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，本文以多哈新港項目為載體，采用大型浸水模型試驗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)效益和社會效益。

關(guān)鍵詞：大型浸水模型試驗 液塑限 膨脹土 干篩法 水洗法

1.引言

多哈新港項目采用英國BS1377規(guī)范，該規(guī)范對液塑限樣品制備采用干篩法和水洗法。根據(jù)現(xiàn)場試驗檢測和外委第三方試驗結(jié)果對比，對同一樣品采用兩種方法制備試樣得出的數(shù)據(jù)會普遍存在偏差，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土體黏粒的“全收集全統(tǒng)計”，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。為研究多哈新港項目港池開挖料土體的膨脹性能，設(shè)計了兩組不同細(xì)顆粒含量（粒徑小于0.063mm）的大型浸水模型試驗，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.浸水模型試驗方案設(shè)計

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，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，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）含量對土體膨脹性能的影響，根據(jù)著名水工設(shè)計方Worley Parsons的要求按照圖1與圖2設(shè)計模型試驗。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?zāi)Ｐ痛笮?0m×20m×1m，對于低區(qū)細(xì)顆粒含量小于20%的模型區(qū)G1/G2為模型底部監(jiān)測點、E1/E2/E3/E4為模型頂部監(jiān)測點；對于高區(qū)細(xì)顆粒含量在35%-45%的模型區(qū)G3/G4為模型底部監(jiān)測點、E5/E6/E7/E8為模型頂部監(jiān)測點；

模型按照陸域形成的同一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實施：（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)場換水法密度試驗并滿足現(xiàn)場壓實度要求；（2）最大干密度應(yīng)達(dá)到室內(nèi)擊實試驗最大干密度的95%以上；（3）土體含水量應(yīng)小于室內(nèi)擊實試驗最佳含水量；（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過程中土體的水頭差為10cm。同時在試驗現(xiàn)場配置2個備用水箱，當(dāng)水滲透到土體模型、水頭下降時應(yīng)及時補水，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)測系統(tǒng)設(shè)置

土體中細(xì)顆粒含量不同將模型試驗分為高區(qū)與低區(qū)（詳見圖1）兩個區(qū)域，為保證兩個區(qū)域在同等條件下推演模擬實驗，高區(qū)與低區(qū)同時施工、同時浸水、同時監(jiān)測。模型監(jiān)測系統(tǒng)底部監(jiān)測點G1～G4這4個監(jiān)測點采用3m×3m的鋼板做托板，將1.5m的監(jiān)測桿焊接在托板中心。頂部監(jiān)測點E1～E8這8個監(jiān)測點采用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)測桿的穩(wěn)定。將0.5m的監(jiān)測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)測桿，并用微型手推壓路機(jī)碾壓夯實四周。監(jiān)測桿上設(shè)置沉降觀測尺，同時為方便觀測，在觀測尺的上部貼上具有不同半徑的焦點反觀貼，在距離模型外側(cè)5～10m的位置建立一個固定的基準(zhǔn)點，采用GPS按照每天1次的頻率進(jìn)行觀測，觀測期為4周。

5.驗收標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)設(shè)計方Worley Parsons的工程技術(shù)要求，對于不同細(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，通過模型試驗如果滿足以下兩個條件之一，則可以用于陸域形成的回填料。

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

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

6.試驗結(jié)果分析

6.1干篩法與水洗法

模型試驗開始之前應(yīng)根據(jù)港池開挖料在時間和空間上的分布，全斷面全結(jié)構(gòu)層的取土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗，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試驗，從而獲取土樣物理力學(xué)參數(shù)。根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果對港池開挖料進(jìn)行分類別使用，對于液塑限超標(biāo)的料源區(qū)再次進(jìn)行浸水模型試驗。endprint

土工試驗嚴(yán)格按照英標(biāo)B S -1377-2進(jìn)行，干篩法與水洗法試驗結(jié)果見表1、2，由表可以看出，對同一區(qū)域選取的土樣采用兩種不同試驗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)土工試驗時，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)土工試驗時，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，均超出了對陸域形成回填料要求范圍。

6.2現(xiàn)場干密度試驗

在浸水模型制作過程中，每層碾壓完成后需要進(jìn)行現(xiàn)場換水法密度測試試驗，以模擬陸域形成回填統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并驗證模型碾壓效果?，F(xiàn)場換水法密度試驗嚴(yán)格按照ASTM-D5030-2004進(jìn)行操作，每個結(jié)構(gòu)層隨機(jī)選擇3個測試點進(jìn)行測試，試驗結(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)計方Worley Parsons的模型監(jiān)測頻率要求，對監(jiān)測數(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）多哈新港項目部分港池開挖料采用傳統(tǒng)的土工試驗（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?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)計方Worley Parsons提出：對于細(xì)顆粒含量<20%的港池開挖料，浸水模型試驗其膨脹量≤10mm；對于細(xì)顆粒含量在35%～45%的港池開挖料，浸水模型試驗其膨脹量≤15mm膨脹量要求，該類料源滿足陸域回填料質(zhì)量要求。

（2）對于不同細(xì)顆粒含量的土體，其膨脹性能對細(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，而親水性相對較低的高嶺石成分相對較大；

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

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