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浅谈天然砂砾石在河道工程施工应用

发表时间：2020/12/15 来源：《基层建设》2020年第24期作者：张丛笑张丛伟

[导读] 摘要：天然砂砾是最佳的筑路材料，易密实，承载力高，抗毛细水破坏作用强，重要成分是卵砾石，另外含有土、沙等细粒物质；同混凝土相比，又具有施工快速方便，造价低廉的特点，并且对骨料要求低，可就地取材，几乎对工程所在地环境不构成污染，己经在国内外诸多水利工程中得到应用。

        孟津河务局河南孟津 471123
        摘要：天然砂砾是最佳的筑路材料，易密实，承载力高，抗毛细水破坏作用强，重要成分是卵砾石，另外含有土、沙等细粒物质；同混凝土相比，又具有施工快速方便，造价低廉的特点，并且对骨料要求低，可就地取材，几乎对工程所在地环境不构成污染，己经在国内外诸多水利工程中得到应用。但是国内对天然砂砾石材料的研究起步相对较晚，而且大都是把它当做围堰等临时性水利工程的填筑材料，若想在河道工程中推广应用，还须对其配合比设计方法做进一步的研究。
        关键词：天然砂砾石；河道工程施工
        引言
        从20世纪70年代开始，我国水利行业的专家和学者就注意到了天然砂砾石，著名的水利专家提出了天然砂砾石用在河道的简单思想，用一种水泥掺量少于混凝土的材料，修建一种体积上介于土石坝和混凝土坝之间的河道，河道的上游面用透水性较低的防渗墙防渗。其后用体积较大的天然砂砾石体构成砂砾石河道。
        1.天然砂砾石级配统计分析
        （1）《土的分类标准》中规定：土的级配根据不均匀系数（Cu）和曲率系数（Cc）
        来评价，应符合下列规定：当Cu<5时称为匀粒土，表示土的级配不良；Cu越大，表示粒径分布越广，Cu>10的土级配良好，但Cu过大，表示可能缺失中间粒径，属不连续级配，故需同时用曲率系数来评价。当不均匀系数Cu>5，且曲率系数Cc为1~3时，土的级配良好。
        （2）细骨料是指粒径小于5mm的颗粒，细骨料含量对天然砂砾石强度具有重要影响。细骨料含量过少，天然砂砾石骨架间无法填充密实，导致其表面存在空洞，对其耐久性不利；然而细骨料含量过多，会造成天然材料用量增加，不利于降低工程造价。水利部颁布的《胶结颗粒料筑坝技术导则》（征求意见稿）中要求细骨料含量宜在18.0%-32.0%之间，并称之为最优区间。在13.0%~35.7%之间，细骨料的平均含量为21.0%，仅有8组细骨料含量在上述最优区间内。
        1.1 150mm粒径以下颗粒级配特征统计分析
        工程用砂砾石料最大粒径往往受诸多限制，在料场运输时大都是通过筛子晒去过大粒径的石头，留下需要的粗骨料和细骨料。CSG围堰工程拌和方式简单，大都在现场用挖掘机进行简易拌和，骨料最大粒径可以达到650mm，但永久工程中为防止骨料分离，所用骨料粒径最大不宜超过150mm。截取150mm粒径以下颗粒部分绘制成级配曲线。剔除150mm以上粒径颗粒后，18组砂砾料级配曲线离散性明显减小；细骨料含量在15.9%~35.7%之间，平均含量为25.8%，有12组砂砾骨料含量在最优区间内，占总数的66.7%；通过对Cu和Cc的分析，可知有12组砂砾石级配可评价为良好。
        1.2100mm粒径以下颗粒级配特征统计分析
        按照前文所述，从附件1中原始砂砾石的筛分数据中截取100mm粒径以下颗粒部分，然后绘制成级配曲线并对特征值进行特征统计分析，当把砂砾石料最大粒径设定为100mm时，18组砂砾石级配离散程度进一步缩小，并趋近于平均线。细骨料含量在17.7%~37.2%之间，与最优区间相差无几，只有四组砂砾石细骨料含量在最优区间外，且偏差不大，对CSG强度影响在可控范围内；分析18组砂砾石级配的Cc和Cu值，可知有14组砂砾石级配可评价为良好，占总数的77.8%。
        1.3 80mm粒径级配以下级配特征统计分析
        截取80mm粒径以下部分，绘制级配曲线，并对其特征值统计分析，工程实践表明，骨料粒径越小，拌和越方便，拌和物越不易分离，但骨料有效利用率降低，砂率相应增大，可能导致水泥用量的增加，不利于降低工程造价。剔除80mm以上粒径后，剩余砂砾石的平均砂率达到31.9%，而且18组砂砾料中有一半砂率超出32.0%，颗粒级配明显偏细，且只有7组砂砾石骨料级配可评价为良好。
        1.4砂砾石最大粒径优选
        在收集到的18组砂砾石级配中，最大粒径在150~1000mm之间，有9组最大粒径在300~500mm范围内，占总数的50%。

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工程施工中往往无法全部利用天然砂砾石，而是选择某个合适的粒径，筛去大于这个粒径的砂砾石，留下小于这个粒径的砂砾石做为天然砂砾石骨料，这个合适的粒径越大，则筛余部分占整个天然砂砾石的比例即骨料有效利用率也就越高，工程造价就越低，但也可能带来天然砂砾石骨料分离的问题，因此施工中选用的砂砾石最大粒径究竟多大，应按拌和工艺和碾压工艺来确定。
        2.河道工程配合比应用要求
        为确保河道工程质量且经济合理，CSG的配合比应满足以下工程应用及施工工艺的要求
        2.1天然砂砾石施工方法
        天然砂砾石施工方法与碾压混凝土类似，但更为简单快速。首先，构成天然砂砾石的骨料可充分利用施工现场附近的开挖弃料、河床砂砾料等，一般不做筛分，只需剔除超径颗粒即可；其次，由于水泥和用水量少，水化热较低，因此不需进行温度控制，所形成的大体积结构也无需设置变形伸缩缝。以上特点使得天然砂砾石的施工工艺大为简化，完全采用常规的、高效的施工设备开展施工。
        2.2基础面处理
        河道施工前应先对基础面和两岸边坡进行处理，首先人工清除表面松软的岩石、棱角以及反坡部分，用水冲洗干净后，再用高压风枪吹至岩面没有积水；对边坡部位，先用液压挖掘机清除表面浮渣、坡积物等，然后人工清除干净，并在铺筑天然砂砾石前涂撒一层水泥浆。
        2.3拌和
        由于国内没有专用于天然砂砾石的拌和设备，其它围堰工程均采用反铲挖掘机简易拌和，拌和方式粗放简单，不能保证拌和料的均匀性和连续性。本工程采用高速公路用的稳定土厂拌和设备进行天然砂砾石拌和，其搅拌方式为双卧轴强制连续式，小时生产能力可达到50t，经检验拌和效果良好。设备运行时需要两辆装载机往料仓中添加砂砾石料。拌和料应充分拌和均匀，拌和设备操作人员应根据砂砾石料含水情况调整用水量，以满足河道施工的VC值要求，严禁不合格的天然砂砾石拌和物入仓。
        2.4运输与入仓
        拌和站距离施工现场200m左右，采用四辆载重12.5t，货箱体积20m3的自卸汽车运输，直接卸料入仓。但随着天然砂砾石的逐层填筑，道路坡度越来越大，要求自卸汽车有足够的马力和爬坡能力。自卸汽车入仓前应进行车轮轮胎部位冲洗，防止对填筑层面污染，影响层面结合。在仓面，自卸汽车的速度应小于10km/h，并且避免在仓内急刹车，急转弯，以防破坏己碾压好的天然砂砾石面。
        2.5摊铺
        摊铺设备采用一辆神钢SK260LC-8挖掘机，抓斗容量1.2m3。因吐鲁番地区气候炎热多风，要求摊铺设备及时对入仓的CSG进行摊铺，摊铺后的CSG表面应平整，无坑洼现象，对于那些局部不平的部位和紧靠边坡部位应由人工辅助铺平。天然砂砾石摊铺面应力求平整，要求2m范围以内相对高差不大于3 cm。若有局部骨料集中现象，可由人工铺洒细料处理。
        2.6碾压
        压实机械采用厦工三明XG6204M型号压路机，为保证在允许的层间间歇时间内完成碾压作业，当仓面过大时应分条带施工，条带面积大小应与拌和设备的拌和能力和碾压能力相适应，碾压操作人员必须按照碾压试验结果认真碾压，不得漏压或者超压。碾压后的天然砂砾石表面应全面泛浆，略有弹性，
        结语
        天然砂砾石是一种介于砂砾料与混凝土之间的材料，比砂砾料强度大、后期沉降少；同混凝土相比，又具有施工快速方便，造价低廉的特点。在河道工程中选择天然砂砾石作为溢洪道基础填筑材料，成功解决了溢洪道泄槽安全连接的问题，确保溢洪道施工能如期完工，并节约了投资，也为同类工程问题的解决提供了一个成功的范例。
        参考文献：
        [1]贾金生，马锋玲，李新宇.等.天然砂砾石坝材料特性研究及工程应用[J].水利学报，2006，37（5）：578-582.
        [2]冯炜，贾金生，马锋玲，等.天然砂砾石坝筑坝材料耐久性能研究及新型防护材料的研发[J].水利学报，2013，44（4）：500-504.