基坑爆破开挖的成功尝试

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一、工程概况     茅坪溪土石坝是三峡水利枢纽的重要组成部分，与三峡大坝同属一等Ⅰ级永久建筑物。与三峡大坝共同拦蓄库水，最大坝高104m，坝顶长1840m，总填筑方量为1213.38m³，其中该坝的防渗体—碾压式沥青混凝土防渗心墙总方量约5万m³，防渗面积4.63万 m²，心墙最大长度887.75m，最大高度94m，心墙设计宽度0.5~1.2m。     茅坪溪土石坝是一个无放空检修条件的工程，沥青混凝土心墙作为大坝的防渗体又是一个隐蔽性结构，其质量的好坏直接影响大坝蓄水后的运行安全，由于碾压式沥青混凝土心墙技术目前正处于发展阶段，特别是国内碾压式沥青混凝土心墙工程较少，经验不多，规程、规范不很成熟，茅坪溪沥青混凝土心墙土石坝又是国内第一高坝，采用的是现代化施工机械和管理方法，不同于国内以前建设的同类型中低坝，因此还存在许多需要我们在实践中不断探索、研究解决的课题，其中沥青混凝土的耐水性问题就是急需研究的主要问题。     二、试验研究     本项试验研究采用科学试验与茅坪溪防护坝沥青混凝土心墙施工实践相结合的方法，初步分析出影响沥青混凝土耐水性的主要因素，然后根据初步分析结果，针对主要问题，模拟工程实际，并通过对比试验进行研究。我们收集国内外沥青混凝土耐水性快速试验方法，发现有的工程天然骨料制成的沥青混凝土其耐水性是合格的，但竣工后经过数年长期浸泡，沥青混凝土出现松散而失败，原因是其测试的温度低，时间短，水分并没有浸透试件。经试验研究，浸水试件温度提高到80℃，浸泡360小时，干试件置于80℃蒸汽浴中，同样气浴360小时，并防水保护。然后干试件移入20℃空气中，湿试件移入20℃水浴中各养生5天，进行抗压试验。这样消除了温度对干、湿试件的影响，求出的水稳定系数是真实可靠的，研究并提出了沥青混凝土长期耐水性和快速试验方法的关系。     试验结果表明，茅坪溪防护坝沥青混凝土心墙掺50%以下的酸性天然砂，对沥青混凝土的耐水性有一定的影响，掺加30%的天然砂比全人工砂方案耐水性相差不及5%。如沥青混凝土细骨料中控制天然砂掺量为30%，沥青混凝土的耐水性是有保证的，可以大大降低沥青混凝土的造价。     我们采用美国公路部门以经验为根据逐步规范化的试验方法。其步骤为按规程要求成型两组高10厘米直径10.1厘米的圆柱形试件6块。第一组试件放在20±1℃的空气浴中不少于4小时，按规程要求测试抗压强度。第二组试件浸于60±1℃水中24小时，然后移至20±1℃水中，至少保持2小时，按规程要求测试抗压强度。 水稳定系数=（R₂/R₁）×100% 上式中：R₁=第一组试件的抗压强度；       R₂=第二组试件的抗压强度；     上述试验方法对沥青含量稍大的沥青混凝土是不适用的，因为沥青混凝土的孔隙率小，水分子进入试件内部需要较长时间。如黑龙江省三道镇水库沥青混凝土护坡，其沥青混凝土护坡配合比为：大庆55^#多蜡沥青4%，大庆减压渣油3%，当地天然砂36%，当地砾石50%，方解石7%。按现行规程（60℃水浸泡24小时）测试其耐水性是合格的，为了评价其长期耐水性，东北勘测设计研究院进行了长期浸水试验，浸水14个月的水稳定系数为0.92，浸水23个月的水稳定系数为0.62，浸水7年的水稳定系数为0.54。该沥青混凝土护坡竣工数年的冷冻循环及长期浸泡，沥青混凝土出现松散而导致失效。这说明按规程测试的耐水性试验结果及工程运行情况是不完全一致的。     浇筑式沥青混凝土的沥青含量一般在8.5%~16%之间，属于无孔隙的沥青混凝土混合物，矿物集料的孔隙完全由沥青填满并有剩余。这类沥青混凝土的特点就是抗渗性好，其渗透系数小于10^-11cm/s。可以设想，这类沥青混凝土在60℃水中浸泡一昼夜水分子也只能进入表层。一般来讲，沥青含量大小对沥青混凝土的耐水性不能产生本质的影响，因为沥青含量大，水分子迁移到矿料与沥青界面之间的时间长，是否产生剥离现象，还决定于沥青与矿料之间的粘附特性。已经认识到，含极性成分少，粘度大的沥青，水分子透过其膜的迁移速度很慢，用其制成的的沥青混凝土，水分子在其内部扩散速度也就很慢。没有足够的时间，沥青、矿料和水三相体系之间的物理化学作用就不能达到平衡。     已经证明沥青混凝土长期浸水，其耐水性的优劣就能充分显示出来，无疑，用这种方法测试沥青混凝土的耐水性需要较长时间，不能满足工程的需要。为了快速正确地测试沥青混凝土的耐水性，国内外学者已经进行了大量的实验研究工作，如壳牌石油公司提出，先将沥青混凝土试件用水饱和，再在60℃水中浸泡一昼夜，使其三相体系达到平衡；再如，前苏联提出将水的温度由60℃提高到80℃，通过大量试验，建立了沥青混凝土在80℃水中浸泡75小时相当于在20℃水中浸泡一年的定量关系。     通过试验，我们注意到将沥青混凝土浸泡水中，水分子能穿透沥青膜，达到矿料表面，这种过程一旦开始，水分子就可以逐渐散布在矿料和沥青界面之间。如果矿料是亲水的，水将置换沥青膜，使其产生剥离。矿料表面和沥青界面之间的水膜绝不能被正常的加热过程移走，概括地说，水分子穿透和剥离沥青膜的速度主要决定于沥青的类型、粘度及其膜厚，又决定于矿料的表面特性，特别值得提出，还决定于水的温度。当按一定配比及规定的工艺条件制成试件后，沥青的类型、粘度、膜厚及矿料的表面特性就不在是变量了。在沥青、矿料和水的三相体系中只有水温是变量了。     目前看来，将沥青混凝土浸泡在80℃水中，加速沥青、矿料和水的三相体系的物理化学作用，尽快达到平衡状态，的确是比较现实和可行的措施。因为提高水温只能加快反应过程，并不能影响最终结果。在总结前人大量试验数据及经验基础上我们采用如下方法：按规程规定制备沥青混凝土混合料及试件，每个配比成型6个试件，分为2组。第一组用双半圆薄铁板模进行侧壁保护，防止试件变形，并采取多层塑料膜防水保护，置于80±1℃蒸汽浴中360小时，将试件取出，放在20±1℃空气中不少于4小时，然后按规程规定的方法测试抗压强度（R₁）。第二组试件也用双半圆薄铁板模进行侧壁保护，先浸入80±1℃水槽中360小时，然后用转移板将其移到水温为20±1℃水中4小时，按规程规定的方法测试抗压强度（R₂）。 水稳定系数=R₂/R₁ 式中，R₁=第一组干试件（蒸汽浴试件）的抗压强度；      R₂=第二组湿试件（水浴试件）的抗压强度；     干、湿试件是在同一温度、同一作用时间条件下进行的，温度对试件结构强度的影响是一致的，在求取水稳定系数时对其可能产生的温度影响得以消除。 沥青混凝土在80℃恒温浸水耐水试验结果如下表： 配比编号 方案 浸水时间（h） 干抗压强度(Mpa) 湿抗压强度(Mpa) 水稳定系数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、结论     通过上述试验，可以得出如下结论：掺30%天然砂与100%人工砂方案相差不足5%，沥青混凝土耐水性可以满足要求；80℃水没有破坏沥青与石灰岩矿料之间的粘结；每多掺入1.89%的天然砂，其水稳定系数降低0.01；沥青混凝土试件在80℃水中浸泡15天的测试数据是可信的，可以在今后参考使用。 另外，水工沥青混凝土一般都要承受一定水头的压力，在室内试验条件下的沥青混凝土耐水性并不等于有一定水头压力条件下的耐水性，这是今后研究沥青混凝土试验工作中应该考虑的问题。