基坑爆破開挖的成功嘗試

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一、工程概況     茅坪溪土石壩是三峽水利樞紐的重要組成部分，與三峽大壩同屬一等Ⅰ級永久建筑物。與三峽大壩共同攔蓄庫水，最大壩高104m，壩頂長1840m，總填筑方量為1213.38m³，其中該壩的防滲體—碾壓式瀝青混凝土防滲心墻總方量約5萬m³，防滲面積4.63萬 m²，心墻最大長度887.75m，最大高度94m，心墻設(shè)計(jì)寬度0.5~1.2m。     茅坪溪土石壩是一個(gè)無放空檢修條件的工程，瀝青混凝土心墻作為大壩的防滲體又是一個(gè)隱蔽性結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量的好壞直接影響大壩蓄水后的運(yùn)行安全，由于碾壓式瀝青混凝土心墻技術(shù)目前正處于發(fā)展階段，特別是國內(nèi)碾壓式瀝青混凝土心墻工程較少，經(jīng)驗(yàn)不多，規(guī)程、規(guī)范不很成熟，茅坪溪瀝青混凝土心墻土石壩又是國內(nèi)第一高壩，采用的是現(xiàn)代化施工機(jī)械和管理方法，不同于國內(nèi)以前建設(shè)的同類型中低壩，因此還存在許多需要我們在實(shí)踐中不斷探索、研究解決的課題，其中瀝青混凝土的耐水性問題就是急需研究的主要問題。     二、試驗(yàn)研究     本項(xiàng)試驗(yàn)研究采用科學(xué)試驗(yàn)與茅坪溪防護(hù)壩瀝青混凝土心墻施工實(shí)踐相結(jié)合的方法，初步分析出影響瀝青混凝土耐水性的主要因素，然后根據(jù)初步分析結(jié)果，針對主要問題，模擬工程實(shí)際，并通過對比試驗(yàn)進(jìn)行研究。我們收集國內(nèi)外瀝青混凝土耐水性快速試驗(yàn)方法，發(fā)現(xiàn)有的工程天然骨料制成的瀝青混凝土其耐水性是合格的，但竣工后經(jīng)過數(shù)年長期浸泡，瀝青混凝土出現(xiàn)松散而失敗，原因是其測試的溫度低，時(shí)間短，水分并沒有浸透試件。經(jīng)試驗(yàn)研究，浸水試件溫度提高到80℃，浸泡360小時(shí)，干試件置于80℃蒸汽浴中，同樣氣浴360小時(shí)，并防水保護(hù)。然后干試件移入20℃空氣中，濕試件移入20℃水浴中各養(yǎng)生5天，進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。這樣消除了溫度對干、濕試件的影響，求出的水穩(wěn)定系數(shù)是真實(shí)可靠的，研究并提出了瀝青混凝土長期耐水性和快速試驗(yàn)方法的關(guān)系。     試驗(yàn)結(jié)果表明，茅坪溪防護(hù)壩瀝青混凝土心墻摻50%以下的酸性天然砂，對瀝青混凝土的耐水性有一定的影響，摻加30%的天然砂比全人工砂方案耐水性相差不及5%。如瀝青混凝土細(xì)骨料中控制天然砂摻量為30%，瀝青混凝土的耐水性是有保證的，可以大大降低瀝青混凝土的造價(jià)。     我們采用美國公路部門以經(jīng)驗(yàn)為根據(jù)逐步規(guī)范化的試驗(yàn)方法。其步驟為按規(guī)程要求成型兩組高10厘米直徑10.1厘米的圓柱形試件6塊。第一組試件放在20±1℃的空氣浴中不少于4小時(shí)，按規(guī)程要求測試抗壓強(qiáng)度。第二組試件浸于60±1℃水中24小時(shí)，然后移至20±1℃水中，至少保持2小時(shí)，按規(guī)程要求測試抗壓強(qiáng)度。 水穩(wěn)定系數(shù)=（R₂/R₁）×100% 上式中：R₁=第一組試件的抗壓強(qiáng)度；       R₂=第二組試件的抗壓強(qiáng)度；     上述試驗(yàn)方法對瀝青含量稍大的瀝青混凝土是不適用的，因?yàn)闉r青混凝土的孔隙率小，水分子進(jìn)入試件內(nèi)部需要較長時(shí)間。如黑龍江省三道鎮(zhèn)水庫瀝青混凝土護(hù)坡，其瀝青混凝土護(hù)坡配合比為：大慶55^#多蠟瀝青4%，大慶減壓渣油3%，當(dāng)?shù)靥烊簧?6%，當(dāng)?shù)氐[石50%，方解石7%。按現(xiàn)行規(guī)程（60℃水浸泡24小時(shí)）測試其耐水性是合格的，為了評價(jià)其長期耐水性，東北勘測設(shè)計(jì)研究院進(jìn)行了長期浸水試驗(yàn)，浸水14個(gè)月的水穩(wěn)定系數(shù)為0.92，浸水23個(gè)月的水穩(wěn)定系數(shù)為0.62，浸水7年的水穩(wěn)定系數(shù)為0.54。該瀝青混凝土護(hù)坡竣工數(shù)年的冷凍循環(huán)及長期浸泡，瀝青混凝土出現(xiàn)松散而導(dǎo)致失效。這說明按規(guī)程測試的耐水性試驗(yàn)結(jié)果及工程運(yùn)行情況是不完全一致的。     澆筑式瀝青混凝土的瀝青含量一般在8.5%~16%之間，屬于無孔隙的瀝青混凝土混合物，礦物集料的孔隙完全由瀝青填滿并有剩余。這類瀝青混凝土的特點(diǎn)就是抗?jié)B性好，其滲透系數(shù)小于10^-11cm/s?？梢栽O(shè)想，這類瀝青混凝土在60℃水中浸泡一晝夜水分子也只能進(jìn)入表層。一般來講，瀝青含量大小對瀝青混凝土的耐水性不能產(chǎn)生本質(zhì)的影響，因?yàn)闉r青含量大，水分子遷移到礦料與瀝青界面之間的時(shí)間長，是否產(chǎn)生剝離現(xiàn)象，還決定于瀝青與礦料之間的粘附特性。已經(jīng)認(rèn)識到，含極性成分少，粘度大的瀝青，水分子透過其膜的遷移速度很慢，用其制成的的瀝青混凝土，水分子在其內(nèi)部擴(kuò)散速度也就很慢。沒有足夠的時(shí)間，瀝青、礦料和水三相體系之間的物理化學(xué)作用就不能達(dá)到平衡。     已經(jīng)證明瀝青混凝土長期浸水，其耐水性的優(yōu)劣就能充分顯示出來，無疑，用這種方法測試瀝青混凝土的耐水性需要較長時(shí)間，不能滿足工程的需要。為了快速正確地測試瀝青混凝土的耐水性，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作，如殼牌石油公司提出，先將瀝青混凝土試件用水飽和，再在60℃水中浸泡一晝夜，使其三相體系達(dá)到平衡；再如，前蘇聯(lián)提出將水的溫度由60℃提高到80℃，通過大量試驗(yàn)，建立了瀝青混凝土在80℃水中浸泡75小時(shí)相當(dāng)于在20℃水中浸泡一年的定量關(guān)系。     通過試驗(yàn)，我們注意到將瀝青混凝土浸泡水中，水分子能穿透瀝青膜，達(dá)到礦料表面，這種過程一旦開始，水分子就可以逐漸散布在礦料和瀝青界面之間。如果礦料是親水的，水將置換瀝青膜，使其產(chǎn)生剝離。礦料表面和瀝青界面之間的水膜絕不能被正常的加熱過程移走，概括地說，水分子穿透和剝離瀝青膜的速度主要決定于瀝青的類型、粘度及其膜厚，又決定于礦料的表面特性，特別值得提出，還決定于水的溫度。當(dāng)按一定配比及規(guī)定的工藝條件制成試件后，瀝青的類型、粘度、膜厚及礦料的表面特性就不在是變量了。在瀝青、礦料和水的三相體系中只有水溫是變量了。     目前看來，將瀝青混凝土浸泡在80℃水中，加速瀝青、礦料和水的三相體系的物理化學(xué)作用，盡快達(dá)到平衡狀態(tài)，的確是比較現(xiàn)實(shí)和可行的措施。因?yàn)樘岣咚疁刂荒芗涌旆磻?yīng)過程，并不能影響最終結(jié)果。在總結(jié)前人大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上我們采用如下方法：按規(guī)程規(guī)定制備瀝青混凝土混合料及試件，每個(gè)配比成型6個(gè)試件，分為2組。第一組用雙半圓薄鐵板模進(jìn)行側(cè)壁保護(hù)，防止試件變形，并采取多層塑料膜防水保護(hù)，置于80±1℃蒸汽浴中360小時(shí)，將試件取出，放在20±1℃空氣中不少于4小時(shí)，然后按規(guī)程規(guī)定的方法測試抗壓強(qiáng)度（R₁）。第二組試件也用雙半圓薄鐵板模進(jìn)行側(cè)壁保護(hù)，先浸入80±1℃水槽中360小時(shí)，然后用轉(zhuǎn)移板將其移到水溫為20±1℃水中4小時(shí)，按規(guī)程規(guī)定的方法測試抗壓強(qiáng)度（R₂）。 水穩(wěn)定系數(shù)=R₂/R₁ 式中，R₁=第一組干試件（蒸汽浴試件）的抗壓強(qiáng)度；      R₂=第二組濕試件（水浴試件）的抗壓強(qiáng)度；     干、濕試件是在同一溫度、同一作用時(shí)間條件下進(jìn)行的，溫度對試件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響是一致的，在求取水穩(wěn)定系數(shù)時(shí)對其可能產(chǎn)生的溫度影響得以消除。 瀝青混凝土在80℃恒溫浸水耐水試驗(yàn)結(jié)果如下表： 配比編號 方案 浸水時(shí)間（h） 干抗壓強(qiáng)度(Mpa) 濕抗壓強(qiáng)度(Mpa) 水穩(wěn)定系數(shù)R=R₂/R₁ 1 100%人工砂 360 2.30835 2.30557 0.999 720 2.70691 2.55008 0.942 2 70%人工砂 30%天然砂 360 2.24346 2.06601 0.921 720 2.38585 2.21963 0.930 3 50%人工砂 50%天然砂 360 2.31035 2.00689 0.869 720 2.52807 2.13462 0.844 4 100%天然砂 168 2.35816 2.06891 0.877 360 2.48960 2.02460 0.815 720 2.57500 1.93084 0.750
    三、結(jié)論     通過上述試驗(yàn)，可以得出如下結(jié)論：摻30%天然砂與100%人工砂方案相差不足5%，瀝青混凝土耐水性可以滿足要求；80℃水沒有破壞瀝青與石灰?guī)r礦料之間的粘結(jié)；每多摻入1.89%的天然砂，其水穩(wěn)定系數(shù)降低0.01；瀝青混凝土試件在80℃水中浸泡15天的測試數(shù)據(jù)是可信的，可以在今后參考使用。 另外，水工瀝青混凝土一般都要承受一定水頭的壓力，在室內(nèi)試驗(yàn)條件下的瀝青混凝土耐水性并不等于有一定水頭壓力條件下的耐水性，這是今后研究瀝青混凝土試驗(yàn)工作中應(yīng)該考慮的問題。