灌渠工程凍結土改良下力學特性及凍脹試驗研究

姚 剛

(費縣許家崖水庫管理中心，山東 臨沂 273400)

輸水干渠的穩定運營與渠道設計能力、襯砌結構穩定性等相關[1-2]，同時，干渠承載土層也會直接影響渠道輸、調水能力，尤其是凍結性土層受凍脹、軟弱承載力影響，導致無法有效支撐起輸水干渠的承載面。李澤闖等[3]、沈筠等[4]為研究輸水干渠土體力學水平，采用顆粒流仿真計算方法，建立起了土體離散元計算模型，模擬干渠土體所處工程環境荷載，分別施加相應邊界條件，計算獲得土體模型應力、應變特征，從宏、細觀力學兩方面評價土體承載力學特征。針對土體凍脹特性，劉擁華等[5]、馬玲等[6]通過室內模擬凍結試驗，對土體的凍結演化過程開展了全方位分析，探討了土體凍結過程影響特性，分析控制土體凍結發展的有效措施，對實際工程抗凍脹設計具有參考意義。針對不良渠基土層，唐紫瓊等[7]、劉歡等[8]利用物化改良方法，施加高聚物改性劑等，研究改性土的承載力學水平，對灌渠工程建設有指導意義，但相關工程案例缺乏對土體凍脹過程的研究。因而，本文在許家崖水庫灌渠工程渠基土改良設計的背景下，綜合性開展土體力學與凍脹模擬試驗，探討改良設計對凍結土的凍脹力學特征影響，為實際工程土體改性設計提供參照。

1 研究概況分析

1.1 工程概況

許家崖水庫是臨沂地區重要蓄水庫，承擔著臨沂地區的農業灌溉、水力發電、防洪排澇等重要水利職責，對調節地區水生態、水環境以及供水體系，具有重要價值。圖1為許家崖水庫所在區域水系發育分布特征，上游為溫涼河干流，年徑流量超過120m3/s，水庫蓄水也是借助溫涼河充沛水資源，建立起了攔河大壩，從而匯聚了溫涼河、石井河等水資源。設計許家崖水庫庫容為2.93億m3，控制溫涼河、石井河河道流域集水面積分別為350、220km2，前者干流河道受控制長度超過50km。所規劃的一期許家崖水庫運營年限較長，而規劃中的二期水庫工程包括了輸水灌渠、溢洪道以及引水工程。作為水庫發揮灌溉、水資源調度的直接載體，許家崖水庫輸水工程目前在營干渠長度為48.5km，支渠長度為56.8km，年輸水量超過2800萬m3，是臨沂地區高橋、白彥農業灌區主要供水來源地。輸水干渠運營能力是否能夠滿足上游供水流量需求，乃是干渠設計關鍵，特別是在高流量工況下，渠底、渠坡水土流失等問題，造成輸水效率不足。種種分析表明，許家崖水庫下游灌區干渠承載土層有必要開展改性治理，從巖土材料的承載本性方面，解決渠基土基礎力學問題。

圖1 許家崖水庫流域水系發育分布特征

1.2 試驗設計

為準確研究許家崖水庫下游輸水灌渠承載渠基土力學特征，在模型試驗中所對應的渠道處進行土層鉆孔，經地勘分析，干渠承載土層以凍結粉土組成，分布厚度為2.5～4.8m，含水率測試為12.5%～16%，土樣表層分布有明顯孔隙，滲透系數為2.5×10-5～5.5×10-4cm/s。從現場實測表明，該干渠凍結粉土層承載能力無法滿足高流量25m3/s調水，同時梯形渠面的模袋式混凝土襯砌板受潛在凍土的凍脹效應影響，襯砌板極易出現凍脹破壞，加劇灌渠輸水耗散。從已有工程經驗考慮，初步選用木質素為改良成分劑，試圖通過物化改良的原理，使渠基凍土承載能力、凍脹特性均能夠滿足運營要求，所采用木質素成分如圖2所示[9]。

圖2 木質素成分

從現場鉆樣取回實驗室后，首先測定其初始物理力學性質，圖3(a)為原始凍結粉土試樣擊實試驗曲線，最大干密度為1.91g/cm3；在已知其最優含水率的基礎上，對現場樣品進行重塑制作，并加入木質素進行分層壓實，每層壓實后測量其含水率是否會發生偏差，若有偏差，則進行補水，確保改性土試樣含水率與初始值一致。所有樣品在制作后，均采用環刀法取樣，試樣直徑、高度分別為50、100mm，如圖3(b)所示。

圖3 土體制樣與擊實特征

為確保試驗結果能夠準確反映樣品強度、變形特征，采用STC-500三軸力學試驗裝置開展力學加載，凍結粉土凍脹試驗采用自研凍脹模擬試驗裝置，獲得土體凍脹演化過程，凍結過程控制在120h。根據已有工程中所采用的木質素改良方案分析，含量分布為0.5%～4%，選合適的木質素摻量，對改性土凍脹、力學均有正向作用。為此，本文設計有木質素含量對比組，分別為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%，另有原狀土試樣(含量0%)。不僅如此，很多木質素改良土工程中，常會摻加一定量的石灰，而石灰含量分布于0.5%～8%，故本文另設置石灰含量對照組，分別為0.5%、2%、3.5%、5%、6.5%、8%，兩組因素獨立分析，僅考慮單變量。三軸試驗中圍壓分別設定40、120、200kPa，基于各組試驗參數，依次開展力學、凍脹試驗，獲得改性土的凍脹力學變化特征。

2 改性劑成分對土體力學特征影響

2.1 木質素含量

基于不同木質素含量的改性土力學試驗，獲得了其應力應變變化特征，如圖4所示。

圖4 不同木質素含量試樣力學曲線

分析圖4中兩圍壓下試樣應變特征可知，木質素含量不同，應變曲線特征具有鮮明差異：當木質素含量為0%～1.5%時，試樣應變呈應變硬化性，只要應變超過一定量值，則試樣發展成應變快速發展、應力緩慢上升的現象，圍壓40、120kPa下試樣分別在應變3.1%、4.1%后進入該現象；當木質素含量為2%～3%時，試樣峰值應力后具有應力快速下降特征，短期內應變并未來得及快速增長，試樣峰值應力前的彈性應變占總應變超過80%，特別是原狀土試樣(木質素含量0%)應力應變曲線整體較緩，進入應變硬化段后承載應力并不高，而含量2%～3% 3個試樣分別在峰值應力后，仍具有一定平緩應力段，圍壓40kPa下三者試樣殘余應力分別為149.2、204.9、279.8kPa。綜合應變發展特征可知，木質素含量會影響改性土應變破壞特征，而圍壓作用對應變發展的影響弱于木質素含量；另一方面，較之原狀土，改性土試樣峰值應力后的承載變形能力得到提高，有助于干渠承載及渠坡固結。

對比改性土承載應力水平可知，同一圍壓下，木質素含量愈高，則試樣應力水平愈大，此種趨勢現象可取峰值應力參數為宏觀對比。在圍壓40kPa下，原狀土試樣峰值應力為60.9kPa，而木質素含量0.5%、1.5%、3%試樣峰值應力較之前者分別提高了1.04倍、2.74倍、7.4倍；同時，該圍壓下，木質素含量0.5%～3% 6組試樣峰值應力分布于123.9～512.1kPa，當含量梯次遞增0.5%，試樣峰值應力平均增幅為32.8%，而圍壓增大至120kPa后，6組試樣峰值應力較之圍壓40kPa下同樣提高了32.8%～34.8%，且隨木質素含量梯次變化，其峰值應力平均增幅為33.2%，即圍壓增大，木質素含量對試樣峰值應力影響仍保持相對恒定，梯次變化下的促進幅度較為接近。

2.2 石灰含量

由于木質素含量試驗組中石灰含量乃是固定參數，要分析石灰含量對改性土力學特征影響，需結合不同石灰含量下試樣力學特征，如圖5所示。

圖5 不同石灰含量試樣力學曲線

從圖5可看出，相同圍壓下，不同石灰含量試樣應變走向特征保持一致，例如圍壓40kPa下，各試樣應變均為應變軟化特征，峰值應力后，試樣均出現了殘余應力段，且峰值應變基本接近，為2.9%。圍壓增大至200kPa后，試樣應變呈硬化特征，在應變3.98%后，應力長期的緩慢增長或穩定不變，應變卻變化較快，應變硬化段試樣發生的應變均接近8%，占各試樣總應變的85%以上。從數據表現來看，石灰含量對試樣應變影響較小，而圍壓作用會直接改變應變發展趨勢[10]，即圍壓作用對改性土應變影響強于石灰含量。

在石灰含量梯次變化過程中，改性土試樣應力水平逐次遞增，但增幅在含量5%后減弱，同樣以峰值應力參數為對比。在圍壓40kPa下，石灰含量0.5%～8% 6個試樣峰值應力分布于244.1～537.6kPa，含量每增長1.5%，則試樣峰值應力平均增大了17.7%，而含量5%～8%下試樣峰值應力平均增長僅為6.9%。同樣現象在圍壓200kPa亦是如此，其峰值應力較之圍壓40kPa下提高了29.2%～37.4%；隨含量梯次增長，峰值應力平均提高了71.8kPa，增幅為16.2%，在含量5%～8%中峰值應力分布于632.4～694.5kPa，平均增幅為4.8%。綜合分析可知，石灰含量會影響改性土承載應力，但影響效應局限于含量5%以內，超過該含量后，承載應力受之影響敏感性減弱。

3 改性劑成分對土體凍脹特征影響

干渠改良治理凍土不僅需要分析其承載力學水平，還要考慮其凍脹效應，根據凍脹模擬試驗，獲得了改性土凍結過程中凍脹位移變化曲線，如圖6所示。

圖6 凍脹位移變化曲線

由圖6可看出，在不同木質素含量試驗組中，隨凍結時間變化，試樣凍脹位移分為了2種類型：一種為“先快增后緩增”變化，轉折點位于凍結時間32h，此類型的木質素含量分布于0.5%～1.5%，而另一種凍脹位移為持續穩定遞增變化，在凍結時間0～120h內，每8h內凍脹位移增幅較穩定，該類型試樣木質素含量為2%～3%，凍脹位移平均增幅分布于6.9%～17.6%。總體上看，木質素含量愈高，則試樣凍脹位移愈低，但在含量2%～3% 3個試樣之間，差幅較小，如含量2%試樣在凍結時間8～80h內，凍脹位移分布為0.62～4.67mm，而含量2.5%、3%兩試樣在同凍結時間內，凍脹位移較之前者分別僅減小了9.6%、20.5%。基于試驗數據分析可知，通過物化改性，干渠凍結土凍脹效應減弱，且控制木質素成分在2%左右最宜。

相比之下，石灰含量對改性土凍脹影響較穩定，各試樣凍脹位移曲線均保持一致，呈“快、慢增長”曲線特征。同時，石灰含量遞增，各試樣凍脹位移降幅較穩定，如凍結時間40～80h內，石灰含量0.5%試樣凍脹位移分布于11.48～14.43mm，而含量3.5%、5%兩試樣在該凍結時間內凍脹位移分布于7.9～9.94、6.58～8.26mm，相比前者含量試樣，此兩試樣凍脹位移分別減少了31.1%、42.8%，差幅接近于梯次變化的平均降幅。由此可知，石灰含量對促進改性土抗凍脹作用較穩定，保持合理的石灰含量即可確保試樣具有較好的抗凍脹能力[11-12]。

4 結論

(1)木質素含量0%～1.5%與2%～3%時，試樣應變分別呈硬化、軟化特征，圍壓作用不會改變木質素對試樣應變影響；木質素含量愈高，則試樣應力水平愈大。

(2)圍壓40、200kPa下，試樣分別具有“穩定殘余應力、較快應變發展段”的顯著特征；石灰含量梯次遞增，試樣應力提高，但在含量5%后增幅減弱。

(3)木質素含量不同，差異體現在凍脹位移增長過程；木質素含量愈高，則試樣凍脹位移愈低，且含量2%后差幅較小；不同石灰含量的試樣凍脹位移曲線呈“快-慢轉換增長”一致性特征。

(4)木質素-石灰改良凍結粉土時，應控制木質素含量在2%、石灰含量5%最宜。