河道整治工程中摻合料土體單軸壓縮破壞特性試驗研究

張 磊

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

水利工程設計施工與土體力學特性息息相關(guān)，探討土體材料力學特征對推動水利設計水平具有重要意義[1- 3]；單軸壓縮破壞試驗是揭示巖土體材料等強度變形特征的重要手段，基于土體單軸壓縮破壞實驗，可獲得土體材料基礎(chǔ)力學數(shù)據(jù)，分析土體基礎(chǔ)力學數(shù)據(jù)之間變化關(guān)系，提供水利工程重要設計參數(shù)[4- 6]。已有較多學者利用室內(nèi)試驗儀器，設計開展土體滲流、抗剪以及壓縮破壞特性試驗研究，極大豐富了水利工程中土體力學特性研究成果[7- 9]。由于水利工程中特殊環(huán)境，研究高寒地區(qū)土體凍融循環(huán)作用下，其力學特征影響特性，有助于提升工程安全設計及施工質(zhì)量[10- 12]。本文考慮結(jié)合凍融循環(huán)損傷作用，利用單軸壓縮破壞實驗，開展研究不同因素影響下?lián)胶狭贤馏w力學特征變化，為實際水利工程設計提供重要試驗基礎(chǔ)參考。

1 試驗概況

1.1 試驗背景與儀器

某河道工程設計需新拓寬3m，為此需對原河道開展整治開挖，原河床斷面為半圓形，河底部高程為58.5m，需整治河道長度約為1.5km，起止樁號為1+252—2+752，現(xiàn)河道工程中所遇一岸坡，該岸坡由于水土流失較嚴重，河道整治開挖岸坡一定程度會削弱其安全穩(wěn)定性。設計部門考慮結(jié)合凍融循環(huán)試驗開展岸坡土體單軸破壞力學試驗研究，為河道岸坡開挖設計提供試驗依據(jù)。

試驗采用GS-RA型三軸剪切儀，該實驗系統(tǒng)包括有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與加載系統(tǒng)，其中加載系統(tǒng)分為側(cè)向圍壓與豎向荷載兩部分加載子系統(tǒng)，最大豎向荷載可達200kN，圍壓最大可加載至50MPa，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實時查看數(shù)據(jù)，采集間隔為0.5s，力傳感器以及位移傳感器均在實驗前均已標定。本試驗各實驗組圍壓均為0kPa。凍融循環(huán)試驗利用高低溫試驗箱完成，其中每次凍、融持續(xù)時長均控制在24h，凍、融溫度分別為-20、20℃[13- 14]。

1.2 試驗方案

由現(xiàn)場鉆孔獲得試驗土樣，為粉質(zhì)壤土，圖1為現(xiàn)場擊實試驗所獲得的最佳含水量為18%，根據(jù)室內(nèi)初步物理參數(shù)測試得知，該土樣天然含水量約為8.5%，土顆粒中以0.005～0.075mm為主，占比超過80%。為研究重塑土體摻加糯米漿后無側(cè)限壓縮力學性質(zhì)差異，本文采用的不同干密度摻合料土體試樣，分別為1.6、1.8、2g/cm3；以土糯比(糯米漿質(zhì)量占比)參數(shù)作為制備摻糯米漿土體材料的指標，配置重塑制備出摻合料土體，糯米漿含量設定分別為0%(A方案)、5%(B方案)、10%(C方案)、15%(D方案)；凍融循環(huán)試驗按照0次(Ⅰ方案)、5次(Ⅱ方案)、10次(Ⅲ方案)、15次(Ⅳ方案)設計；表1為各實驗方案具體組合表。試樣制備利用固定尺寸的制備容器，分5層，逐層壓實，保證試樣內(nèi)部晶體顆粒受力均勻，制作出滿足實驗要求的試樣，后養(yǎng)護24h，試樣制備好形態(tài)，如圖2所示。

表1 各實驗方案具體組合表

圖1 擊實曲線

圖2 土體試樣形態(tài)

試驗步驟簡介如下：

(1)經(jīng)養(yǎng)護箱靜置24h的試樣取出，測定土樣物理參數(shù)后，放入凍融循環(huán)箱內(nèi)完成一個周期內(nèi)凍、融試驗，依據(jù)目標凍融循環(huán)次數(shù)，完成凍融試驗[15- 16]。

(2)將試樣從凍融箱內(nèi)取出，安裝至三軸剪切試驗系統(tǒng)圍壓艙內(nèi)中，力傳感器清零，位移傳感器調(diào)整至合適量程，不需放下壓力艙，直接在試樣兩端安裝位移傳感器，后開始豎向加載，觀測實時應力應變曲線，直至試樣失穩(wěn)破壞，停止試驗。

(3)結(jié)束數(shù)據(jù)采集后，卸掉殘余豎向荷載，更換試樣，繼續(xù)試驗。

2 摻合料土體單軸力學特征影響特性分析

2.1 土體干密度

基于摻合料土體單軸壓縮加載破壞試驗，獲得了土體干密度因素影響下土體破壞力學特征，限于篇幅，本文以凍融循環(huán)0次下開展該因素的影響特征分析，圖3即為加載過程中應力應變曲線。從圖中可看出，各糯米漿含量下?lián)胶狭贤馏w加載過程中應力水平與土體干密度為正相關(guān)，相同糯米漿含量均為5%下，干密度1.6g/cm3的峰值應力為141.1kPa，而干密度1.8、2g/cm3相比前者分別增大了19%、39.5%；另一方面，當糯米漿含量增大至15%時，干密度1.8、2、1.6g/cm3之間的差異幅度分別為17.8%、40.2%，即糯米漿含量改變，并不影響土體干密度試樣之間的應力水平差異。分析認為，土體干密度是直接反應摻合料土體的物理特征參數(shù)，關(guān)乎著土體物理性質(zhì)狀態(tài)，當干密度較大時，則一定程度上可反映土體內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更佳，而糯米漿含量改變，則為土體組成結(jié)構(gòu)差異改變，此對各試樣力學特性影響具有各向同性，故而呈現(xiàn)各糯米漿含量下的不同土體干密度試樣間峰值應力相差幅度一致。另從各試樣變形特征可知，初期彈性變形階段不同干密度試樣應力應變基本一致，發(fā)生應力應變差異主要出現(xiàn)在彈性最大壓密點；相同應力水平下，以干密度較低者試樣的應變更大，糯米漿含量0%下，3個試樣單軸加載應力均為90kPa時，干密度1.6、1.8、2g/cm3相對應的應變分別為1.88%、1.2%、1.1%；即干密度愈大，則愈限制試樣塑性變形發(fā)展。

2.2 糯米漿含量

圖4為典型凍融循環(huán)次數(shù)糯米漿含量對摻合料土體力學特征影響特性。從圖4中可知，相同干密度土體試樣中加載過程應力水平以糯米漿含量5%為最大，在干密度為1.6g/cm3、凍融循環(huán)5次時糯米漿含量5%峰值應力相比含量10%、15%分別增大了24.3%、41.3%，即糯米漿含量與土體加載應力為負相關(guān)，且摻合料土體應力均高于純土體(糯米漿含量0%)，在同一干密度與凍融循環(huán)次數(shù)下，純土體的峰值應力為81.96kPa，而糯米漿含量15%、10%、5%的試樣峰值應力相比前者分別增大了11.4%、26.6%、57.4%。分析認為，糯米漿自身的粘結(jié)性可促使細小土顆粒填充在顆粒骨架的孔隙內(nèi)，從而保證顆粒骨架整體穩(wěn)固性，進而產(chǎn)生摻合料土體單軸應力水平總高于純土體；但當糯米漿含量增多時，由于糯米漿自身還具有潤滑特性，會削弱土顆粒相互間、土顆粒與糯米漿之間的摩擦力，增大土顆粒滑動能力，產(chǎn)生糯米漿含量過高時抑制摻合料土體應力水平增長效應。另對比凍融循環(huán)0次時，相同干密度1.6g/cm3下糯米漿含量5%與含量10%、15%之間差異幅度分別為25.6%、41.6%，即各凍融循環(huán)次數(shù)下糯米漿含量之間幅度差異基本一致。對比糯米漿含量試樣之間變形差異可知，糯米漿含量影響特性往往都出現(xiàn)在塑性變形階段，即接近峰值應力點，分析表明，土體干密度以及糯米漿含量均對試樣的塑性變形產(chǎn)生顯著差異性影響，而彈性變形階段影響較弱。

圖3 摻合料土體加載應力應變曲線(干密度影響)

圖4 摻合料土體加載應力應變曲線(從左至右圖分別為干密度1.6、1.8、2g/cm3)

圖5為強度特征曲線。從圖中可知，糯米漿含量、凍融循環(huán)次數(shù)均對抗壓強度有抑制效應，而土體干密度為促進作用；凍融循環(huán)10次、干密度1.8g/cm3時，糯米漿含量5%的抗壓強度為130.3kPa，而含量10%、15%相比前者分別降低了12.5%、28.2%，而在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，但土體干密度增大至2g/cm3時，相差幅度分別為12.8%、29.8%，即土體干密度增大，對糯米漿抑制抗壓強度增長效應并無改觀。

2.3 凍融循環(huán)次數(shù)

圖6為土體干密度1.8g/cm3下凍融循環(huán)次數(shù)對土體力學特征影響特性。從圖中可看出，加載過程中應力水平均以低循環(huán)次數(shù)為最大，在糯米漿含量0%、相同應變1.5%下，凍融循環(huán)0次對應的應力為107.1kPa，而循環(huán)5、10、15次相對前者分別降低了25.3%、29%、55.2%；分析認為凍融循環(huán)次數(shù)愈多，對土體材料物理損傷作用愈強，削弱了土體整體骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進而產(chǎn)生加載過程中應力水平較低的現(xiàn)象。另同一應力水平下，凍融循環(huán)次數(shù)愈高者試樣，應變較大，在糯米漿含量10%，加載應力同為90kPa下，凍融循環(huán)0、5、10、15次分別對應的應變?yōu)?%、1.12%、1.24%、1.55%，凍融循環(huán)次數(shù)較高時，則試樣軟化程度愈大，土體彈塑性變形能力均會得到較大增長。

圖7為單軸抗壓強度受凍融循環(huán)次數(shù)影響特征曲線，從圖中可知，抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)遞減，在干密度1.6g/cm3、糯米漿含量10%下，凍融循環(huán)5、10、15次試樣抗壓強度相比循環(huán)0次分別降低了8.4%、25.1%、38.7%；當相同糯米漿含量下，干密度增大至1.8g/cm3時，則凍融循環(huán)5、10、15次試樣降低幅度分別為8.1%、24.9%、38.1%，分析認為，雖干密度增大可促進抗壓強度增長，但并不影響凍融循環(huán)次數(shù)之間抗壓強度差異，即土體干密度不影響凍融循環(huán)物理損傷效應。

圖5 摻合料土體單軸抗壓強度特征曲線(不同凍融循環(huán)次數(shù))

圖6 摻合料土體加載應力應變曲線(凍融循環(huán)次數(shù)影響)

圖7 摻合料土體單軸抗壓強度特征曲線(凍融循環(huán)次數(shù)影響)

3 凍融循環(huán)物理損傷作用分析

為準確評估摻合料土體受凍融循環(huán)損傷作用，本文提出以抗壓強度損耗率參數(shù)來衡量土體物理損傷效應，損耗率參數(shù)η求解公式為：

(1)

式中，σw、σ0—無凍融、凍融循環(huán)時單軸抗壓強度。

結(jié)合單軸壓縮加載破壞試驗數(shù)據(jù)，并基于式(1)即可計算獲得不同干密度、糯米漿含量下試樣抗壓強度損耗率，如圖8所示。從圖中可看出，強度損耗率隨凍融循環(huán)次數(shù)遞增；在土體干密度1.6g/cm3、糯米漿含量15%時，凍融循環(huán)15次強度損耗率達44.44%，而凍融循環(huán)5次損耗率僅為8.33%。強度損耗率與糯米漿含量亦為正相關(guān)，前述相同干密度與凍融循環(huán)15次下，糯米漿含量5%的損耗率為31.07%；但另一方面，純土體的強度損耗率均高于摻合料土體，相同干密度與凍融循環(huán)次數(shù)下，純土體(糯米漿含量0%)的強度損耗率為58.91%。分析認為，當糯米漿含量存在時，一定程度可填充土體試樣孔隙，減少由于凍融循環(huán)次數(shù)對土孔隙內(nèi)凍脹破壞，因而損耗率低于純土體，但不可忽視糯米漿含量過大時，其自身所具備的潤滑性實質(zhì)上含有較多水分子，可發(fā)生固結(jié)作用，因而影響土顆粒骨架整體粘結(jié)性，造成強度損耗，即強度損耗率隨糯米漿含量增大。土體干密度在1.6、1.8g/cm3時強度損耗率基本一致，但當干密度增大至2g/cm3時，大部分試樣強度損耗率有一定增長，筆者認為土體干密度對強度損耗率影響并無較顯著關(guān)系。

圖8 摻合料土體抗壓強度損耗率變化特征曲線

4 結(jié)論

(1)土體干密度與破壞應力為正相關(guān)，各糯米漿含量之間強度差異一致；干密度對土體塑性變形影響顯著，干密度愈大，則塑性變形限制愈強。

(2)糯米漿含量與加載應力為負相關(guān)，純土體應力低于摻合料土體，凍融循環(huán)次數(shù)、土體干密度均不影響糯米漿含量對強度的抑制效應。

(3)凍融循環(huán)次數(shù)與土體應力為負相關(guān)，且土體干密度并不影響凍融循環(huán)物理損傷效應，凍融循環(huán)次數(shù)可提升土體延塑性變形能力。

(4)強度損耗率與凍融循環(huán)次數(shù)、糯米漿含量為正相關(guān)，純土體強度損耗率高于摻合料土體，干密度對強度損耗率影響較弱。