低液限粉土力學特性及其在渠道工程中的應用

于忠豪

（新疆伊犁河流域開發建設管理局，新疆 伊犁 835000）

0 前言

新疆YL河北岸干渠設計總灌溉面積206.59萬畝，為大(1)型工程，根據渠道填筑料使用要求，該工程104+715～110+767.607段土方填筑土料缺34.21萬m3，需進行土料回填。為測試選用料場土體基本物理力學特性，在選取料場中每200m左右處每1m深度取一組原狀土樣進行天然含水率測定。每200m處采用挖掘機開挖探坑，進行天然干密度試驗，每個探坑均采用刻槽法取混合土樣進行室內擊實試驗，選擇具有代表性的探坑取土樣進行界限含水率及顆粒分析等試驗。結果表明，整個土料場土質均勻，最優含水量在13.8%～16.7%，平均15.3%；最大干密度在 1.66～1.70 g/cm3，平均 1.68 g/cm3，液限 ωL=28.9%，塑限ωp=16.2%，塑性指數IP=12.7。根據土工試驗規程[1]SL237-1999可分類定名為低液限粉土（ML）。

低液限粉土具有液限低強度差等特點，在我國西北部地區分布廣泛，是一種劣質填料[2-5]，主要表現為碾壓困難和強度弱化，碾壓困難是指土體在欠壓及過壓條件下均難以達到設計壓實度，強度弱化是指對驗收合格碾壓土體若未及時覆蓋再次檢測時其壓實度又達不到要求。按壓實度控制低液限粉土填筑渠道，工程質量難以保證，因此有必要對不同壓實度低液限粉土物理力學特性進行研究。本文以新疆YL河北岸干渠為依托，采用試驗和數值模擬結合的方式研究了不同壓實度低液限粉土的強度變形特性和不同壓實度低液限粉土渠道的沉降特性。

1 試驗材料與程序

試驗土料取自新疆YL河北岸干渠十標段填料場，為低液限粉土，其級配曲線如圖1所示。采用輕型擊實儀確定土樣最優含水率為15.1%，最大干密度為1.65 g/cm3。三軸壓縮試樣按壓實度 0.85、0.9、0.92、0.95和 0.98確定試樣制樣干密度為1.40 g/cm3、1.49 g/cm3、1.52 g/cm3、1.57 g/cm3和 1.62 g/cm3，試樣尺寸Φ×H=39.1mm×100mm，按控制干密度計算不同壓實度下試樣所需土體質量，按最優含水率15.1%配制試驗土料，土料配制好后置于塑料袋中密封24 h以保證土體水分均勻擴散，在土顆粒間形成薄膜水[6]，土體分3層制樣，采用擊實錘將土體擊實并量測每層土體高度，保證每層高度一致，每層土擊實后需刮毛保證試樣的均一性。將制備好的試樣置于真空缸中抽氣飽和，抽氣時間大于2 h，抽氣后缸內水面應高于試樣頂部至少5 cm，將飽和后試樣裝于應變控制式三軸壓縮儀上，并進行固結，固結壓力分別為 100 kPa、200 kPa、300 kPa和 400 kPa，固結穩定標準為體變管讀數在5 min內基本保持不變，試樣固結完成后關閉上下排水閥進行剪切，土體剪切速率為0.0768mm/min，軸向應變為15%時，停止試驗。

圖1 級配曲線

2 試驗結果與分析

2.1 強度

取軸向應變為15%試樣破壞，不同干密度下低液限粉土破壞強度qf與壓實度關系曲線如圖2所示，可知隨圍壓增大，低液限粉土破壞強度增大；不同圍壓下，隨壓實度增大，低液限粉土破壞強度均逐漸增大，圍壓為100~400 kPa，壓實度為0.85時其破壞強度較壓實度為0.98時分別降低了51.3%、46.9%、43.6%和41.0%，可以看出，隨圍壓增大，壓實度對低液限粉土強度影響逐漸減小，這是由于圍壓較高時，土體固結過程土體被壓密。

圖2 破壞強度與壓實度關系曲線

2.2 孔壓

低液限粉土破壞時孔壓與壓實度關系曲線如圖3所示，可知隨壓實度增大，低液限粉土孔壓逐漸減小，這是由于壓實度越大，顆粒接觸越緊密，剪切過程中，顆粒翻越過程中，顆粒仍然是接觸的，原本由顆粒承擔的壓力仍然基本由原有的顆粒承擔，顆粒傳給孔隙水的壓力很小，孔隙水壓力越小；隨圍壓增大，孔隙水壓力增大，然而孔隙水壓力比（孔隙水壓力與圍壓比值）逐漸減小，這是由于，圍壓越大，土體抗剪強度越大，土體破壞時強度越大，相當于土體破壞時承受了更大的荷載作用，孔隙水承擔的荷載越大，孔隙水壓力越大，而由于圍壓越大，土體固結過程中土體壓密作用越明顯，限制了孔隙水壓力的增長，故隨圍壓增大孔隙水壓力比逐漸減小。

圖3 孔壓與壓實度關系曲線

3 渠道沉降數值計算

為分析壓實度對低液限粉土渠道沉降特性影響，基于FLAC3D對低液限粉土渠道進行三維有限差分計算，FLAC3D是由美國Itasca集團公司開發的一款專業巖土工程分析大型商業軟件，其基本原理即是采用拉格朗日差分法來分析有限變形問題，該軟件目前已在全球八十多個國家應用，并得到廣泛的認可。

不同壓實度下渠道計算模型如圖4所示，模型尺寸長×寬×高=5m×5m×10m，渠道尺寸為長×寬×高=2m×2m×1.5m，約束條件為固定模型底部x、y和z方向，左右兩側水平x方向位移約束，y方向位移全約束，頂部為自由邊界，將渠道滲流設為自由出流邊界。計算采用Mohr-Coulomb模型，計算參數如表1所示l。

圖4 計算模型

表1 計算參數

不同壓實度下低液限粉土渠道最大沉降量與壓實度關系曲線如圖5所示。可知，隨壓實度增大，低液限粉土渠道最大沉降量逐漸減小，最大沉降量與壓實度呈指數關系，由此可知，壓實度0.95與壓實度0.98低液限粉土渠道最大沉降量相差不明顯，而當壓實度降低至0.85時，渠道最大沉降量增大明顯，因此渠道施工需要合理控制施工質量。

低液限粉土粘聚性差，需借助水潤滑作用才能達到設計壓實。此外，低液限粉土保水性差，施工過程中容易失水而出現強度弱化。因此在施工過程中需做好保濕工作，盡量采用連續方式施工，對暫時不使用的土要用帆布蓋住，減少其水分損失，夏季施工水分損失嚴重時可適量增大土體含水量。

圖5 沉降量與壓實度關系曲線

4 結論

依托新疆某河北岸干渠，采用試驗與數值模擬相結合的方式分析了壓實度對低液限粉土強度、孔壓和渠道沉降特性的影響，主要結論如下：

（1）隨壓實度增大，顆粒接觸越緊密，顆粒翻越、重排列越困難，低液限粉土強度逐漸增大；

（2）隨壓實度逐漸增大，低液限粉土孔壓逐漸減小，隨圍壓增大，孔隙水壓力增大，然而孔隙水壓力比逐漸減小；

（3）隨壓實度增大，低液限粉土渠道最大沉降量逐漸減小，最大沉降量與壓實度呈指數關系。

[1]中華人民共和國水利部.SL237-1999土工試驗規程[S].北京:中水利水電出版社,1999.

[2]楊紅霞.低液限粉土路基填筑施工技術[J].路基工程,2006,15(4):93-95.

[3]黨延兵,李成才.靖安高速公路延安段低液限粉土填料路堤施工技術的研究與實踐[J].公路,2005,20(8):87-89.

[4]白愛明.低液限粉土填筑路堤質量控制[J].山西建筑,2008,34(12):210-211.

[5]肖澤玉.淺析施工作業中壓實機械的選型[J].黑龍江交通科技,2005,(3):88-90.

[6]劉麗萍.低液限粉土路基填料工程特性研究[J].路基工程,2010,149(2):65-66.