場地填土料污染狀態下剪切力學特性分析研究

張瑞霞

(呂梁市水利工程建筑總隊，山西 呂梁 033000)

由于我國經濟發展與生產力提高，部分水利工程中常遇到受污染狀態下的巖土體，其對水利工程結構安全穩定性以及滲流狀態影響性均是不可估量的，分析評價污染物對巖土體力學特性影響具有重要意義[1-3]。王曉雷[4]、馮榮[5]、韓曉東[6]利用聲發射以及宏、細觀監測手段，研究巖土體材料在污染狀態下失穩破壞特征，為及時預判工程破壞提供重要前兆參數。當然也有黎柳坤[7]、劉大洲[8]、王雅婷等[9]專家學者利用巖土體材料的顆粒離散性，借助離散元仿真手段建立巖土體數值模型，加以工程實際荷載工況模擬，獲得仿真模型在失穩破壞過程中力學特征變化，為實際工程參數設計與優化提供重要計算參考。當然，室內試驗作為一種可靠研究手段，許多專家設計有土體滲流、三軸加載、直剪試驗等[10-13]，研究了土體試樣試驗力學特性，極大豐富了土體力學研究成果，為認知土體材料在工程中實際應用提供重要依據。本文利用剪切試驗儀器設計開展水利工程中污染狀態下土體剪切力學特征研究，為工程中認知土體剪切力學特征提供設計參數參考。

1 試驗概況

1.1 試驗背景

為提升晉中地區農田水利資源輸送效率，考慮在呂梁市境內設計一中轉水利樞紐設施，該水利樞紐工程包括有抽水泵站、上游閘門設施、承重墩等水利結構。其中抽水泵站設計通行水流量為0.85 m3/s；采用弧型鋼閘門作為控水設施，在最大輸水流量下得開度可為0.9，閘室地基鋪設有防滲墊層，降低水資源消耗，墊層厚度為0.35 cm，采用鉆孔灌注樁作為閘室基礎，極大改善了地區內由于下臥黏土層沉降對閘室結構穩定性影響；結構墩共有8根，每根墩直徑為0.6 m，設計有橫、縱連系梁，降低由于結構張拉應力變化對體系滲流、力學安全性影響。目前該水利樞紐工程已完成初步設計，并對場地內表面風化第四系渣土進行填土壓實，但由于閘室以及抽水泵站對地基承載力要求較高，因而需考慮該水利樞紐工程場地填土料對工程結構承載安全性影響。根據工程設計部門地質踏勘發現，該場地內下臥土層中受到水利滲流動力影響，局部表面填土層中含有金屬污染物，其中檢測發現以Fe3+含量為最顯著，由此分析場地填土料力學特性之時勢必需要考慮污染物含量對其影響。為此，工程設計部門考慮設計對場地填土料取樣開展污染狀態下剪切力學試驗，為準確分析填土料剪切力學特性提供重要數據支持。

1.2 試驗方法

本試驗采用TT-DDS20型直剪儀開展填土料剪切力學實驗，該試驗儀器包括有數據采集系統、剪切箱、加載系統及力學傳感器等四部分，如圖1所示。其中剪切箱內可完成不同尺寸及不同截面形態試樣，數據采集系統間隔0.25～1 s進行數據采集，并可在電腦控制系統中實時觀測試樣剪切力學特征變化。加載系統可完成法向與水平方向加載，加載波動幅度不超過2%，其中法向加載系統范圍為0～2000 kPa，水平向加載范圍為0～1800 kPa，水平剪切速度可根據實驗進程自主控制，速率范圍可為0.001～2.400 mm/min。另該試驗系統耦合有氣壓加載裝置，可實現氣壓狀態下直剪試驗，其中空襲氣壓可為0～300 kPa。力學傳感器包括有剪切荷載傳感器，最大量程為300 kN，位移傳感器最大量程可為±10 mm，所有傳感器均在試驗前進行標定，確保試驗位移測試數據誤差不超過5‰。

圖1 TT-DDS20型直剪儀試驗設備

試樣均取自水利樞紐工程現場，在室內按照填土料最大干密度1.71 g/cm3標準制作試驗土樣，直徑高度分別為60 mm、20 mm，并根據本試驗中污染物Fe3+含量分別設計有三種不同溶液濃度0 g/L、15 g/L、30 g/L、45 g/L、60 g/L、75 g/L，將制作好的試樣放置入污染物溶液中浸泡養護36 h，使試樣中進入有相應的污染物離子；另為模擬不同工程荷載狀態下填土料剪切力學差異，設計以法向應力為代表試驗參數分析其對填土料力學影響，法向應力分別有100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，具體實驗方案中各參數如表1所示。

表1 試驗方案具體參數表

剪切試驗步驟簡要介紹如下：

(1)完成污染物溶液養護的試樣安裝至試驗系統剪切箱中，并確保剪切方向與試樣中心一致，檢查加載裝置與試樣同向對齊，安裝好位移傳感器并清零。

(2)設置法向應力、剪切速率等試驗參數，開始剪切加載，觀測電腦數據采集系統中實時剪切力學數據，直至試樣發生剪切破壞。

(3)停止試驗，卸除剪切荷載與傳感器，更換其他組試樣重復進行上述試驗步驟。

2 試驗參數對填土料力學特性影響

2.1 應力位移

根據前述剪切試驗獲得數據后處理，獲得以法向應力為代表的試驗參數影響下填土料剪切應力位移特性，如圖2所示。從圖中可看出，法向應力愈大，填土料剪切應力水平愈高，在相同剪切位移3 mm時，法向應力100 kPa下試樣剪切力為178.5 kPa，而相同位移下的法向應力200 kPa、400 kPa下試樣剪切力相比前者分別增大了27.0%、64.7%；從剪切力與法向應力關系分析可知，當試驗加載裝置中法向應力愈大，則試樣法向裂紋擴展受到較大約束影響，內部裂隙的產生亦受到一定抑制作用，因而進一步提升了試樣抗剪切特性。

圖2 不同法向應力試驗參數下填土料試樣應力應變曲線

從單個試樣應力位移變化特征來看，試樣剪切力發展分為“線性增長-平穩變化”兩個階段，在線性增長階段，試樣剪切力大幅度增長，而位移并未發生較大改變，特別是當法向應力愈大，線性增長速率愈大，即剪切線彈性模量愈高，其中法向應力100 kPa試樣的線彈性模量為93.1 kPa，而法向應力200 kPa、400 kPa下試樣線彈性模量相比前者分別增大了11.1%、135.6%，由此表明法向應力對填土料剪切線彈性模量亦有正向促進影響。在填土料剪切應力位移“平穩變化”階段中，部分低法向應力試樣發生剪切力小幅下跌現象，法向應力100 kPa試樣峰值剪切應力后期應力下跌幅度為17.2%，即填土料試樣在峰值剪切應力后期出現脆性變形特征，而高法向應力試樣在后期持續處于剪切力平穩狀態，法向應力400 kPa試樣在該階段內剪切力最大波動不超過5 kPa。對比四個試樣兩個階段變化特征拐點處位移可知，分別為2.38 mm、2.43 mm、2.37 mm、2.46 mm，即剪切力發展階段節點位移均為一致，表明法向應力對填土料剪切位移影響較小。

2.2 抗剪強度

在剪切力學分析中，研究試樣抗剪強度對工程設計參數具有重要指導意義，因而給出法向應力參數與填土料抗剪強度關系特征，如圖3所示。從圖中可看出，法向應力愈大，填土料抗剪強度愈高，且兩者具有線性函數關系，法向應力100 kPa時對應的填土料抗剪強度為180.8 kPa，而法向應力為300 kPa、400 kPa的填土料試樣抗剪強度乃是前者的1.48倍、1.66倍，當法向應力增大100 kPa時，在無污染狀態下的填土料抗剪強度平均增長18.6%，工程設計部門可依據此對水利樞紐工程中承重結構材料參數進行優化設計。

圖3 不同法向應力參數下抗剪強度變化曲線

3 污染物含量對填土料力學特性影響

3.1 應力位移

根據不同污染物溶液養護后試樣剪切力學試驗，獲得污染物含量影響下填土料剪切力學特性，圖4為各污染物含量下試樣剪切應力位移曲線。從圖中可看出，污染物含量對填土料并無顯著一致性影響規律，剪切力水平受污染物含量呈階段性影響變化，在污染物含量0～30 g/L養護下試樣剪切力水平隨污染物含量為遞增態勢，特別是污染物含量為0 g/L，即無污染狀態下剪切位移1.5 mm 時的剪切力為209.5 kPa，而相同條件下含量15 g/L、30 g/L試樣的剪切力相比前者分別增大了23.7%、42.7%，表明含量愈高的污染物浸泡后對填土料抗剪能力有所提高作用。當污染物含量超過30 g/L時，剪切力水平隨污染物含量為遞減態勢，且降低幅度較大，在相同剪切位移1.5 mm 時，污染物含量45 g/L、75 g/L試樣的剪切力相比30 g/L含量中試樣降低了13.5%、36.5%，相同剪切位移條件下，污染物含量每15 g/L 增大，導致了剪切力22.3%幅度的下降，表明污染物含量超過一定界限后，極大削弱了填土料抗剪性能。筆者認為，當污染物Fe3+含量處于一定界限區間范圍時，填土料試樣在該污染物溶液中養護浸泡后，Fe3+可與填土料試樣內部黏土礦物相結合，并吸附在礦物顆粒表明，拉近了各個礦物顆粒之間距離，形成顆粒間“粘結劑”增強了填土料晶體顆粒黏結性與顆粒咬合摩擦度，可較好改善填土料抗剪能力，因而宏觀上展現了填土料剪切力水平隨污染物含量遞增的現象[14-15]。但不可忽視，當污染物含量超過“安全”界限后，此時填土料內部黏土礦物可吸附的表面積逐步減小，而大量的Fe3+存在，達到與填土料內部水分子發生中和反應的條件后，極大改變了填土料顆粒間物理結構，降低了顆粒骨架結構穩定性，污染物Fe3+離子對顆粒結構的侵蝕作用在污染物含量上升的過程中逐步加強，呈現填土料剪切力水平大幅下降的態勢，抗剪性能顯著降低。

圖4 不同污染物含量下填土料試樣應力應變曲線

3.2 抗剪強度

與分析試驗參數對填土料抗剪強度影響類似，給出不同污染物含量影響下的填土料抗剪強度變化特征，如圖5所示。從圖中可看出，以污染物含量30 g/L為界限，在0～30 g/L區間內填土料抗剪強度隨污染物含量遞增，在法向應力200 kPa試驗條件下，污染物含量15 g/L、30 g/L試樣的抗剪強度相比無污染下試樣增長了8.4%、23.0%，平均污染物含量遞增15 g/L，填土料抗剪強度增長10.9%；在30～75 g/L含量內，抗剪強度隨污染物含量大幅下降，且污染物含量遞增15 g/L，可帶動填土料抗剪強度8.4%的幅度下降。

圖5 不同污染物含量下抗剪強度變化曲線

當法向應力參數增大至300 kPa、400 kPa后，污染物含量0～30 g/L區間內的填土料抗剪強度影響性幅度有所增大，在法向應力參數為400 kPa時，污染物含量遞增15 g/L，填土料抗剪強度平均增長幅度可達29%，而相應的污染物含量30～75 g/L區間內，抗剪強度平均降低幅度又為4%。由此表明，當法向應力參數增大后，一方面可提升污染物含量對填土料抗剪性能的正向促進作用，另一方面又可削弱污染物Fe3+對填土料侵蝕作用，降低污染物對填土料抗剪強度的抑制作用。

4 結 論

(1)法向應力愈大，填土料剪切力水平愈高，相同位移3 mm時的法向應力200 kPa、400 kPa下試樣剪切力相比100 kPa下分別增大了27.0%、64.7%；填土料剪切力發展為“線性增長-平穩變化”兩階段，法向應力愈大，線性增長階段彈性模量愈大，低法向應力填土料在平穩變化階段具有小幅剪切力下跌現象。

(2)污染物含量對剪切力影響具有階段性特征，在含量0～30 g/L區間內為遞增，而在此之后為降低；在相同剪切位移1.5 mm時，污染物含量15 g/L、30 g/L試樣的剪切力相比含量0 g/L下分別增大了23.7%、42.7%，而含量45 g/L、75 g/L試樣剪切力又相比30 g/L含量下降低了13.5%、36.5%。

(3)法向應力與填土料抗剪強度具有線性正相關函數關系，當法向應力增大100 kPa時，無污染狀態下的填土料抗剪強度平均增長18.6%；以污染物含量30 g/L為界限，在0～30 g/L區間內填土料抗剪強度遞增，在30～75 g/L含量內，抗剪強度為下降，且法向應力增大，既可提升污染物含量正向促進抗剪強度效應，在污染物含量抑制強度區間內，具有降低抑制作用。