樞紐工程壩基土新型改良材料下力學試驗研究

李春元

(廣東益鑫源工程建設管理咨詢有限公司，廣東 江門 529000)

1 概 述

土體作為水利工程中重要承載的天然材料，研究土體力學穩定性對推動水工建筑安全設計具有重要意義[1-2]。另一方面，由于受天然因素影響，不同土體具備的承載能力具有顯著差異，有的甚至對工程承載設計具有負面影響，為此針對解決不良土層孔隙偏大、松散等問題，可采用物化改良等方法，對改良后土體力學穩定性評價是土體改良效果的關鍵[3-4]。吳琪等[5]、李遠征等[6]根據土體顆粒流特點，設計采用離散元方法研究了不同工況、不同狀態參數下土體力學特征變化，為工程土體力學研究提供了計算參照。由于顆粒流與離散元計算結果與工程實際有所偏差，因而一些學者探討采用現場原位試驗儀器完成工程土體力學測試，直接從現場獲得土體承載性能參數，為工程應用提供依據[7]。現場原位試驗儀器精度可靠性欠佳，且無法準確獲得土體力學特性的影響變化規律，因而李旨洪[8]、李蓬勃等[9]、韋麗[10]利用室內土工試驗設備設計開展了土體三軸壓縮、滲流等試驗，特別是可對重塑后改良土試樣進行數據分析，探討改良效果對土體力學特征變化影響。本文對壩基不良土體采用新型固化液聚合物的改良方法，開展改良土三軸力學試驗，評價不同因素對改良土力學特性影響，為工程建設提供科學依據。

2 試驗概況

2.1 工程背景

為改善粵北地區水力資源分布不均現狀，在珠江上游考慮新建一座水利樞紐，承擔地區防洪、蓄水調度、排澇及灌溉等水利作用。設計上游蓄水庫最大容量為6 000×104m3，最大集水面積超過200×104m2，建設引水明渠55 km，惠及下游農田超過13.333×104hm2，有效提升地區農業灌溉效率，降低農業用水缺水率。該樞紐工程包括有主壩、溢洪道、輸水渠道及水力控制設施，溢洪道與泄洪閘構成樞紐工程主要泄流設施，設計最大泄流量為300 m3/s，采用階梯式溢流面作為溢洪道過渡段；下游配備有消能池、消能坎、水工擋墻等消能建筑，為確保各類水工消能建筑的運營穩定性，均在地基持力層中深挖1.5 m，而該地基覆蓋土與壩基上覆土層性質基本一致，均為黏土體。該工程中主壩設計高度為35.5 m，采用混凝土重力壩設計形式，壩頂寬度為3.5 m，在局部壩肩處加設有防浪墻，有效降低由于水力沖刷對壩體沖蝕影響，高度為2.6 m，墻體面層采用抗滲纖維體，降低后期維護成本。壩身采用止水面板與土工防滲系統，設計壩體內最大滲透坡降不得超過0.2，限制滲流活動，壩身上下游最大水頭差不超過2 m，壩身內靜水壓力低于20 kPa。全壩體均坐落在片麻巖與黏土的地層上，前期鉆孔資料表明片麻巖粒徑為5～12 mm，室內測試最大抗壓強度可達44 MPa，且片麻巖完整性較佳，無顯著孔隙及節理面，靜水壓力滲透測試表明孔隙度最低可達0.05%，這也是該樞紐工程選擇該壩基的重要根源。但不可忽視，另一方面地基上覆土層以黏性土為主，顆粒松散性較大，且遇水后易發生膨脹，內部孔隙分布較多，不利于壩體結構穩定性。土工實驗表明，珠江上游黏土屈服壓力以150～200 kPa為主，滲透系數超過2×10-3cm/s，局部土層防滲效果較差。為此，工程設計部門考慮對地基上覆土層進行改良，并引入固化液人造聚合物材料，與黏土進行混合，使黏土顆粒結構趨于固化穩定，強化地基土體承載力。由于固化液材料在黏土物化改良研究領域還較少，因而對固化液的摻量及改良后土體的養護均是工程設計的關注重點，故本文以固化液聚合物摻量及養護條件作為研究對象，分析該因素對改良土力學特征影響，進而為樞紐工程壩基處理提供依據。

2.2 試驗介紹

為確保試驗結果可靠性，本文采用ELDyn三軸試驗系統開展不同影響因素的改良土三軸力學試驗，見圖1。該試驗系統最大可完成30 MPa圍壓試驗，軸向荷載可根據試驗需求更換不同精度傳感器，最大荷載可至400 kN，加載裝置位于柔性密封壓力室中，所有傳感器、采集設施探頭均安裝在壓力室，可承受相應的壓力且不影響精度。試驗采集裝置共有8個通道，全部可實時傳輸采集數據至中控樞紐，實驗全過程可監測試樣變形破壞過程。本試驗中采用直徑、高度分別為38、76 mm的試樣，均為非飽和狀態，全程均采用變形控制加載試樣，速率為0.02 mm/min，測試試樣在三軸圍壓下變形破壞特征。

圖1 三軸試驗系統

所有土體試樣均取自工程現場，在室內經擊實試驗后獲得土樣最大干密度為1.73 g/cm3[11]，而試樣在室內碾碎后，均勻加入相應摻量的固化液聚合物，經人工模具壓實成型，獲得相應的改良土試樣，見圖2。所有制備好的試樣均放到標準養護箱內，按照試驗設定的養護齡期，完成力學試驗前養護工作。本試驗中各組具體試驗參數見表1。

圖2 制備的改良土試樣

表1 各組重塑試樣石灰摻量與凍融次數

3 新型改良土力學特性影響分析

3.1 固化液摻量對改良土應力應變影響

根據新型改良土三軸加載力學試驗，獲得不同固化液摻量下改良土應力應變特征，見圖3。

圖3 不同固化液摻量下改良土應力應變特征

從圖3中可知，圍壓100 kPa下試樣加載應力水平與固化液摻量具有正相關變化關系，當處于同一應變3%時，固化液摻量0.1%試樣的加載應力為213.2 kPa，而摻量0.15%、0.25%下試樣的加載應力較前者分別增長28.8%、66.7%；同時，所有摻有固化液聚合物改良土加載應力水平顯著高于原狀黏土，同一圍壓應變3%下原狀黏土的加載應力較摻量0.1%、0.25%時分別減少22.5%、53.5%。從固化液摻量對原狀土改良效果來看，固化液聚合物成分有助于提升黏土顆粒結構穩定性，提高整體承載能力；且當固化液摻量愈大，則改良土的承載穩定性愈好。但不可忽視，固化液摻量愈大，試樣彼此間加載應力差幅在減小，如摻量0.2%、0.25%兩試樣在應變0%～2%、8%～15%段基本應力水平一致，表明固化液摻量具有“合理區間值”。當圍壓增大至300 kPa后，固化液摻量與加載應力水平關系并未發生改變，且圍壓增大后，各不同摻量改良土加載應力水平整體增大，表明圍壓增大，不僅不會影響固化液聚合物對原狀黏土穩定性的提升，而且對加載應力水平增強效果顯著[12-13]。

從變形特征來看，在圍壓100 kPa下，除原狀土、摻量0.1%試樣未出現顯著峰值應力，其他摻量試樣均出現了顯著峰值應力與應力下跌階段，表明摻量愈高，在圍壓較低時改良土具有脆性變形破壞特征。圍壓100 kPa下摻量0.1%試樣峰值應力后期長期穩定在238 kPa左右，而摻量0.2%、0.25%試樣峰值應力后期應力跌幅超過22.6%、25.5%。圍壓300 kPa下，各改良土試樣應力應變曲線均未出現下跌階段，表明圍壓提高后，改良土塑性變形能力得到強化。兩圍壓下摻量改變，影響改良土彈性變形較小，圍壓100、400 kPa下彈性模量參數差距達3.6倍。分析認為，固化液聚合物本質上是一種凝固劑，對試樣顆粒構造影響較小，故不影響其同一圍壓下線彈性變形特征，但對改良土塑性變形特征影響較大。

3.2 養護齡期對改良土應力應變影響

同理，對不同養護齡期下改良土試樣三軸應力數據處理，獲得養護齡期對改良土應力應變影響，見圖4。從圖4中可知，養護齡期愈大，則改良土加載應力水平愈高，且齡期對加載應力水平的促進效應在高齡期下依然較顯著，圍壓100 kPa時同一應變3%下齡期0 d時加載應力為290.8 kPa，而齡期4、12 d時加載應力較前者分別增長6.9%、25.2%。不可忽視，齡期愈大，黏土顆粒內部固化液滲透效果愈好，對顆粒骨架孔隙填充、密實度提高均具有重要作用，故而加載應力水平隨之提高。另一方面，圍壓增大后，低齡期試樣間應力應變效果差異性較小，僅在高齡期12 d時加載應力水平顯著增大。分析認為，圍壓增大，低齡期下改良土顆粒間孔隙有助于縮小，這一定程度上減弱了不同齡期間差異性，由此可知圍壓對加載應力水平的增強效應有助于減弱養護齡期的作用。

圖4 不同養護齡期下改良土應力應變特征

從變形特征來看，相比固化液摻量的影響效應，養護齡期的影響效果較弱，在圍壓100 kPa下各齡期試樣在屈服應力前基本均保持一致，而在峰值應力下跌段又具有類似性，各試樣峰值應變均保持一致，為4.4%。圍壓300 kPa下低齡期試樣加載應力應變曲線均為一致，無顯著差異，表明高圍壓下齡期較低時，改良土變形特征差異性較小，僅在齡期超過8 d后，才具有顯著差異性。齡期改變，同一圍壓下試樣彈性模量一致，兩圍壓下分別為117.8、461.4 kPa。綜合分析認為，齡期對改良土彈、塑性變形影響均較小，且齡期對改良土加載應力水平影響受圍壓效應影響。

4 新型改良土抗剪強度特征分析

4.1 強度特征

基于改良土三軸應力試驗數據處理，獲得改良土三軸抗壓強度與固化液摻量、養護齡期關系，見圖5。根據圖5中強度變化關系可知，固化液摻量與改良土三軸抗壓強度具有正相關關系，但摻量0.2%、0.25%時強度基本接近，在養護齡期0 d時，摻量0.1%試樣抗壓強度為192.8 kPa，而摻量0.15%、0.25%試樣下相比之增大53%、71.4%，整體上看固化液摻量每增大0.05%，改良土抗壓強度平均可增長18.6%，增幅集中在摻量0.2%之前；當養護齡期增大至4 d、12 d后，改良土抗壓強度隨固化液摻量的平均增幅分別可達17.2%、16.3%，即養護齡期增大，改良土三軸強度受固化液摻量影響效應稍有減弱。在同一固化液摻量下，齡期愈大，則三軸抗壓強度增高，固化液摻量0.15%試驗組中，齡期0 d時試樣三軸強度為295.1 kPa，而齡期8、12 d時強度較之提高23.7%、32.2%，該組中隨齡期增長4 d，改良土三軸強度增長9.8%。從工程應用方面考慮，壩基經改良處理后，應經一定時間的養護后再進行下一階段施工，有利于壩基具有更大承載力。

圖5 改良土三軸抗壓強度影響變化關系

4.2 抗剪特征參數

根據對3個圍壓試驗組改良土試樣抗剪特征參數處理，獲得抗剪特征參數與固化液摻量、養護齡期關系，見圖6。從圖6中可知，各養護齡期試驗組中，黏聚力均以摻量0.2%下為最高，在齡期4 d組中，摻量0.1%、0.25%試樣黏聚力較0.2%下分別減少11.2%、1.3%，表明該摻量下改良土抗剪特性較佳。齡期增長，黏聚力均增長[14-15]，在齡期0d中黏聚力分布為82.35～110.04 kPa，而齡期4、12 d中黏聚力分布較前者增幅為3.9%～6.3%、15.4%～19.7%，而最大增幅出現在摻量0.2%試樣，即該摻量下試樣不僅抗剪特征最佳，且受齡期促進效果最好。從內摩擦角特征參數來看，其隨固化液摻量均為遞增，在齡期8 d組中，摻量每增大0.05%，內摩擦角平均增長6.2%，而在齡期0 d、12 d中，其內摩擦角平均增幅基本未發生較大變化，表明內摩擦角受固化液摻量提高效應不受齡期限制影響，即控制固化液摻量，在各齡期下改良土抗剪能力均具有顯著提升。

圖6 抗剪特征參數影響變化關系

5 結 論

1) 固化液聚合物對改良土強度提升存在合理摻量值，為0.2%，齡期0 d時固化液摻量每增大0.05%，改良土三軸強度平均可增長18.6%，但增幅集中在摻量0.2%之前；固化液對改良土線彈性特征影響較小，但對塑性變形影響較顯著。

2) 養護齡期與改良土承載應力為正相關關系，固化液摻量0.15%試驗組中，隨齡期增長4 d，改良土三軸強度增長9.8%，但圍壓增大，有助于減弱齡期對強度的促進作用；齡期對改良土彈、塑性變形影響均較小，高圍壓下齡期超過8 d后變形具有顯著差異。

3) 黏聚力均以固化液摻量0.2%下為最高；齡期增長，黏聚力均增長，齡期4 d、12 d中黏聚力較0 d下增幅3.9%～6.3%、15.4%～19.7%，而最大增幅為摻量0.2%試樣；內摩擦角隨固化液摻量、齡期均為遞增，但齡期改變，其平均增幅均穩定在6.2%。