滄江水利樞紐土石圍堰工程改良土力學特征影響研究

何杰明

(佛山市高明區城市重建和項目代建中心，廣東 佛山 528000)

1 概 述

巖土材料力學穩定性與水利樞紐工程設計安全性密切相關[1-2]，研究巖土力學特征對推動水工結構設計水平具有重要作用。土體力學水平受影響變化的因素較多，特別是針對軟弱不良土體改良后，其力學特征受改良劑、工程環境以及自身構造影響[3-4]。因而，探討水利工程中改良土體的力學特征影響變化具有重要意義。陳葉基[5]、崔博等[6]利用顆粒流PFC仿真平臺，根據工程實際設定不同研究工況，獲得了顆粒流土體模型在力學荷載下應力應變特征，為工程建設提供理論依據。針對于顆粒流計算過程理想化特點，室內試驗手段應用較為普遍，采用精密土工室內儀器設計開展相應的力學加載破壞試驗，可探討工程巖土體的力學變化特征，建立室內試驗理論與工程設計的關聯性，此類試驗研究對象包括有原狀土、改性土等，也可變換三軸[7]、凍融[8]、剪切[9]等多類型試驗條件。當然，還有些工程師通過原位試驗探討現場土體的物理力學特性[10]，為試驗研究提供了前期基礎。基于滄江水利樞紐工程一期圍堰建設緊迫性，研究探討圍堰填筑料改性劑作用下力學特征差異性，為圍堰設計與施工提供參照。

2 試驗概況

2.1 工程概況

佛山滄江水利樞紐是地區重要水利樞紐設施，目前考慮對其開展重建設計，包括水閘、泵站等水工設施，重建后效果見圖1。滄江水閘按照大(Ⅱ)型水閘設計，水閘施工一、二期圍堰導流流量設計為552 m3/s。圍堰設施作為水利施工安全性重要保障，對滄江水利樞紐工程開展分期劃分，分別采用碾壓式土石圍堰與鋼板樁圍堰，本文研究對象放在一期圍堰工程中。該期圍堰設計堰頂高程5.50 m，堰頂寬度5.0 m，兩側坡比1/2.5，上游側設置厚60 cm拋石護坡，護坡與堰體之間鋪填15 cm砂墊層，下游側設置厚30 cm石渣護坡。上游堰殼頂高程1.9 m，頂寬4.0 m，上游側邊坡1/2，下游側邊坡1/1.5，上游側及堰殼頂設置厚60 cm拋石護坡，護坡與堰體之間鋪填15 cm砂墊層；圍堰上游側設置防浪墻，墻頂高程5.5 m，墻頂寬度1.0 m。一期土石上游橫向圍堰采用高噴防滲墻進行防滲，防滲墻防滲線長248 m，防滲墻平均實樁長度10.5 m，空樁長度5.5 m，圍堰堰底鋪設雙向土工格柵，伸出兩側堰腳2.0 m，雙向土工格柵縱橫向極限拉伸撕裂強度40 kN/m。一期上游橫向土石圍堰堰體采用工程現場土料填筑，上下游堰殼填料采用碎石料填筑，堆筑料力學穩定性決定圍堰施工質量，而根據對現場均質土料調查得知，其軟弱沉降變形較大，孔隙分布較多，不利于分層壓密，且局部土料含水量較高，當處于冬季施工期時易出現局部凍脹，導致土樣出現宏觀大裂縫，不利于圍堰工程穩定性。綜合工程成本與設計安全，工程設計部門考慮對現場均質軟弱土料開展物理改良，確保圍巖堆筑料滿足施工技術要求。

圖1 滄江水利樞紐設計效果圖

2.2 試驗介紹

為研究滄江水利樞紐一期圍堰堆筑料軟弱土料的改良力學特性，本文采用DTC剪切試驗儀開展物理改良土三軸力學試驗研究。該試驗設備包括加載裝置、數據采集裝置及電腦控制裝置，實驗室設備見圖2。該試驗設備可根據試樣特性，適配最大剪切荷載達100 kN，圍壓最大10 MPa，所有荷載加載均采用液壓程序控制方式，加載過程中荷載波幅不超過1%，本試驗中圍壓加載速率為1.5 MPa/min，該試驗系統軸向靜力荷載最大滿足300 kN要求。采用多通道數據采集裝置為數據分析處理裝備，共有16個通道，但本試驗中根據具體要求共設置有8～12通道，滿足實時采集荷載、變形等試驗參數要求，數據采集間隔為0.01～20 s，每一個數據均是根據多個通道同時定位處理后獲取，數據平滑度超過98%。所有的數據采集通道另一端分別連接著軸向、環向變形傳感器以及荷載、圍壓傳感器等，其中軸向變形傳感器在本試驗中量程為-15～15 mm，而環向變形傳感器由于量程限定，在本試驗中并未測定，所有傳感器在試驗前均已標定，確保誤差不超過0.1%。實驗全過程均采用電腦程序控制，所有試樣加載變形速率控制為0.01 mm/min，試驗進程確保可控狀態，滿足試樣破壞力學研究要求。凍融交替試驗采用凍融交替箱設備，該設備可完成試驗溫度-20℃～80℃，低溫采用電阻傳導式，交替試驗過程中降溫速率為0.5℃/min，而達到目標溫度值后保持3 h穩定，才開始下一階段升溫，升溫為自然狀態溫度增高至室溫20℃即可，保持4 h，各級溫度振幅不超過5%，低溫凍結溫度設定為-20℃。

圖2 土體三軸剪切儀

為研究改良土力學特征，本文設定試驗圍壓為100、200、300和400 kPa，而改良劑采用聚丙烯酸類人工合成化合物，摻量是研究對象，根據重塑土試樣質量，分別摻加合成改良劑2%、4%、6%、8%和10%，試樣直徑高度分別為50、100 mm。凍融試驗中，交替次數分別設定為0、25、50、75和100次，各組具體試驗方案見表1。研究對比過程中以單一變量因素開展分析，獲得凍融交替物理損傷作用下改良土力學特征。

表1 試驗具體方案

3 改良土應力應變特征影響

3.1 交替作用

基于對凍融交替后試樣開展三軸剪切試驗，獲得交替作用影響下的改良土試樣應力應變特征，見圖3。從圖3中可看出，在相同試驗圍壓下，交替次數對改良土加載應力水平影響具有一致性，兩者具有負相關關系；在圍壓100 kPa下，同一應變2%時無凍融損傷作用下試樣加載應力為194.36 kPa，而交替次數為50、100次時應力較之減少49.8%、74.7%，此種現象在改良土試樣進入屈服變形階段后更為顯著。當圍壓增大至400 kPa后，改良土試樣整體承載應力水平有所提高，但各交替次數下試樣的加載應力差異幅度有所減小，在該圍壓下仍是應變2%時的無交替作用試樣的加載應力為482.4 kPa，而交替25、50、100次試樣應力與之分別具有降幅28.7%、39.1%、65.2%。由此可知，圍壓增大，有助于削弱凍融交替對改良土試樣的損傷效應。筆者認為，每次的凍融交替本質上是對土體試樣本身內部孔隙的影響，當經受多次凍融交替，孔隙逐步撐大，導致土體顆粒骨架結構出現滑移傾向，進而表現在加載應力水平降低；但圍壓增大后，土顆粒內部孔隙有進一步縮小的可能，這對于試樣的凍融交替損傷具有一定的“愈合”作用，故而其加載應力差異在圍壓作用下有所減小[11-12]。

圖3 交替作用下剪切應力應變特征

對比兩個典型圍壓下改良土試樣應變特征可知，改良土彈性變形較短，且各交替次數下試樣的彈性應變差異較小，主要影響在塑性變形階段，當交替次數愈大，則試樣峰值應變后塑性特征愈顯著，此種現象在兩圍壓下基本一致。從峰值應變來看，相同圍壓下保持一致，圍壓100、400 kPa下不同交替次數試樣的峰值應變分別為3.4%、3.7%。綜合分析可知，凍融損傷作用主要影響改良土峰值應力后塑性變形，對土體彈性變形及峰值前變形階段影響較小。

3.2 改良劑摻量

同理，對不同人工化合物改良劑摻量試驗組試樣力學數據處理，獲得改良劑摻量影響下改良土應力應變特征，見圖4。根據改良土加載過程中應力水平表現可知，摻改良劑試樣的加載應力水平均高于原狀軟弱土料試樣，改良劑對土體承載能力影響為正向作用。同時，改良劑摻量對土體試樣的承載應力影響具有階段性特征，當改良劑摻量低于6%時，加載應力水平與之具有正相關，但摻量超過6%后，兩者關系發生逆轉變化；在圍壓100 kPa下，應變2%時原狀軟弱土體試樣的應力為40.2 kPa，而摻量在6%以內時，每增大2%，則在該應變下改良土試樣應力平均可增長50.6%，但摻量超過6%后，相應的摻量8%、10%試樣應力較之6%下分別減少15.7%、45.5%。筆者認為，改良劑摻量對軟弱土體試樣加載應力的影響揭示了應選擇合理摻量，而不是一味添高摻量，否則會對土體承載水平產生負面影響。從土顆粒骨架結構穩定性分析可知，人造化合物改良劑是一種微小細顆粒，其可以作為軟弱土料孔隙中的填充劑，提升土體密實度，降低由于自然孔隙帶來的加載破壞裂紋面，但不可忽視被填充的開口孔隙在軟弱土體中是有限的，改良劑摻量過多，并不會帶來更顯著的變化，反而承載能力較弱的改良劑顆粒會形成土骨架內部薄弱層，導致試樣承載能力損失[13]。

圖4 不同摻量下剪切應力變形特征

圍壓增大，改良劑摻量對土體試樣力學特征影響基本類似，而應變特征在高圍壓下得到提升。當改良劑摻量愈多，改良土彈性模型特征參數有所增大，但僅局限于摻量6%以內，圍壓100 kPa下摻量2%試樣彈性模量為31.6 kPa，而摻量每增大2%，模量參數平均可增長44.1%。綜合認為，人工合成改良劑對土體試樣變形特征影響集中在彈性變形，特別是以彈性模量參數為典型代表。

4 改良土抗剪強度特征影響

根據對交替作用、改良劑摻量綜合分析，獲得兩因素影響下改良土抗剪強度變化特征，見圖5。根據抗剪強度變化趨勢可知，改良劑摻量保持在適宜值即可，在不同交替次數試驗組中，改良土抗剪強度最高均指向摻量6%，在交替50次下，摻量0～6%與6%～10%兩區間內抗剪強度分別呈平均遞增39.3%與遞減22.9%。當凍融交替次數愈大，則改良土試樣抗剪強度愈低，以摻量6%試樣為例，其在交替0次下抗剪強度為360.8 kPa，而交替次數增大至50、100次后試樣的強度較之分別減少16.8%、52.2%，平均交替每增長25次會導致抗剪強度損失29.6%。從滄江水利樞紐設施建設安全性考慮，摻量選擇在6%左右較為合理，且盡量避免改良土出現高低溫交替作用，減弱物理損傷。

圖5 抗剪強度變化特征

根據對3個圍壓下試樣抗剪強度參數分析，獲得抗剪特征參數與摻量、交替次數關系，見圖6。從圖6中可知，抗剪特征參數受改良劑摻量影響關系與抗剪強度一致，均以摻量6%為特征參數最高，在交替50次時摻量6%試樣的黏聚力為52.7 kPa，而摻量2%、10%試樣黏聚力較之分別減少11.8%、11.6%；但內摩擦角受摻量影響敏感弱于前者，同樣在該交替次數下摻量0～6%間內摩擦角參數隨摻量的增長，平均遞增2.4%，而摻量超過6%后，影響幅度為降幅1.4%。交替次數增大，兩抗剪特征參數均隨之減小，摻量10%時無交替下試樣的黏聚力、內摩擦角參數分別為49.4 kPa、47.1°，而交替每增大50次，導致兩參數分別降低8.7%、3.2%，仍然以內摩擦角的影響敏感度最低，同時也表明交替作用會對抗剪參數產生抑制效應。

圖6 抗剪特征參數受摻量影響變化

5 結 論

1)交替次數與改良土加載應力水平為負相關關系，摻量6%試樣在交替每增長25次時，抗剪強度平均損失29.6%，當圍壓增大，交替損傷作用有所減弱；凍融作用影響改良土峰值塑性變形，對彈性變形影響較小。

2)改良土加載應力水平高于原狀土；當改良劑摻量低于6%時，摻量與改良土加載應力水平為正相關關系，但摻量超過6%后，兩者關系逆轉；凍融50次下，摻量0～6%與6%～10%兩區間內抗剪強度分別呈平均遞增39.3%與遞減22.9%；摻量6%以內，改良土彈性模量隨之平均增長44.1%。

3)抗剪特征參數受摻量、交替次數影響作用與抗剪強度一致，且內摩擦角參數受影響敏感度弱于黏聚力，摻量10%時，交替每增大50次，導致改良土黏聚力、內摩擦角參數分別降低8.7%、3.2%。

4)滄江水利樞紐圍堰工程堆筑料的改良劑摻量應控制在6%較為合理，且避免改良土料受高低溫交替作用。