樸春紅

(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110166)

水下壩體基礎(chǔ)填土飽和度研究及工程應(yīng)用

樸春紅

(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110166)

飽和度系數(shù)主要是通過(guò)含水率轉(zhuǎn)換得到,但是對(duì)于長(zhǎng)期處在水環(huán)境侵泡的壩體來(lái)說(shuō),采取烘干的方式進(jìn)行取樣計(jì)算含水率,獲取的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,含水率的值比真實(shí)值大,導(dǎo)致飽和度計(jì)算不精確。深入研究土體顆粒之間水的分布情況,并發(fā)現(xiàn)飽和度偏高是由于試驗(yàn)中水分散失引起。利用土力學(xué)理論知識(shí),建立飽和土的二項(xiàng)體模型,對(duì)飽和度和結(jié)合水關(guān)系進(jìn)行定量研究。

填土;飽和度;弱結(jié)合水;二相體系模型

飽和度是土體試驗(yàn)中一個(gè)非常重要的數(shù)據(jù)，對(duì)于注漿和基坑回填工程［1］具有非常重要的意義。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，填土中含有大量的親水物質(zhì)，這些物質(zhì)的某些物理性質(zhì)將會(huì)影響飽和度。以注漿為例，根據(jù)飽和度可以更加容易的判斷出建筑是否被成功的加固。正常情況下，飽和度不能大于1，但是在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，飽和度大于1的情況［3］比比皆是。因此之前的試驗(yàn)方法不能夠用于實(shí)際操作中，本文將在這方面進(jìn)行深入分析研究。

1 水土相互作用

1.1 土粒周?chē)Y(jié)合水分布特點(diǎn)

在基坑工程中，經(jīng)常進(jìn)行回填處理，回填的土往往是帶有電性的，并且與水接觸后，附近的液體就會(huì)被電離，與填土構(gòu)成雙電層，在同性相斥，異性相吸的規(guī)律作用下，帶有相同電荷的土粒將會(huì)分離。距離不斷的增大，并且土中空隙內(nèi)外的液體濃度相同時(shí)，空隙擴(kuò)展停止，形成一個(gè)擴(kuò)散層。根據(jù)物理知識(shí)可知，這個(gè)擴(kuò)散層可以用下述表達(dá)式表示:

式中:φ為擴(kuò)散層中離土粒表面距離為x處的電位，單位:V;φ0為土粒表面電位，單位:V;K為擴(kuò)散層厚度參數(shù)，單位:L/c m。

土顆粒之間的引力大小不但受到電荷的大小的影響，還受距離的影響，一般是成反比的關(guān)系。然后為了計(jì)算方便以及修正精確度，加入相關(guān)系數(shù)ξ［4］。所以，可以把水、土粒之間受力簡(jiǎn)化成:f= ξ*f0，式中:f為水、土粒間作用力，N;ξ為引力系數(shù);f0為水、土粒間作用力基準(zhǔn)值。ξ的計(jì)算值見(jiàn)表1。

表1 ξ取值

根據(jù)表1我們可以得到，隨著空隙的不斷增大，土粒和水分子之間的吸引力不斷減小，當(dāng)擴(kuò)散層達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，這個(gè)吸引力將會(huì)逐漸趨于一個(gè)常數(shù)。

2 飽和度計(jì)算

2.1 基本公式

填土中的弱結(jié)合水的飽和度利用現(xiàn)行的方法無(wú)法直接進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)得，在實(shí)際生產(chǎn)生活中，通過(guò)土力學(xué)中所學(xué)到的知識(shí)，可以通過(guò)已知量推導(dǎo)未知量。利用本文研究，孔隙比可以利用其他相關(guān)數(shù)據(jù)推導(dǎo)獲得，這樣對(duì)于土中弱結(jié)合水的飽和度影響最大的一個(gè)因素就變成了土的重力水的含水量。

式中:Sr為土的飽和度;w為含水率;ρ為密度，g·c m-3;ds為土粒相對(duì)密度，g·c m-3。

結(jié)合物理和數(shù)學(xué)的相關(guān)知識(shí)，不難得出結(jié)論:影響飽和度最大的一個(gè)因素是含水量。

2.2 飽和度相關(guān)參數(shù)

在研究的過(guò)程中，我們把土試樣視為完全飽和，并通過(guò)下面的模型進(jìn)行分析。如圖1所示。

假設(shè)選取土的試驗(yàn)的體積為單位量，也就是1，并且土中空隙都被水充滿(mǎn)，不含有任何氣體;假設(shè)測(cè)試含水率的試驗(yàn)中，由Vw為土中水的體積，土中蒸發(fā)出的水的體積為Vj，并且剩余土的體積是Vs;對(duì)應(yīng)于自由水、弱結(jié)合水、土粒和土的密度分別為:ρw、ρj、ds、ρ。

式中:Vv為空隙體積，c m-3;Vj為蒸發(fā)的水的體積，c m-3;Vs剩余土的體積，c m-3;ρw自由水密度，g·c m-3;ρj弱結(jié)合水密度，g·c m-3;ds土粒密度，g·c m-3;ρ土自然密度，g·c m-3。

考慮部分散失的弱結(jié)合水時(shí)，土的含水率w定義為:

這樣可以解出VV、Vj、Vs，從而推出自由水的含水率公式w0以及弱結(jié)合水含水率公式wj:

3 飽和度修正意義

3.1 數(shù)據(jù)資料

我國(guó)對(duì)壩體抗擊洪水的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)有著明確的強(qiáng)度規(guī)定，因此對(duì)于遼寧省內(nèi)的一些堤壩需要進(jìn)行重新加固。但是由于堤壩修筑年代久遠(yuǎn)，一些基本數(shù)據(jù)已經(jīng)流失，需要重新對(duì)堤壩進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)。選取恒仁水壩進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表2，堤壩的地基的主要材料為粘性土，并且土中的孔隙比明顯偏大，干密度卻比標(biāo)準(zhǔn)要小，弱結(jié)合水的飽和度大于1。按照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，這段堤壩已經(jīng)不能再進(jìn)行工作，但是在特大洪水中，這段堤壩不僅能夠發(fā)揮抗洪功能，并且起到了最關(guān)鍵的作用。按照本文的研究結(jié)果，對(duì)土試樣的物理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 大堤土工試驗(yàn)成果表

表3 修正后大堤土樣指標(biāo)表

3.2 修正結(jié)果討論

3.2.1 飽和度與弱結(jié)合水關(guān)系

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得知，弱結(jié)合水的含量見(jiàn)表2。而飽和度和弱結(jié)合水的關(guān)系如圖2所示，從圖中很明顯可以發(fā)現(xiàn)弱結(jié)合水和飽和度之間存在著非常精確的函數(shù)關(guān)系，由此可以解釋為什么飽和度的實(shí)際測(cè)量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論值。

圖2 飽和度和弱結(jié)合水之間的關(guān)系圖

3.2.2 孔隙比與弱結(jié)合水關(guān)系

由圖3和圖4可知，弱結(jié)合水的溢出現(xiàn)象和圖中的孔隙比有著一定的關(guān)系，原因是填土中存在著一定量的弱結(jié)合水，因此實(shí)際計(jì)算出的孔隙比將大于實(shí)際數(shù)值，并且孔隙比的結(jié)果和弱結(jié)合水的含量成正相關(guān)。

圖3 孔隙比與結(jié)合水關(guān)系圖

圖4 孔隙比差值與弱結(jié)合水關(guān)系圖

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

本溪桓仁東方紅水電站位于深度比較厚的覆蓋層面上，在基礎(chǔ)上面主要是利用混凝土防滲墻。軸線(xiàn)的總長(zhǎng)度為260m，墻體的厚度為0.9m，可以設(shè)置的最大的深度為56m，兩側(cè)邊坡部分所嵌入的基本的巖石將達(dá)到1m。在加固過(guò)程中進(jìn)行了注漿，根據(jù)前面的討論，我們從壩體底部采取的試樣進(jìn)行了試驗(yàn)。

4.2 土中親水礦物或有機(jī)質(zhì)含量判定

由于親水礦物的特殊性質(zhì)或者有機(jī)物的特殊物理性質(zhì)，使得含水量監(jiān)測(cè)變得十分困難，因?yàn)檫@些特性會(huì)增強(qiáng)土吸附水的能力，從而無(wú)法得出正確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。運(yùn)用本文的成果，則原先計(jì)算出的含水量大小也會(huì)受到相應(yīng)因素的影響，表現(xiàn)為含水量變大，見(jiàn)表4和圖5，主要是因?yàn)槲皆谕令w粒上的水與土顆粒脫離，融入到原有的水中。

4.3 注漿施工效果判別

根據(jù)對(duì)完全飽和土的分析發(fā)現(xiàn)，在完全飽和土中空隙非常大，但是這并不影響土粒之間的連接，反而由于這一特性讓壓力能夠更加快速的傳遞，將濃漿注入到地層中的時(shí)候，需要依據(jù)這個(gè)對(duì)壓力和流速進(jìn)行控制，如果控制不好壓力和流速則會(huì)嚴(yán)重影響注漿效果，影響施工。由于吸漿能力的不同，在完全飽和土劈裂后，我們需要迅速的更換漿液，并根據(jù)對(duì)完全飽和土的分析來(lái)有計(jì)劃地改變漿液的成分。

表4 土樣指標(biāo)表

圖5 飽和度分析后對(duì)比曲線(xiàn)

5 結(jié)語(yǔ)

水工建筑修建的地基不同，將會(huì)使得計(jì)算的得到的受力不同，導(dǎo)致選取的基礎(chǔ)就會(huì)存在差異，通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，弱結(jié)合水的飽和度以及干密度等之間存在一定的關(guān)系，但是由于試驗(yàn)中受到一些不可抗拒因素的影響，致使試驗(yàn)結(jié)果有一定的偏差。根據(jù)土、水相互作用性質(zhì)，分析土顆粒周?chē)Y(jié)合水分布特點(diǎn)，指出浸水大堤填土試樣飽和度偏高的原因在于烘干試驗(yàn)中有部分弱結(jié)合水逸出。根據(jù)經(jīng)典土力學(xué)理論，對(duì)飽和度與弱結(jié)合水含量間的關(guān)系進(jìn)行定量分析，判讀水中是否有親水物質(zhì)，并在本溪恒仁東方紅水電站工程中成功進(jìn)行應(yīng)用。

［1］侯繼祥.堤基滲透破壞機(jī)理及控制方法探討［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2015(07).

［2］馬曉麗，李德祥，錢(qián)志文.堤壩防滲設(shè)計(jì)在水利工程中的應(yīng)用［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2015(10):99-101.

［3］蔡江東，姜振泉，朱術(shù)云.山東某礦深部黏性土飽和度修正及其工程意義［J］.能源技術(shù)與管理，2009(01):96-98.

［4］蔡江東，姜振泉.浸水大堤黏性土填筑質(zhì)量判別［J］.人民黃河，2008(09):18-19+21.

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1008-1305(2016)05-0106-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.037

2015-11-20

樸春紅(1985年—)，女，工程師。