曹旭明

摘要：水泥土作為兼具粘土與混凝土雙重優(yōu)點(diǎn)的新建材，在土壩套井回填中顯示了巨大的應(yīng)用價(jià)值。本文從水泥土的特點(diǎn)入手，給出了土壩套井水泥的研究方案以及研究結(jié)果，最后對(duì)于水泥土套井回填施工過(guò)程的幾個(gè)要點(diǎn)給出了簡(jiǎn)要的論述。

關(guān)鍵詞：水泥土；土壩套井回填；應(yīng)用；研究

在1950-1970期間，我國(guó)投資建設(shè)了許多的水庫(kù)或山塘，而其中的水庫(kù)大壩多以土壩為主。但是經(jīng)過(guò)幾十年的侵蝕，另外由于當(dāng)時(shí)的施工技術(shù)水平較低，使得大多數(shù)的工程出現(xiàn)了質(zhì)量問(wèn)題。特別是水庫(kù)普遍存在的滲漏問(wèn)題，嚴(yán)重的影響到了人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此用水泥土作為建材的土壩套井回填防滲方案的到廣泛應(yīng)用，顯示了巨大的優(yōu)越性，同時(shí)還存在可改進(jìn)之處。

1． 水泥土特點(diǎn)

水泥土的組成成分為水泥、土料和水。三種成分通過(guò)適當(dāng)?shù)呐浔瓤梢赃_(dá)到很好的加固防滲效果。其作用原理可以解釋為：三種成分經(jīng)過(guò)攪拌、壓實(shí)成型，在壓實(shí)的過(guò)程中水泥會(huì)吸收周圍的水分而自然的硬化。在此凝結(jié)的過(guò)程中堅(jiān)硬的水泥在土粒中形成纖維結(jié)晶，增加了土的強(qiáng)度，在自身起到加固作用時(shí)也使得周圍存在的原來(lái)土質(zhì)也發(fā)生了變化。

水泥土的原料土有多種選擇，但是在防滲問(wèn)題嚴(yán)峻的水利工程一般選取抗?jié)B能力強(qiáng)的黏土，而且要相應(yīng)的提高灰、土比例，增強(qiáng)硬度，從而抵抗水流的沖擊。

2.土壩套井水泥土研究

2.1實(shí)驗(yàn)方案

在水利工程中我們最為關(guān)心的是不同灰、土配比下的最大干密度、含水率指標(biāo)，因此下面我們將通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，研究影響水泥土質(zhì)量的關(guān)鍵因素。試驗(yàn)中保證不同配比的原料的壓實(shí)度為96%，在標(biāo)準(zhǔn)的養(yǎng)護(hù)條件下經(jīng)過(guò)不同的時(shí)間，最后測(cè)量各項(xiàng)指標(biāo)，如最大干密度、最優(yōu)含水率、滲透系數(shù)與彈性模量等。

本實(shí)驗(yàn)所用的黏土與水泥的物理化學(xué)及力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如下表1：

表1 黏土的物理化學(xué)參數(shù)表

表2黏土的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

3.水壩套井水泥土研究結(jié)果

（1）灰土比例與最大干密度的關(guān)系。經(jīng)過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，最大干密度與灰土比例有著較為簡(jiǎn)單的關(guān)系，即當(dāng)灰土比例為1：1時(shí)，最大干密度為1.70g/cm3，隨著土含量的增加最大干密度也隨之降低。當(dāng)比例達(dá)到1：5時(shí)，最大干密度降至1.63 g/cm3。

（2）灰土比例與最優(yōu)含水量的關(guān)系。

圖1 不同灰土比例與最優(yōu)含水量的關(guān)系

由關(guān)系圖可見(jiàn)，隨著土含量的增加，最優(yōu)含水率呈現(xiàn)整體的增長(zhǎng)狀態(tài)，但是在灰土比例為1：2至1：3之間，最優(yōu)含水率持續(xù)保持在21.0%，即最優(yōu)含水率的增長(zhǎng)有一個(gè)停滯的階段。

（3）滲透系數(shù)與灰土比例的關(guān)系。在不同的灰土比例下，隨著水泥含量的增加，滲透系數(shù)逐漸減小并趨于一個(gè)值，如下圖2：（最上面灰土配比為1：5，中間線配比為1：2，最下線為1：1）

圖2滲透系數(shù)與配比關(guān)系及保養(yǎng)時(shí)間關(guān)系

（4）無(wú)側(cè)線強(qiáng)度與配比關(guān)系。有實(shí)驗(yàn)得到的關(guān)系為:隨著水泥含量的增加，無(wú)側(cè)線強(qiáng)度整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，當(dāng)灰土比例達(dá)到1：1時(shí)，無(wú)側(cè)線強(qiáng)度在齡期為30天與90天時(shí)達(dá)到幾乎相同的峰值。同時(shí)其它的配比也出現(xiàn)了類似的增長(zhǎng)波動(dòng)，只是不太明顯。

（5）內(nèi)摩擦角與配比及齡期的關(guān)系。有下圖5可見(jiàn)，隨著水泥含量的增加，內(nèi)摩擦角也隨之有不同速率的增長(zhǎng)，并且存在增長(zhǎng)極限。

圖3不同的灰土比與內(nèi)摩擦角的關(guān)系

（6）不同的灰土比例與凝聚力的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)顯示當(dāng)灰土比例達(dá)到一定值時(shí)凝聚力并沒(méi)有太大的差異，并且有圖可見(jiàn)，在壓實(shí)的前10天凝聚力有著明顯的增長(zhǎng)，然后進(jìn)入緩慢的增長(zhǎng)階段，最大值基本保持于1700Kpa。

（7）彈性模量與灰土比例的關(guān)系。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，彈性模量與配比的關(guān)系有著很大的關(guān)系，基本上隨著而且當(dāng)比值達(dá)到1：1時(shí)彈性模量鞥加到最大值1700MPa。

經(jīng)過(guò)以上的量化分析，我們得到以下幾點(diǎn)重要的結(jié)論：灰土的比例一般控制在1：3～1：5，這樣兼顧了工程質(zhì)量與造價(jià)問(wèn)題；同時(shí)灰土的攪拌過(guò)程一般不少于三分鐘，并且為了攪拌的充分應(yīng)該事先將土塊壓碎，控制含水量不超過(guò)10%；不同的灰土比例對(duì)照試驗(yàn)表明，最大干密度、無(wú)側(cè)限強(qiáng)度以及彈性模量等參量隨著水泥的含量增加而增大，但是對(duì)后期的滲透系數(shù)及內(nèi)摩擦角無(wú)明顯影響。

4. 土壩套井回填施工要點(diǎn)

上述研究結(jié)論為實(shí)際中的灰土配比提供了科學(xué)的依據(jù)，可以保證在達(dá)到建設(shè)要求的前提下盡量減少水泥的消耗量。但是在達(dá)到最佳灰土配比的前提下還要注意以下施工的細(xì)節(jié)，保證土壩套井回填工程保質(zhì)保量。

4.1清理套井孔

土壩的套井回填施工對(duì)于鉆孔有著明確的要求，必須保證鉆孔的垂直度與清潔度。在施工過(guò)程中要將風(fēng)化巖、棄土清理出去，保證回填土的銜接能力。當(dāng)然井孔的深度要保證上部與壩體結(jié)合深度和下部深入風(fēng)化巖深度均不少于半米。

4.2水泥土的攪拌

水泥土攪拌要求用機(jī)械進(jìn)行，已達(dá)到混合均勻的目的。同時(shí)還要根據(jù)實(shí)際的需要選擇不同的攪拌機(jī)，而且為避免減半中的土塊出現(xiàn)應(yīng)該將粘土晾曬，含水量控制在10%以內(nèi)。嚴(yán)禁直接取用含水量較高的粘土，這樣的土質(zhì)易結(jié)塊，不易控制加水量，導(dǎo)致水泥土質(zhì)量難于控制。

同時(shí)要及時(shí)的測(cè)量黏土的含水量，以確定加水量，做到量化處理。如工程如采用水泥質(zhì)量比粘土質(zhì)量為1：4，則在水泥密度為2 g/cm3，黏土的干密度為1.6 g/cm3，最優(yōu)含水量為18%的條件下，如果當(dāng)天檢測(cè)出的粘土含水量為12%，則50kg的袋裝水泥經(jīng)過(guò)理論的計(jì)算，應(yīng)該摻入粘土和水分別為224kg、21kg。

4.3灰土的壓實(shí)

夯實(shí)作為影響施工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，要科學(xué)的確定夯擊參數(shù)。夯擊參數(shù)的確定受到諸多因素的影響，包括水泥的型號(hào)、粘土土質(zhì)、水泥與粘土比例等。

表3 水泥土夯實(shí)參數(shù)表

序號(hào) 工程名稱 水泥型 號(hào) 黏土最大干密度（g/cm3） 水泥與土的質(zhì)量比 錘重/kg 落錘高度/m 鋪土厚度 最佳合理夯擊數(shù)/次

1 A水庫(kù)保安達(dá)標(biāo)工程 紅獅PO32.5 1.57 1：1 650 2 30 8

2 B水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程 立馬PO32.5 1.65 1：2 650 2 30 12

3 C水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程 巨峰PO32.5 1.59 1：9 650 2.5 30 10

4 D水庫(kù)保安達(dá)標(biāo)工程 紅獅PC32.5 1.65 1：4 650 3 30 12

由上表可見(jiàn)，不同原料組成所需要的最優(yōu)夯擊次數(shù)存在著較大的差異，不了解其中的科學(xué)關(guān)系往往不僅會(huì)費(fèi)工費(fèi)時(shí)，還降低了工程的質(zhì)量。因此要根據(jù)具體的施工環(huán)境，科學(xué)的施工。

4.4質(zhì)量檢測(cè)

一般的質(zhì)量檢測(cè)采用偶數(shù)孔下井，取兩側(cè)的奇數(shù)孔壁的回填水泥土為樣本。但是這樣的抽取樣本方式要求抽取時(shí)間在主井完工后的兩天內(nèi)進(jìn)行，而水泥土的性質(zhì)在此期間還有許多性質(zhì)沒(méi)有穩(wěn)定，即使抽取到樣本也無(wú)法正確的、全面的反映水泥土質(zhì)量。

如果取而代之的采用取芯法，在工程完畢四周后進(jìn)行地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔取芯，就可以得到較為完整，準(zhǔn)確的水泥土參數(shù)。

5.結(jié)論

土壩的套井回填施工重在控制灰土的配比，過(guò)高浪費(fèi)資金，過(guò)低達(dá)不到施工標(biāo)準(zhǔn)。因此要根據(jù)施工的具體環(huán)境、不同的工程要求，在理論的指導(dǎo)下科學(xué)配比。同時(shí)要注意施工過(guò)程嚴(yán)格按照施工的要求，注意攪拌、檢測(cè)環(huán)節(jié)，保證回填土的銜接性能。當(dāng)然，有關(guān)水泥土的應(yīng)用研究正在進(jìn)展，許多方法還沒(méi)有得到最優(yōu)解，這需要各施工單位在實(shí)踐中不斷的探索與總結(jié)，及時(shí)的交流經(jīng)驗(yàn)，將水泥土在土壩套井的回填工程中的作用發(fā)揮到做大。

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注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。