不同風(fēng)化程度砂巖庫岸邊坡加固技術(shù)研究

趙丹丹

(新疆維吾爾自治區(qū)水利管理總站，新疆 烏魯木齊 830000)

水庫運行期間，消落帶岸坡巖層處于干濕交替環(huán)境，造成巖體的物理力學(xué)性質(zhì)快速劣化，很可能造成水庫庫岸邊坡失穩(wěn)破壞，因此有必要對水庫運行期間庫岸邊坡加固技術(shù)進(jìn)行研究[1- 4]。砂巖是最為常見的巖體之一，廣泛分布在全國各地，在水利工程中更為常見，砂巖本身是一種強度較高的巖石，但是不同風(fēng)化程度的砂巖強度相差很大，在干濕循環(huán)損傷作用后下，其力學(xué)性質(zhì)會發(fā)生不同程度的劣化，特別是中風(fēng)化和強風(fēng)化砂巖，在干濕循環(huán)作用下強度會發(fā)生較大幅度降低，造成岸坡發(fā)生失穩(wěn)破壞，因此有必要對分布有中風(fēng)化和強風(fēng)化砂巖的庫岸邊坡進(jìn)行加固處理[5- 7]。

本文基于前人研究理論和經(jīng)驗，采用化學(xué)加固法對不同風(fēng)化程度砂巖進(jìn)行了加固處理試驗研究，以期能為水庫運行期間砂巖岸坡治理提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 砂巖取樣與試件制備

試驗砂巖取自某水庫消落帶，巖性為砂巖，夾雜有少量的砂質(zhì)泥巖，按照風(fēng)化程度分為中風(fēng)化砂巖和強風(fēng)化砂巖。將現(xiàn)場取回的砂巖經(jīng)鉆芯、切割、打磨等多個步驟，制作成直徑為50mm、高度為100mm(或者25mm)的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體。利用超聲波檢測儀對試件的初始波速進(jìn)行測試，選取波速相等或者相近的巖樣進(jìn)行試驗，以盡量減小試件離散性對試驗結(jié)果的影響。

1.2 加固材料選擇

采用化學(xué)加固方式對砂巖岸坡進(jìn)行加固，常用的化學(xué)加固材料包括丙烯酸鹽類、環(huán)氧類、聚氨酯類等[8]。考慮到現(xiàn)場施工條件，同時綜合加固材料環(huán)保性能、經(jīng)濟性能、加固性能、抗老化性能等多項因素，本文采用改性聚氨酯-納米復(fù)合材料對砂巖進(jìn)行加固，加固材料的具體配方為硅酸鈉4.27%、三乙胺4.16%、鄰苯二甲4.94%、酸二丁酯42.12%、二異氰酸酯25.15%、聚丙二醇硅烷偶聯(lián)劑7.61%、納米TiO212.56%，具體性能指標(biāo)見表1。

表1 改性聚氨酯-納米復(fù)合材料特性

1.3 試驗方案

試驗分為2組：第1組為砂巖加固前力學(xué)性能測試，第2組為采用改性聚氨酯-納米復(fù)合材料對砂巖表面充分涂抹后進(jìn)行力學(xué)性能測試。試驗過程中，滲透壓差大小為0.15MPa，分別對干濕循環(huán)0、1、2、4、6、8次后的砂巖進(jìn)行物理力學(xué)性能測試，其中中風(fēng)化砂巖進(jìn)行單軸抗壓、抗剪強度和吸水率試驗，強風(fēng)化砂巖由于本身強度較低，故只進(jìn)行點荷載強度試驗和吸水率試驗。

2 加固前后效果

2.1 抗壓強度

中風(fēng)化砂巖加固前后抗壓強度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化特征如圖1所示。從圖1可知：在砂巖加固前，砂巖的單軸抗壓強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈冪函數(shù)型降低，在0～4次干濕循環(huán)下，抗壓強度的降幅較大，當(dāng)經(jīng)歷4次干濕交替后，抗壓強度降低了67.6%，在第6次和8次干濕循環(huán)后，砂巖的抗壓強度逐漸穩(wěn)定，在歷經(jīng)8次干濕循環(huán)后，單軸抗壓強度降低了70.5%，砂巖未加固時，由于砂巖屬于多孔隙結(jié)構(gòu)巖石，且其中含有砂質(zhì)泥巖等易溶于水的物質(zhì)，在干濕交替前期，這些物質(zhì)快速溶解于水中，導(dǎo)致砂巖的密實度降低，故而強度迅速降低，在經(jīng)過多次干濕交替后，這些物質(zhì)基本溶解完后，強度逐漸穩(wěn)定下來；采用改性聚氨酯-納米復(fù)合材料對砂巖進(jìn)行加固后，砂巖的單軸抗壓強度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加基本呈線性減小，且減小的幅度很小，在經(jīng)歷8次干濕交替后，抗壓強度的降幅僅為20.5%。

圖1 加固前后單軸抗壓強度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

2.2 點荷載強度

強風(fēng)化砂巖加固前后點荷載強度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化特征如圖2所示。從圖2可知：在砂巖加固前，點荷載強度也是隨干濕循環(huán)次數(shù)增加呈冪函數(shù)降低，在干濕循環(huán)前期(0～4次)，砂巖的點荷載強度下降幅度較大，達(dá)到34.6%，在干濕循環(huán)6次和8次時，點荷載強度降幅變緩，分別為36.2%和36.9%；采用改性聚氨酯-納米復(fù)合材料對砂巖進(jìn)行加固后，砂巖的點荷載強度整體上也呈線性降低，在經(jīng)歷8次干濕循環(huán)后，砂巖的點荷載強度僅下降了12.2%。

圖2 加固前后點荷載強度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

2.3 抗剪強度參數(shù)

中風(fēng)化砂巖加固前后抗剪強度參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化特征如圖3所示。從圖3可知：加固前，砂巖的內(nèi)摩擦角在0～2次干濕循環(huán)下時下降速度極快，2次干濕循環(huán)后，內(nèi)摩擦角降低了11.1%，在2～8次干濕循環(huán)下，內(nèi)摩擦角的下降速度有所放緩，當(dāng)經(jīng)歷8次干濕循環(huán)后，內(nèi)摩擦角降幅為16.2%；粘聚力在0～4次甘薯循環(huán)下時下降速度較快，4次干濕循環(huán)后，粘聚力降低了60.7%，在4～8次干濕循環(huán)下，砂巖的粘聚力變化較小，8次干濕循環(huán)后，粘聚力降低幅度為62.7%。采用改性聚氨酯-納米復(fù)合材料對砂巖進(jìn)行加固后，砂巖的抗剪強度參數(shù)均隨干濕循環(huán)次數(shù)增加呈線性降低，在經(jīng)歷8次干濕循環(huán)后，內(nèi)摩擦角和粘聚力分別降低了6.6%和14.2%。

圖3 加固前后抗剪強度參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

2.4 吸水率

加固前后砂巖吸水率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化特征如圖4所示。從圖4可知：不管是中風(fēng)化還是強風(fēng)化砂巖，在加固前，吸水率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加均呈冪函數(shù)增大，前期吸水率增長幅度大于后期，在經(jīng)歷8次干濕循環(huán)后，中風(fēng)化砂巖的吸水率達(dá)到7.56%，強風(fēng)化砂巖的吸水率達(dá)到9.74%；采用改性聚氨酯-納米復(fù)合材料對砂巖進(jìn)行加固后，砂巖的吸水率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增長基本保持不變，在經(jīng)歷8次干濕循環(huán)后，中風(fēng)化砂巖的吸水率從0.81%增加至1.03%，上升幅度僅為0.22%，強風(fēng)化砂巖的吸水率從1.01%增加至1.59%，增長幅度僅為0.58%；吸水率試驗結(jié)果表明：改性聚氨酯-納米復(fù)合材料可以對砂巖起到很好的隔水性能，從而提升砂巖在干濕循環(huán)作用下的力學(xué)性能。

圖4 加固前后砂巖吸水率與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

3 結(jié)語

采用改性聚氨酯-納米復(fù)合材料對中、強兩種風(fēng)化程度砂巖進(jìn)行了干濕循環(huán)作用下的加固試驗，得出如下結(jié)論：

(1)中風(fēng)化砂巖加固前，在經(jīng)歷8次干濕循環(huán)后，抗壓強度、內(nèi)摩擦角、粘聚力分別降低70.5%、16.2%和62.7%，加固后分別僅降低20.5%、6.6%和14.2%，加固前吸水率為7.56%，加固后僅為1.03%；

(2)強風(fēng)化砂巖加固前點荷載強度在經(jīng)歷8次干濕循環(huán)后降低36.9%，吸水率達(dá)到9.74%，加固后則分別僅為12.2%和1.59%。

(3)盡管改性聚氨酯-納米復(fù)合材料可以使砂巖具有很好的加固隔水性能，但水庫運行期間水環(huán)境是十分復(fù)雜的，除了干濕循環(huán)作用，還包括化學(xué)腐蝕，凍融循環(huán)等作用，這將在今后做進(jìn)一步的補充研究。