水利樞紐工程場地土料摻金屬離子狀態下三軸力學試驗研究

黃健華

(廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511340)

1 概述

水利設計中常常需要考慮工程土體力學特征，為水工結構長期安全穩定運行提供重要參考，因此，水利工程領域勢必需要研究土體力學特征，從而為水利設計提供具體參數服務[1-3]。張榜等[4]、李可宇[5]、程升等[6]根據巖土材料的仿真計算原理，利用離散元仿真模擬平臺等，設計不同荷載條件，為研究土體力學特征提供了重要計算依據。還有一些專家學者認為土體材料破壞過程可采用監測或實時觀測的手段，研究土體微觀條件下內部骨架特征，從而為研究土體失穩破壞的內在因素提供細觀機理[7-9]。基于這些研究原理，在一些水利工程中安裝有微震系統等其他監測設備，可對水利工程的安全運營開展實時監測，獲取土體力學數據，為提前預判與土體相關的水利工程破壞提供重要參考[10-11]。實質上，利用室內精密試驗儀器，可較快速獲得土體材料力學特征、滲透特性，在水利設計之初獲取到土體材料的試驗力學特性，更加準確為水利設計提供試驗參數[12-14]。本文采用壓縮滲透儀器設計開展三軸力學試驗，分析不同因素下土體力學特征變化規律，為水利工程設計提供參考。

2 試驗設計

2.1 工程背景

粵北地區為提升區域內水資源安全保障效率，考慮設計一水利樞紐工程。該水利樞紐工程上部結構設計安全性較高，但不可忽視所有的水利結構均需以地面土體為承載層，因而該水利結構運營可靠性、設計安全性、整體協調性均與場地下臥圖層息息相關，故本文研究重點乃是該水利樞紐工程場地覆蓋土層與下臥承載層。根據地勘資料可知，下臥土層為粉質壤土，含水量中等，室內測試最佳含水量為18%，承載力較好，顆粒骨架結構填充有其他晶體顆粒，根據物理化學成分測試表明，局部夾有晶體顆粒乃是銅、鐵礦離子，分析認為此與區域內銅礦開采長久性影響滲流路徑而導致土層污染形成的，為此，設計開展摻金屬離子土料的三軸力學試驗。

2.2 試驗概況

為確保試驗結果準確性，本試驗采用土體壓縮滲透試驗儀器，不僅可完成常規三軸力學試驗，亦可完成土體滲透固結測試分析(如圖1所示)。該試驗系統包括有加載系統、圍壓系統、滲透測試系統、數據采集系統、控制系統等5部分，其中試驗圍壓最大可為5 MPa，孔隙水壓力最大可達2 MPa，軸向荷載可根據不同試樣更換傳感器量程，可變換采用變形控制與應力控制加載，其中變形控制加載速率范圍可在0.002～4 mm/min內設定，力控加載速率最大可達5 kN/s，所有加載速率最大波動不超過1%，試樣尺寸保持為徑高比1：2均可完成試驗，本文試驗中所有土體試樣直徑、高度尺寸均為36 mm、72 mm，試驗軸向變形傳感器最大可達20 mm，環向變形監測采用鏈條精準控制測試，最大環向變形值可達10 mm，傳感器誤差不超過0.5%，數據采集間隔控制在0.5 s內，可實時監測獲取加載系統中試樣應力應變狀態。

圖1 土體壓縮滲透試驗儀器示意

根據工程現場金屬離子含量探測可知分布濃度約為10～60 g/L，為此本文試驗中離子含量設定為20 g/L、40 g/L、60g/L，并設定離子含量0 g/L土體作為對比試樣(原狀土)，摻金屬土體均采用固定含量的化學溶液與原狀土拌制重塑形成，其中化學溶液中含有Fe3+、Cu2+等金屬離子，所有土體均采用固結狀態后土體，土體含水量為18%，試驗圍壓根據土料覆蓋土層歷史應力最大為400 kPa，因而本試驗中三軸圍壓設定為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，本試驗中各試驗方案組見表1。

表1 各組試樣試驗圍壓與金屬離子含量

采用土體壓縮滲透試驗儀器，按照以下步驟進行土體三軸試驗。

1) 制樣：將原狀土擊碎多次碾壓，后將土顆粒烘干保存，將碎土顆粒與配置好的金屬離子含量溶液進行攪拌，溶液應分多次與土體搗拌，拌合好的土樣在恒溫恒濕環境中養護48 h，確保金屬離子滲入土樣內，養護好的試樣經擊實后獲得試驗所用土樣；

2) 關閉試驗系統內部的滲透壓裝置，土體完成固結擊實試驗，在養護箱內完成48 h靜壓養護，確保試樣內部初始狀態一致性；

3) 安裝試樣至試驗系統中，并按照既定實驗方案設定好圍壓等參數，安裝變形監測等傳感器，施加目標圍壓值后，開始軸向壓縮加載，采用變形控制加載，速率為0.06 mm/min，直至系統判定試樣發生失穩破壞，停止加載；

4) 結束試驗，保存試驗數據，卸除軸向荷載與圍壓后，更換其他組試樣重復試驗。

3 土體應力應變特征影響性分析

3.1 離子含量影響

經三軸試驗獲得土料摻金屬不同含量下應力應變曲線(如圖2所示)。從圖2中可知，土體在相同加載應變下對應的偏應力水平與金屬離子含量關系并無一致性關系，而是具有顯著的階段性特征，且應力水平在塑性變形階段才更顯著，當應變為8%時，原狀土對應的加載偏應力為425.2 kPa，而金屬離子含量為10 g/L、20 g/L的試樣相同條件下偏應力相比前者分別增大了10.6%、15.4%；同樣的條件下，金屬離子含量為40 g/L、60 g/L的試樣偏應力又相比含量20 g/L時分別降低了4.8%、9.2%；從整體加載應力與金屬離子含量變化關系態勢可知，以金屬離子含量20 g/L為土樣加載應力水平變化拐點，在0～20 g/L含量范圍內，土體加載應力水平與離子含量具有正相關，而金屬離子含量超過20 g/L后，兩者呈負相關關系。筆者分析認為，當金屬離子含量控制在較小的范圍時，金屬離子進入粉質類粘性土體，具有吸附性的粘性礦物顆粒會與金屬離子相貼附，導致土體內部粘性礦物顆粒彼此間距離減小，增大了顆粒間粘結性，從而表現在加載應力水平上升的現象；但不可忽視，粘性礦物顆粒對金屬離子的吸附作用終究是有限的，而土體內部金屬離子含量的增大，會導致更多的金屬離子進入土體內部顆粒骨架，而存有部分金屬離子無法與粘性礦物顆粒相聯系，多余的金屬離子會在土顆粒內部游離導致土骨架膠結物受化學侵蝕破壞[15-16]，進而降低了土體骨架穩定性，呈現加載應力水平降低的態勢。

圖2 土料摻金屬不同含量下應力應變曲線示意

另一方面，金屬離子含量對土體變形能力亦有顯著影響，從整體上看，不論是原狀土亦或是摻金屬離子試樣，土體三軸應力應變曲線均為“線彈性壓縮變形—塑性硬化擴容變形”兩階段特征，而不同金屬離子含量試樣在兩階段變形轉折拐點具有差異，金屬離子含量為0、10 g/L、20 g/L、40 g/L、60 g/L 5個試樣的變形轉折拐點對應的應變分別為1.95%、2.57%、3.71%、5.13%、6.85%，即金屬離子含量愈高，則變形轉折拐點愈靠后，表明土體內部金屬離子的存在，可滯后土體進入塑性擴容階段。從5個試樣的線彈性變形階段可看出，原狀土試樣的線彈性模量為385.3 kPa，而金屬離子含量為10 g/L、40 g/L、60 g/L試樣的線彈性模量相比前者分別減少了32.4%、66.7%、74.8%，即金屬離子在土體內部存在，一方面可抑制線彈性變形增長能力，另一方面遲緩土體試樣進入塑性變形擴容階段的發展。

3.2 試驗圍壓影響

與金屬離子含量對土體三軸力學特性分析類似，給出不同圍壓下土體應力應變曲線(如圖3所示)。從圖3中可看出，圍壓愈大，土體加載應力水平顯著較大，金屬離子含量30 g/L組中，在相同應變6%下圍壓100 kPa的偏應力為361 kPa，而圍壓200 kPa、400 kPa相同條件下的偏應力相比前者分別增大了8.1%、27.1%，圍壓對土體加載應力水平促進效應主要來自于側向變形約束能力，降低了土體內部裂隙發生貫通的延續性。從變形特征來看，線彈性變形階段各圍壓下保持一致，線彈性模量基本接近，3個圍壓下原狀土的線彈性模量穩定在265.1 kPa，而在塑性變形擴容階段，試樣塑性變形發展態勢亦保持一致，僅應力水平存在顯著上差異，原狀土在塑性變形擴容階段應力應變保持穩定不變狀態，而對于離子含量為30 g/L試驗組，在塑性變形擴容階段，3個圍壓試樣的應力應變均為遞增態勢，變形模量亦保持一致，為12 kPa。綜上分析表明，圍壓對摻金屬離子土體的影響主要限于應力特征，具有正向促進效應，而對于土體變形特征影響較小，線彈性變形階段無影響，塑性變形擴容階段僅存在應力水平差異。

(a)原狀土

4 土體三軸強度影響變化分析

為分析摻金屬土體三軸強度與金屬離子含量、圍壓關系，給出圖4所示關系曲線。從圖4中可知，相同金屬離子含量組中圍壓與土體強度具有正相關關系，在離子含量為10 g/L試驗組中，圍壓100 kPa下土體強度為423 kPa，而圍壓為200 kPa、400 kPa下土體強度相比前者增大了25.5%、55%，受圍壓側向束縛力影響下土體強度增長顯著；當離子含量增大至20 g/L后，3個圍壓之間強度幅度差異又為24.8%、54.8%，且在離子含量60 g/L組中，強度幅度差異基本與前兩個離子含量組中接近，表明離子含量增大，并不影響圍壓對土體強度的影響幅度。而在相同圍壓試驗條件下，金屬離子含量20 g/L試樣的強度最大，圍壓200 kPa下該含量下試樣三軸強度為580 kPa，其中離子含量0～20 g/L區間內，強度遞增態勢，當離子含量增大10 g/L，三軸強度平均增長10.3%，而在20～60 g/L區間內，強度遞減發展，離子含量增大20 g/L，強度平均損耗了10.2%，3個圍壓試驗組中，金屬離子含量與三軸強度關系均是如此。

圖4 三軸強度與土體金屬離子含量、圍壓關系示意

5 結語

1) 金屬離子含量對土體應力應變影響具有階段性特征，以離子含量20 g/L下加載應力為最大，含量超過20 g/L后土體應力水平為遞減；土體呈“線彈性壓縮變形-塑性硬化擴容變形”兩階段特征，金屬離子含量愈大，愈遲緩進入塑性變形階段，且線彈性變形能力受之抑制，離子含量為10 g/L、40 g/L、60 g/L試樣的線彈性模量相比原狀土下分別減少了32.4%、66.7%、74.8%。

2) 圍壓對土體力學特性影響主要限于應力特征，各圍壓試樣在線彈性變形階段均保持一致，各圍壓下原狀土線彈性模量均為265.1 kPa，而在塑性變形階段僅有應力水平差異，離子含量增大，可改變各圍壓試樣在塑性變形階段應力發展態勢。

3) 離子含量增大，對各圍壓下土體強度幅度差異無顯著影響，在各離子含量組中圍壓200 kPa、400 kPa下土體強度相比圍壓100 kPa下的幅度差異均為25.5%、55%；在離子含量0～20 g/L區間內，土體強度遞增，含量增大10 g/L，強度平均增長10.3%，含量20～60 g/L區間內，強度遞減，含量增大20 g/L，土體強度平均損耗10.2%。