)測方法。

1試驗

1.1筑堤土料

土樣取自三江干流堤防某試驗堤段料場，天然含水率為22%，相對密度2.68。顆粒分析試驗結(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)溫下土料壓實性能

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

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

表2　負(fù)溫下土料壓實性能試驗設(shè)計方案

依據(jù)《土工試驗規(guī)程》(SL237—1999)[2]進(jìn)行土樣制備，按設(shè)計含水率配制土樣后，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驗室進(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，當(dāng)土溫達(dá)到試驗要求的溫度時(溫度偏差不超過±0.5℃)，將土樣取出進(jìn)行負(fù)溫環(huán)境下的擊實試驗。

1.3土料變形特性

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

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

1.4土料熱傳導(dǎo)性能

以現(xiàn)場堤防土溫觀測資料為依據(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試試樣的導(dǎo)熱系數(shù)方案設(shè)計如表3所示。

表3　土料熱傳導(dǎo)性能試驗設(shè)計方案

按照《土工試驗規(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)行測量，待試樣內(nèi)部溫度達(dá)到試驗要求溫度后，采用熱特性分析儀針式探頭分別測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)溫下土料壓實性能

土料常溫?fù)魧嵡€如圖1所示，2℃土料負(fù)溫下?lián)魧嵡€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)境下的擊實曲線與常溫下土料的擊實曲線具有相同的變化趨勢。負(fù)溫條件下，含水率相近時，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。環(huán)境溫度在-10℃～-20℃變化時，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，其壓實性能受溫度變化影響并不明顯。可見，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密度將在很大程度上得到保證。

圖1　常溫土料擊實曲線

圖2　2℃土料負(fù)溫條件下?lián)魧嵡€

負(fù)溫?fù)魧嵏擅芏扰c現(xiàn)場示范工程不同碾壓工藝干密度對比見圖3。現(xiàn)場碾壓環(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重型振動碾和18.4t履帶式推土機(jī)，鋪土厚度為45cm；室內(nèi)擊實試驗環(huán)境溫度為-10℃～-20℃，土料溫度為2℃，含水率為20%～24%，每層土擊實次數(shù)為25次?？梢?，在上述條件下，22t振動碾碾壓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振動碾碾壓6遍、8遍的干密度結(jié)果與室內(nèi)擊實干密度較為接近，三種工況下干密度均值都略高于控制干密度。擊實實驗干密度結(jié)果略高于22t振動碾碾壓4遍及18.4t推土機(jī)碾壓8遍的結(jié)果，但也較為接近。對于正溫砂土料在負(fù)溫下的填筑，擊實實驗(W=2.5kg，H=30.5cm，N=3，V=947.4cm3，n=25)結(jié)果可與現(xiàn)場不同碾壓工藝下的結(jié)果通過回歸分析建立關(guān)系曲線，從而實現(xiàn)通過擊實實驗結(jié)果反推現(xiàn)場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)場碾壓工藝，達(dá)到指導(dǎo)現(xiàn)場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試驗干密度統(tǒng)計

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期穩(wěn)定性，合理設(shè)計堤身預(yù)留高程，須對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，凍脹變形逐漸趨于明顯。隨著凍結(jié)時間的增加，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，變形隨著時間增加逐漸趨于穩(wěn)定。含水率對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)溫壓實后的筑堤砂土凍融變形曲線

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

圖5　筑堤砂土融化后的壓縮變形隨時間變化曲線

由圖5可以看出，在逐級施加恒載條件下，筑堤砂土的變形在某一級荷載下最終趨于準(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，壓縮變形趨勢更為明顯。

通過取壓力范圍在100kPa～200kPa間的試驗數(shù)據(jù)，計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。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。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，表現(xiàn)為中等壓縮性土；當(dāng)土含水率超過8%時，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。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，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。可見，含水率增加將直接導(dǎo)致土溫在負(fù)溫條件下降低速率加大，凍結(jié)風(fēng)險增加；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，不僅對提高碾壓密實度有益，同時可在一定程度上，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

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是存在低溫環(huán)境下水-冰相變問題。為準(zhǔn)確預(yù)測堤防冬季施工及運行下的滲流、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)測模型及方法。

2.4.1冬季筑堤沉降變形預(yù)測模型

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)測試，根據(jù)試驗得出的應(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)，考慮水勢力梯度、初始應(yīng)力、分凝勢及溫度梯度等作為堤防固結(jié)過程中水分的遷移驅(qū)動力，結(jié)合固結(jié)理論，建立凍土沉降分析數(shù)學(xué)模型。通過運用該模型分析方法對多次試驗結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬及交叉對比，獲得分別適用冬季筑堤施工及運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)測寒區(qū)堤防不同時期的沉降變形，從而為堤防的優(yōu)化設(shè)計、施工安排及運行管理等提供強(qiáng)有力的支撐。

2.4.2考慮水-冰相變的滲流預(yù)測模型

結(jié)合堤防施工筑材特點，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-滲流場耦合控制方程，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)試驗成果，并在實測分布數(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)測堤防冬季施工過程中堤體的溫度場、水分場分布，還能準(zhǔn)確預(yù)測運行中堤防的浸潤線、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,胡再強(qiáng).試驗土工學(xué)[M].北京：高等教育出版社,2011.

[2]中華人民共和國水利部.SL237—1999土工試驗規(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：1007-7596(2016)04-0029-05

[收稿日期]2016-04-05

[基金項目]黑龍江省重大科技招標(biāo)項目(GA14A501)

[作者簡介]詳見文章最后一頁。

中圖分類號：TV521

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A