葛溝灌區(qū)節(jié)水改造工程中改三合土防滲方案研究

葛溝灌區(qū)節(jié)水改造工程中改三合土防滲方案研究

山東省泉州市葛溝區(qū)節(jié)水改造工程是1999年國家基本建設計劃中列入普通工程的大型節(jié)水改造項目，包括6.6公里總干管和8.9公里總干管的護坡和清洗模。為了提高抗?jié)B效果，結(jié)合新材料和新技術(shù)，指揮部決定在23.0.709.25.380m以上渠道底部采用原三合土防滲，并將其轉(zhuǎn)化為土壤固化處理。由中國科學技術(shù)推廣中心推薦，在中國奧技技術(shù)推廣有限公司的指導下，用固體處理渠道底部，處理面積2.51萬米，并用固體300噸。1國內(nèi)土壤固化劑自20世紀初一些經(jīng)濟發(fā)達國家在興建道路、港口、機場等工程中,采用土壤固化技術(shù)如使用石灰、水泥對土壤進行改良以來,取得了良好的效果.在20世紀70年代,美、日、德等國家對土壤改良技術(shù)進行了深層次的開發(fā),技術(shù)水平獲得長足進步,改良土壤的材料由原來單一的石灰、水泥、粉煤灰等,發(fā)展到專門用來固結(jié)土壤的新材料——土壤固化劑,目前國外已廣泛使用于道路、土木建筑、環(huán)境保護、農(nóng)田水利工程等各個領域.我國目前土壤固化技術(shù)基本處于國外20世紀六七十年代的水平,主要沿用單一的石灰、水泥、粉煤灰等作為拌和物.1994年,北京中土奧特賽特科技發(fā)展有限公司從日本引進先進的無公害、高性能土壤固化劑生產(chǎn)技術(shù),生產(chǎn)的土壤固化劑具有較高的性能價格比,先后被列為1997年國家級星火計劃和1999年國家重點技術(shù)創(chuàng)新項目,水利部科技推廣中心也要求在水利工程中進行推廣使用.中土奧特賽特科技發(fā)展有限公司開發(fā)的Aught-set(As)系列土壤固化劑,有C1型、D1型、B1型等,目前已形成規(guī)模生產(chǎn).該產(chǎn)品按照北京中土奧特賽特固化劑研究開發(fā)中心企業(yè)標準Q/ZASH8981999生產(chǎn),細度(80μm篩余)6.4%,SO3含量不超過4.0%,符合要求.自1998年以來,先后在中南海清淤工程、昆玉線河底改良固化工程、釣魚臺湖底固化工程、永定河防滲加固工程等水利工程中得到應用.中國水利水電科學研究院巖土所對中土奧特賽特公司與山東高密亞盛水利機械研制有限公司共同合作的土質(zhì)U形渠構(gòu)件進行了強度和滲透性試驗;北京市水利科學研究所對土壤固化劑在水利工程應用的室內(nèi)研究已完成,這都為固化劑廣泛應用提供了技術(shù)保障.這次在大型灌區(qū)渠道防滲工程中大面積推廣試驗取得成功,積累了一定的施工經(jīng)驗,為該材料的推廣應用打下了良好的基礎.1.1針對不同黏土礦物的化學改性a.土體經(jīng)過固化劑處理后,在成型壓力作用下,顆粒緊密接觸,在土壤顆粒附近,固化劑水化生成水化硅酸鈣、沸石、方鈉石及硅酸等物質(zhì),使黏土顆粒表面形成凝結(jié)硬化殼.固化劑的激活組分以不同的方式滲入顆粒內(nèi)部,與黏土礦物發(fā)生物理化學作用,形成水鋁酸鹽、水硅酸鹽等膠凝物質(zhì),使黏土顆粒表面產(chǎn)生不可逆凝結(jié)固化,固化后的黏土具有水穩(wěn)定性和強度穩(wěn)定性.b.極性水分子和OH-離子進入黏土內(nèi)部空穴,使土體分散,比表面積增加.這些被分散的黏土顆粒表面一般帶有負電荷,其動電電位增大,固化劑的某種成分可代換土體中凝聚能力低的離子,降低動電電位,促使黏土顆粒凝聚,同時電解質(zhì)濃度增加,膠粒雙電層減薄,也有利于顆粒凝聚.c.疏松土體的聯(lián)結(jié),主要是靠礦物與膠結(jié)物界面上的化學力實現(xiàn)的,層狀硅酸鹽自身建立空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);固化劑的主要水化產(chǎn)物以及其與黏土礦物反應的生成物,均屬上述膠結(jié)物之一,能牢固地膠結(jié)分散的土壤顆粒,增強和加固這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使之成為一個具有較高強度的整體.1.2提高固結(jié)土性能固化劑中含有的化學成分使固化顆粒和土壤顆粒表面活性化,在水化反應過程中,使固化劑本身比表面積增加了幾百倍,因此,即使粒徑范圍很小的土壤也可以固化(見表1).同時根據(jù)工程性質(zhì)和施工要求,可隨意調(diào)整延遲時間,并能使固結(jié)土體收縮量減小,充分提高固結(jié)土的抗?jié)B、抗凍、抗裂性能.2土壤固化的使用2.1土壤水分分析葛溝灌區(qū)節(jié)水改造工程對總干渠23+709~25+380段土渠底部采用土壤固化劑處理,工程施工前,自試驗段渠底根據(jù)土質(zhì)情況選擇了5個代表點,現(xiàn)場取原狀軟弱土樣30kg,由北京中土奧特賽特科技發(fā)展有限公司通過室內(nèi)試驗,確定采用As普通B型1.0級土壤固化劑,其成分見表2.該工程設計固化渠底土壤厚度15cm,固化劑摻加量10%(重量比).2.2表層加固法渠底固化施工方法,由現(xiàn)場施工規(guī)模、施工目的、土質(zhì)、成本、加固深度等條件綜合確定.該工程固化土層深度15cm,屬表層加固.根據(jù)As土壤固化劑技術(shù)要求,表層加固法的施工步驟為:散布、攤鋪、攪拌、碾壓.因工期緊,雖然面積較大,但分段多,需同期固化,因此施工中沒有選用專用土料拌和機,而采用了上海50型拖拉機牽引旋耕機翻拌,使用10t輪胎式振動碾壓路機碾壓.2.3施工過程土壤固化劑固化處理渠底的施工工藝流程為:施工場地平整→測定土類及含水量→擺放和攤鋪固化劑→混合攪拌→碾壓密實→養(yǎng)護.2.4固化土壤侵性測定a.場地平整.開挖完成的渠底,應由測量人員按設計渠底高程定樁,用推土機或平土機找平,并除去樹根、草皮、亂石等雜物.b.測量土壤類別和含水量.本工程土壤為黏性壤土,含水量為20%(一般控制在18%~30%為宜),含水量低時要補水,含水量高時要進行翻曬.c.鋪撒固化劑.在平整好的場地上,標定縱橫網(wǎng)格,以利固化劑的攤鋪.本工程按設計配合比摻量10%,拌和深度15cm,計算每袋(50kg裝)固化劑鋪撒面積3.33m2,人工破袋,鋪撒均勻,測量土壤含水量在18%~30%之間,符合要求.d.混合攪拌.用五鏵犁或圓盤耙翻拌2~3遍,人工配合把翻拌出的非土物清出場外,再用旋耕機翻拌2~3遍.旋耕由淺至深,翻拌深度控制在15cm,用插入法檢查,偏差控制在2cm.要注意搭接處的翻拌搭接寬度為翻拌機械寬的1/3.本工程使用上海50型拖拉機牽引2.0m寬旋耕機拌和,如大面積施工,可使用專用土料拌和機進行流水作業(yè),效果更佳.e.碾壓.拌和好的土壤要及時用平碾碾壓,6h內(nèi)碾壓完成,碾壓2~3遍.本工程使用10t輪胎驅(qū)動式平碾壓路機加振動碾壓;接縫搭接寬度為1/3碾身長度(不小于50cm).檢測碾壓密實度達1.60t/m3,含水量20%,要求相對密實度控制在90%以上.f.養(yǎng)護.在大風及高溫干燥天氣,水分揮發(fā)快,要及時灑水.碾壓完畢,最好用塑料薄膜覆蓋2~3d后再灑水濕潤養(yǎng)護,養(yǎng)護期2~3d.養(yǎng)護期內(nèi)每日灑水3~4次,灑水時不得用水直接沖擊固化土表面,對已成型的固化地段注意保護,7d內(nèi)不得上重車或重物.2.5施工質(zhì)量管理a.固化劑作為新型土工材料,要求施工前對施工段地質(zhì)情況進行詳細勘察,選擇代表性的土樣化驗,確定使用固化劑型號、摻量,并及時與生產(chǎn)單位簽訂合同,確保工程順利進行.b.要求施工單位配備性能良好的拌和、碾壓機械,并有足夠的勞力配合,同時,準備必要的噴灑設備以便灑水養(yǎng)護.c.由于土壤含水量及天氣情況對施工質(zhì)量影響較大,當土壤含水量適宜時,應分段及時鋪撒固化劑,并在規(guī)定時間內(nèi)完成拌和、碾壓,以防影響工程質(zhì)量,夏季施工更要注意.d.施工中,對拌和、碾壓層要及時取樣,測定干密度,并取試塊分別檢測7d,28d抗壓強度等指標.2.6潮遮、修補.a.固化劑的運轉(zhuǎn)和儲存不得受潮.在碼放時,必需設置垛底,垛高不超過15袋,上部進行防雨、防潮遮蓋.b.根據(jù)一次需要固化的面積,按照配合比計算出固化劑用量的整袋數(shù)目,一次鋪撒完成.c.從拌和到碾壓完成,時間不能超過6h.d.碾壓后若出現(xiàn)“壓縮裂紋”、“彈簧”、“松散”、“起皮”等現(xiàn)象,應在施工技術(shù)人員的指導下進行修補.修補應在7d齡期后進行,一般修補厚度不小于50mm.3土壤固化的應用效果3.1固化層運行效果工程完成后,對土壤固化劑加固效果進行檢測試驗,結(jié)果見表3.由表3可見,固化前土壤含水量在12%~26%之間,有2處含水量偏小地段,施工翻拌前進行了灑水濕潤.固化碾壓后的密實度達到90%以上,但沿渠擋土墻內(nèi)側(cè)邊沿(寬約30cm)范圍,因機械施工,不便采用人工夯實,密實度較差.根據(jù)試驗結(jié)果并結(jié)合其它工程試驗資料,固化劑強度至14d左右增長平穩(wěn),14d后受激發(fā)素影響,強度增長率大幅度提高.而原土質(zhì)渠底的滲透系數(shù),由固化前為1.0×10-5?cm/s,經(jīng)固化壓實后,達到了5×10-7?cm/s.可見渠底土壤經(jīng)固化處理后,抗?jié)B性能有很大改善.工程加固后2a的運行情況表明,固化層堅固、穩(wěn)定、性能良好.3.2固化劑和混凝土的施工a.優(yōu)點.固化劑經(jīng)過北京市環(huán)境監(jiān)測部門檢驗證明,無毒、無公害,滿足水質(zhì)毒理化學分析要求,可以成為21世紀的綠色建筑產(chǎn)品(見表4).固化劑施工簡便、迅速,工期較現(xiàn)澆混凝土和預制混凝土板鋪砌均有較大的縮短(可縮短一半工期),工程質(zhì)量有一定的保證,工程造價遠低于現(xiàn)澆混凝土和預制混凝土板,綜合計算節(jié)約60%(見表5).固化劑施工基本上無噪聲,不用振搗,采用機械化施工,人工少,減少環(huán)境污染