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水利工程论文-长江堤防深层搅拌水泥土防渗墙设计指标探讨.doc水利工程论文-长江堤防深层搅拌水泥土防渗墙设计指标探讨.doc -- 2 元

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水利工程论文长江堤防深层搅拌水泥土防渗墙设计指标探讨摘要在长江重要堤防隐蔽工程的垂直防渗施工工法中,深搅水泥土防渗墙工法占多数。对深层搅拌水泥土防渗墙的有关设计指标应包括防渗墙厚度、渗透系数、抗压强度和允许比降等,在长江堤防深层搅拌水泥土防渗墙设计指标中渗透系数是控制性指标,因此防渗墙渗透系数在10-6cm/s时,量级、厚度不小于0.2m是合适的,以水泥土90d龄期的抗压强度作为标准强度,防渗墙抗压强度设计值不低于0.5MPa,允许比降可以不作为控制性指标。关键词长江堤防深层搅拌水泥土防渗墙设计指标一、深搅水泥土防渗墙功能和材料特点分析1.深搅水泥土防渗墙结构和功能深搅水泥土防渗墙是由水泥土搅拌桩多桩搭接而形成连续密实的墙体。水泥土搅拌桩加固地基是通过每一个独立桩组成的桩群来实现的,防止堤防渗透破坏则需要建立起连续完整的桩墙(即深搅水泥土防渗墙),从这个意义上讲,将搅拌桩技术用于防渗要比加固地基的要求高,难度也大。与水泥土深层搅拌桩不同,深搅水泥土防渗墙的主要功能是在截渗或增加渗径,提高堤防的抗渗能力,深搅水泥土防渗墙本身不是传统意义上的承载结构,故防渗墙应达到的主要性能指标也与加固地基的搅拌桩不同,讨论防渗墙设计指标时应围绕堤防工程特点和防渗要求进行。深搅水泥土防渗墙技术大规模应用于水利工程是近几年的事情,防渗墙的设计内容包括墙体位置、墙体深度、墙体厚度以及墙体材料物理力学参数(渗透系数、抗压强度、允许渗透比降)和相应的水泥掺量等。其中防渗墙位置、深度以及水泥掺入量视深搅水泥土防渗墙的功能要求和施工条件等因素的不同而定。为简化起见,本文主要针对堤基防渗墙的设计指标进行讨论,重点对防渗墙渗透系数、厚度、允许比降和强度指标的合理范围进行较为深入的探讨。堤身防渗墙如果是用于隐患处理(如切断堤身内的横向裂缝或生物洞穴),则应针对性地考虑其设计指标,这里不做讨论。长江重要堤防的断面为顶宽一般为8~10m,堤身高度在6~10m之间,内外坡比均为1∶3。设计水头一般在8m以下。长江堤防除个别堤段有新培土(新培土层一般不超过2m),绝大多数为老堤,已有数百年的历史,在以下的讨论中均指的是老堤的加固工程,并且认为老堤已经完成固结过程。2.水泥土材料特性概述根据大量试验研究结果可知,影响水泥土的抗渗性能和力学性能的主要因素有水泥掺量和水泥标号,被加固土质特性和含水量,拌和程度,成型环境和龄期。下面重点讨论水泥土抗压强度与龄期的关系以及水泥土的破坏机理等,它们直接影响抗压强度的设计取用值。水泥土的抗压强度随龄期的增加而增加,渗透系数随龄期的增长不断变小。长江堤防的几种常见土质类型,如淤泥、粉质黏土、壤土、极细砂等,在掺入水泥后的抗压强度随龄期增长的规律有一定的差异。室内试验结果表明粉细砂、粉土、粉质黏土在实验室条件下制备的水泥土,不同龄期的抗压强度的大致比例(以90d龄期的强度为比较基准1)为28d龄期为0.5~0.7180d龄期为1.1~1.3。水泥土抗压强度设计取值究竟应采用何种龄期的指标为标准,应根据水泥土力学性能的龄期特性以及防渗墙的施工进度和实际承载时间等综合考虑。长江堤防工程深搅水泥土防渗墙的施工主要在非汛期进行,防渗墙竣工后至汛期承担设计水头还有一段时间。因此,考虑到长江堤防工程深搅水泥土防渗墙的施工进度、防渗墙实际的承载时间以及水泥土材料的特性等综合因素,本文建议深搅水泥土防渗墙抗压强度设计值取用90d龄期的抗压强度值。室内试验结果表明,在单轴压缩条件下,水泥土呈现压缩破坏在三轴剪切试验中,水泥土则呈现剪切破坏,有清晰的剪切面。堤防工程深搅水泥土防渗墙处于堤身和堤基内部,承受一定的围压作用,其力学破坏类型为剪切破坏。因此,用剪应力水平来评价深搅水泥土防渗墙的力学稳定性更为合理。二、水泥土防渗墙抗渗透性指标的合理范围1.深搅水泥土防渗墙渗透系数从堤防加固工程中防渗墙的功能看,其防渗功能是第一位的。所以墙体的抗渗透性能至关重要。若按等效渗径方法近似考虑,防渗墙渗透系数比原土层的渗透系数降低多少倍,就等于渗径延长至多少倍。所以从渗流理论上讲,防渗墙渗透性与其所穿过地层的渗透系数之间的比例关系和墙体厚度一起决定了防渗墙所能起到的防渗作用。从长江重要堤防的地层条件看,浅部粉质黏土、粉质壤土层的渗透系数一般在10-6~10-5cm/s量级,它们存在的问题主要是密实度(固结程度)不够,或由于陆相沉积环境的频繁变化使得土性不均匀,常见有砂壤土、粉细砂夹层或透镜体,深搅水泥土防渗墙在这类地层中的任务主要是提高胶结程度,并形成一道防渗性能均匀的墙体。表层或浅部的砂壤土、粉砂、细砂土层是造成长江重要堤防堤基险情的主要原因,因而是深搅水泥土防渗墙的主要处理对象,其天然状态下的渗透系数一般在10-4~10-3cm/s量级。采用半封闭式防渗墙的典型结构模型和分析方法,可以对比研究防渗墙渗透系数对渗控效果的影响1。防渗依托层渗透系数为110-6cm/s,厚度为10m,其下伏强透水层渗透系数为0.01cm/s,河泓切穿防渗依托层,其他条件详见文献2。防渗墙厚度为20cm,对比计算了渗透系数由510-7cm/s逐渐增大至510-5cm/s共5种条件。令KR为防渗墙渗透系数与被其切穿的第一层强透水层渗透系数(110-3cm/s)的比值。图1是平台脚垂直出逸比降随KR值的变化曲线。由图可见,渗控效果随KR值的增大而急剧降低,当墙体比强透水层的渗透系数仅小一个量级时,其渗控效果很小,堤后渗流状态与无防渗墙时差别不大。由此可见防渗墙低渗透性的重要意义。从堤防工程防渗墙的防渗功能看,防渗墙的渗透系数当然是越小越好,但防渗墙渗透系数的降低还受到施工技术和成本的限制。从目前绝大多数施工企业的施工1≤2.防渗墙厚度和允许渗透比降(1)深搅水泥土防渗墙的厚度长江堤防工程中使用的都是单排桩深搅水泥土防渗墙,这意味着每根桩以及每相邻两根桩的搭接部分都必须满足设计指标要求。所以防渗墙的厚度指标是指其最小厚度。同样可以用半封闭式防渗墙结构模型分析防渗墙厚度对渗控效果的影响。防渗墙≤20、25和30cm等几种情况,其他条件同文献2。模拟结果表明,平台脚垂直出逸比降随防渗墙厚度增大而降低,在这几种厚度条件下,两者近乎线性关系。令防渗墙厚度与其渗透系数的比值为TKR,这一变量综合反映了防渗墙的两项关键指标。图2是平台脚垂直出逸比降随TKR值的变化曲线。由图可见,随TKR值的增大,渗控效果显著增强。综合考虑技术、经济等因素,本文建议目前堤防工程深搅水泥土防渗墙的厚度宜不低于20cm。(2)深搅水泥土防渗墙的允许比降深搅水泥土防渗墙的允许比降J允可用下式表示J允=ΔH/D/ηη为安全系数。从目前已掌握的长江流域堤防情况看,防渗墙承担的实际作用水头一般小于8m,最大不超过10m。如果按最小墙厚20cm承受全部作用水头考虑,根据允许比降的定义,承受10m的作用水头时防渗墙内的渗流比降为50,所以50的允许比降应该能够满足一般要求。值得指出的是,深搅水泥土防渗墙的渗透变形机理与黏性土相似程度如何目前还缺乏足够的实验研究,但可以肯定目前搅拌工法建成的深搅水泥土防渗墙不具备已知的四种形式渗透破坏的形成条件3,而且长江堤防中防渗墙的作用水头也较小,因此,允许渗透比降可以不作为长江堤防工程防渗墙的控制指标。3.深搅水泥土防渗墙的抗压强度下面通过对堤防工程深搅水泥土防渗墙应力应变计算,揭示不同条件下防渗墙的受力状态,结合水泥土材料的力学特性和长江重要堤防隐蔽工程的特点,综合讨
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