某渠道工程含砂低液限粉土工程特性及處理措施探討

李劍，廉世卿

（1.新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 835000；2.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021）

0 引言

低液限粉土作為一種物理力學(xué)性質(zhì)較為復(fù)雜的特殊土類，其工程力學(xué)性質(zhì)與粘性土及砂土等無粘性土相比差異較大。粘性土和砂土在外觀形狀上很好區(qū)分，而過渡性的低液限粉土則很難區(qū)分，具有較獨(dú)特的工程特性。低液限粉土在新疆較為常見，尤其在伊犁河谷兩岸階地分布較廣泛?，F(xiàn)場施工中粉土原狀樣及試驗(yàn)制樣等不易采取，往往導(dǎo)致室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)際有較大的偏差。由于粉土塑性指數(shù)較小、作為基礎(chǔ)處理時(shí)其易失水且不易壓實(shí)的工程特性，一直以來成為公路、鐵路、渠道等工程基礎(chǔ)處理的重難點(diǎn)。近年來，西部地區(qū)特別是新疆地區(qū)一些大型長距離輸水渠道工程及公路、鐵路項(xiàng)目的陸續(xù)開工建設(shè)，對基礎(chǔ)施工提出了更高要求，其中包括壓實(shí)度指標(biāo)的提高和對渠道基礎(chǔ)填料強(qiáng)度的嚴(yán)格要求。在此情況下，粉土基礎(chǔ)施工技術(shù)難度不斷增大。從新疆氣候特征、土質(zhì)特性、環(huán)境特點(diǎn)等入手，研究經(jīng)濟(jì)合理的低液限粉土渠道及公路、鐵路基礎(chǔ)填筑施工技術(shù)顯得尤為重要。文中結(jié)合北疆某渠道工程項(xiàng)目高填方段低液限粉土料填筑施工，討論分析低液限粉土的一些工程特性，為此類工程施工提供參考。

1 低液限粉土分類及工程區(qū)分布

1.1 粉土的規(guī)范定名與分類

按照GB 50021-2001（2009 版）《巖土工程勘察規(guī)范》[1]，粉土指塑性指數(shù)Ip≤10 ，且粒徑不小于0.075 mm 的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過整體質(zhì)量的50%的土；粉質(zhì)粘土則按塑性指數(shù)Ip劃分定義為17≥Ip≥10 的土，Ip≥17 則定義為粘土。粉土顆粒組成及塑性介于砂土與粘性土之間[2]，其組成以粒徑為0.005～0.075 mm 的粉粒為主，又細(xì)分為粒徑為0.010～0.075 mm 的粗粉粒、0.005～0.010 mm 的細(xì)粉粒。粉粒主要礦物成分為一些含硅、鐵、鋁等次生礦物氧化物，少量次生硅酸鹽礦物，一些正長石、白云石等原生硅酸鹽氧化物，及少量最難風(fēng)化的原生礦物如石英等，水穩(wěn)性表現(xiàn)較好。國內(nèi)有學(xué)者[2]對粉土又進(jìn)行了細(xì)分：1）粘質(zhì)粉土，粒徑小于0.005 mm的顆粒總質(zhì)量占全重的10%以上的土，其粘聚力弱于粘性土、內(nèi)摩擦力大于粘性土，大量土工試驗(yàn)資料證實(shí)，粘質(zhì)粉土的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)特征塑性指數(shù)Ip為8～11，液限值ωL為23%～29%，塑限值ωP為13%～18%；2）砂質(zhì)粉土，粒徑小于0.005 mm 的顆粒總質(zhì)量占比小于全重的10%的土，其工程性質(zhì)與粉細(xì)砂比較接近，顆粒間摩阻力弱于砂土、粘聚力則強(qiáng)于砂土，壓實(shí)性差于砂土。

通過上述對比可以看出，低液限粉土作為一種物理力學(xué)特性比較特殊、有過渡性變化，介于砂土與粘性土之間的土，其工程特性往往因組成粒徑細(xì)微變化而發(fā)生明顯變化，因此，需要對粉土物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析確認(rèn)，粉質(zhì)土的劃分對比見表1。

表1 粉質(zhì)土新舊劃分對比

1.2 粉土的鑒定方法

外觀上粘性土和砂土易于區(qū)分，但作為中間過渡性土的粉土則不易分辨，有關(guān)粉土的準(zhǔn)確認(rèn)定，不能夠單看Ip值，應(yīng)通過野外鑒別結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行綜合確定[3]。野外可參考下述方法鑒別：1）濕土刀切面略粗糙，無光滑面；2）以手捻摸時(shí)，感覺有些粘感或無粘結(jié)感，部分顆粒感或砂感較明顯；3）粘著性較小，失水干燥后一碰就掉；4）濕土搓條時(shí)，能搓成2～3 mm 的土條；5)干土用手很易捏碎；6）濕潤時(shí)用手拍打，會(huì)有水滲出。

粉土一般具有低飽和含水率，多數(shù)介于20%～30%之間，低液限通常小于20%。另外，也可根據(jù)土體強(qiáng)度較低、粘滯力較小、毛細(xì)水高、膨脹干縮不明顯、固結(jié)壓縮穩(wěn)定較快等特點(diǎn)，進(jìn)行綜合鑒定。

1.3 工程區(qū)粉土成因及分布

該渠道工程多位于伊犁河谷階地上，沿線出露地層為全新統(tǒng)洪積層（Q4pl），主要分布在伊犁河下游北岸的溝口附近，巖性為粉砂土，局部含粗、細(xì)砂透境體，厚度大于10 m；全新統(tǒng)沖積層（Q4al）主要分布在河床及一級(jí)階地區(qū)，巖性為粉砂土及卵石混合土層，局部含沼澤土和淤泥質(zhì)土，屬現(xiàn)代河床沖積層，厚3～10 m。

渠道高填方段位于北山坡低山丘陵區(qū)，地貌上為寬緩?fù)莸?，地形起伏不均，中、小型沖溝較發(fā)育，地形坡度多為10°～40°，地勢為南低北高，地表基礎(chǔ)巖性多為第四系沖洪積低液限粉土。

2 渠道粉土物理力學(xué)性質(zhì)及穩(wěn)定性

2.1 填方土料物理力學(xué)性質(zhì)

高填方段填方土料及基礎(chǔ)粉土顆分曲線見圖1，物理力學(xué)性質(zhì)見表2。由試驗(yàn)成果可知，該料場土料可定名為含砂低液限粉土，粉粒含量非常高，約占57.1%～84.6%（平均73.1%），導(dǎo)致其與砂的性質(zhì)有些類似，粘粒含量6.4%～17.5%（平均12.2%），塑性指數(shù)為8.3～9.6，液限值為21.2%～25.1%，該料場化學(xué)性質(zhì)分析成果：共計(jì)取樣10 組，水溶鹽含量0.26%～2.68%（平均0.98%），有機(jī)質(zhì)含量0.04%～0.53%（平均0.3%）；易溶鹽含量2.1～9.4 g/kg，平均值5.2 g/kg；中溶鹽含量0.4～17.3 g/kg，平均值4.6 g/kg；pH 值8.18～8.71，均值8.33。

表2 填方土料場物理力學(xué)性質(zhì)表

圖1 高填方段土料及基礎(chǔ)粉土顆分曲線

2.2 渠道高填方段基礎(chǔ)穩(wěn)定分析

北山坡高填方段基礎(chǔ)巖性為第四系上更新統(tǒng)低液限粉土，其濕密度為1.39～1.99 g/cm3，干密度為1.34～1.69 g/cm3，比重多為2.69～2.72，含水率一般為2.2%～26.2%，液限為23%～30%，塑限為13.8%～18%，塑性指數(shù)8.4～13.6，自然狀態(tài)下粘聚力8～40 kPa、內(nèi)摩擦角為21.5°～29.0°，飽和狀態(tài)下粘聚力為16.5～35.4 kPa、內(nèi)摩擦角為18.5°～28.5°，壓縮模量ES0.1～0.3=2.75～20.08 MPa，壓縮系數(shù)av0.1～0.3=0.075～0.72 MPa-1。

填筑料含砂低液限粉土主要分布在山前丘陵區(qū)，濕密度1.46～1.79 g/cm3，干密度1.40～1.60 g/cm3，比重2.70，含水率1.8%～16.4%，液限22%～24%，塑限13.5%～15.2%，塑性指數(shù)7.8～8.2，壓縮模量ES0.1～0.3=3.70～7.69 MPa，飽和狀態(tài)下壓縮系數(shù)av0.1～0.3=0.26～0.46 MPa-1。

根據(jù)地勘及試驗(yàn)成果，該段基礎(chǔ)粉土具有中強(qiáng)濕陷性，中等濕陷下限深度3～5 m，采用強(qiáng)夯處理措施，消除濕陷后進(jìn)行填筑。

3 含砂低液限粉土壓實(shí)特性分散性分析

3.1 壓實(shí)特性

土體在壓實(shí)作用力下，通過破壞土顆粒間的粘結(jié)力，致土體中顆粒重新分布，較小顆粒被壓入較大顆粒間的孔隙中，從而降低土體的孔隙率，提高土體密度的工程措施通常稱為土的壓實(shí)，土體壓實(shí)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：1）能增加土體的強(qiáng)度，降低土基或路基的塑性變形；2）可顯著減少土體的透水性，降低毛細(xì)水上升高度；3）能減小基礎(chǔ)面土的滲透系數(shù)，減小飽水量，增加土基的穩(wěn)定性。

影響粉土工程壓實(shí)性的因素分固有特性和外在影響兩種[4]。物理力學(xué)性質(zhì)、土體含水率等為固有特性，外在影響則為壓實(shí)能量(如機(jī)械功率、壓實(shí)時(shí)間與速度、單層攤鋪厚度等)、壓實(shí)時(shí)的外界環(huán)境和施工因素。一般來說，最優(yōu)含水率及最大干容重是檢驗(yàn)粉土基礎(chǔ)壓實(shí)與否的關(guān)鍵性工程控制指標(biāo)。通常對于同一類土，其最優(yōu)含水率在一定范圍內(nèi)隨著壓實(shí)功的增加而減小，而最大干密度則隨著壓實(shí)功的增加而增大。有學(xué)者[5]對某工程區(qū)粉土進(jìn)行了較為全面的試驗(yàn)研究和理論分析，認(rèn)為粉土壓實(shí)機(jī)理與傳統(tǒng)壓實(shí)理論有很大的不同，粉質(zhì)土的最優(yōu)壓實(shí)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化對壓實(shí)特性有重要影響。通過ODS 法（Operational Defection Shapes)檢測粉土的自振頻率，結(jié)果表明在粉土壓實(shí)中，密實(shí)度增加的同時(shí)，其自振頻率也從低頻向高頻變化。因此,對于粉土基礎(chǔ)應(yīng)采用先低頻強(qiáng)振隨后再加高頻檔弱振的變頻方法作為碾壓措施。

3.2 分散性土工程特性及常見處理措施

2016 年3 月，現(xiàn)場巡檢中發(fā)現(xiàn)北山坡填方渠道（樁號(hào)81+970～82+769）經(jīng)過冬季積雪融化產(chǎn)生了沖蝕破壞，其與分散性土沖蝕破壞形狀有類似，故對該段填筑土料的分散性進(jìn)行取樣并分析研究。

3.2.1 分散性土的發(fā)現(xiàn)及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

分散性土是指土體中所含粘性土顆粒在水中散凝呈懸浮狀，受水沖蝕時(shí)離子相互間的排斥力超過引力,導(dǎo)致細(xì)顆粒之間的粘聚力大大降低,呈團(tuán)聚體存在的顆粒體自行分散成原級(jí)顆粒的土體。20 世紀(jì)50 年代的澳大利亞和美國首先發(fā)現(xiàn)和研究，并提出了分散性土的概念。分散性土在世界各地具有不同程度分布。我國在江蘇、山東、新疆、河南等10 多個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)）均有發(fā)現(xiàn)分布，其抗水蝕能力很差。

分散性土的最主要特性是遇水迅速擴(kuò)散,其根本原因在于凝膠體中的分子類型、濃度引起了土體中顆粒產(chǎn)生聚集或擴(kuò)散。在水溶液環(huán)境下，受離子吸附影響，當(dāng)土體中微粒分子間斥力超過引力時(shí),土體發(fā)生反絮凝的現(xiàn)象，部分土粒逐漸離析呈懸浮態(tài)。而泥水體內(nèi)部也由聚合態(tài)分散為無數(shù)單粒,當(dāng)土粒被水流帶走后，就會(huì)形成管涌和沖蝕。水體環(huán)境中溶解鹽類總量也往往反映了分散度的強(qiáng)弱程度，一般來說水體中溶解鹽濃度越小，分散性就越強(qiáng)，但在鹽濃度較高的水體環(huán)境中,分散性就會(huì)降低甚至消失[6]。

從土體分類塑性圖上來看，分散性土多是介于A 線之上的粘質(zhì)土。其主要黏土礦物是蒙脫石、部分伊利石等。普通土體出現(xiàn)侵蝕破壞必須具備足夠高的滲透比降，而分散性土則具有極高的水敏性,即便在靜水中部分膠狀微粒也會(huì)成為懸浮物質(zhì)被慢速水流帶走而發(fā)生水蝕破壞,這也是普通土體和分散土發(fā)生侵蝕變形破壞的主要不同點(diǎn)。關(guān)于分散性土壤的判定標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法見表3。

3.2.2 工程區(qū)低液限粉土分散性分析

渠道發(fā)生沖蝕破壞后，現(xiàn)場取4 組樣本進(jìn)行雙比重計(jì)法、孔隙水溶液法、針孔法及碎塊法試驗(yàn)，參照相關(guān)規(guī)程規(guī)范及表3 的判別標(biāo)準(zhǔn)，4 組試驗(yàn)所得試驗(yàn)結(jié)論并不一致。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看：雙密度計(jì)試驗(yàn)有兩組為過渡性土；碎塊試驗(yàn)反應(yīng)試樣存在遇水坍塌的現(xiàn)象；針孔試驗(yàn)除一組完成外，其余均在通水瞬間發(fā)生坍塌，故試驗(yàn)不成功。渠道粘土的分散性：1）試樣中水溶鹽含量為0.70%～0.97%，對土料分散性無促進(jìn)影響；2）試樣中所含粘土礦物主要為綠泥石及伊利石，對土料分散性無促進(jìn)影響；3）試樣中粒徑大于0.075 mm 粗粒組含量占16.8%～35.7%，粉粒組0.005～0.075 mm 的含量相對較大，據(jù)此分析可能因土樣中粘粒組顆粒含量較少，導(dǎo)致工程區(qū)粉土基礎(chǔ)不耐沖蝕，其破壞機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

表3 分散性土的判別標(biāo)準(zhǔn)及檢測方法

4 結(jié)論與建議

該渠道工程因線路較長，穿越多個(gè)地層及地貌單元，在北山坡高填方段主要為第四系上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)黃土及含砂低液限粉土層，具有濕陷性，對于此類填方段渠道工程建議如下。

1）填方段渠道基礎(chǔ)處理。必須消除該段粉土基礎(chǔ)中強(qiáng)濕陷性，一般采用強(qiáng)夯及翻曬換填等方法予以消除。強(qiáng)夯選擇較小點(diǎn)夯性能和較多夯點(diǎn)次數(shù)的點(diǎn)夯施工技術(shù)，即點(diǎn)夯加滿夯實(shí)的施工方式，通常可達(dá)到較好的地基加固處理效果。

2）低液限含砂粉土填方料工程性能改良及壓實(shí)控制。參考對含砂低液限粉土自身特性的研究成果，分析壓實(shí)機(jī)理，用單一指標(biāo)控制粉土基礎(chǔ)壓實(shí)質(zhì)量存在不確定性，合適的振幅與頻率是粉性土壓實(shí)的關(guān)鍵，同時(shí)要嚴(yán)格控制含水率。低液限粉土具有部分砂土的特性，對水具有一定敏感性，一旦超過最優(yōu)含水率，它的壓實(shí)性能會(huì)快速下降。建議解決方案：①粉土改良，可以摻配砂礫、粉煤灰及混凝土等多種材料，通過加筋的方式進(jìn)行改良[7]，具體措施可以視工程實(shí)際情況比較決定；②在粉土填筑及基礎(chǔ)壓實(shí)處理中,宜首先使用低頻強(qiáng)共振,然后再切換至高頻檔進(jìn)行弱振動(dòng)的變頻碾壓方式，并嚴(yán)格控制灑水量。

3）工程區(qū)含砂低液限粉土分散性及抗沖蝕分析，對北山坡填方料取樣實(shí)驗(yàn)分析填方土料場的個(gè)別土層屬于過渡性土，導(dǎo)致填方料或部分層位出現(xiàn)沖蝕破壞現(xiàn)象，但大部分沖蝕破壞另有原因，其可能因?yàn)橥翗又姓沉＝M顆粒所占比例較低導(dǎo)致其抗沖蝕能力差，破壞機(jī)理有待進(jìn)一步研究。建議土料中摻拌石灰和水泥，對土料進(jìn)行改性，提高土的工程壓實(shí)特性、工程穩(wěn)定特性。