泵閘工程場地覆蓋土體摻纖維影響下力學試驗研究

王 曉，常 哲，李小艷，王 鵬

(淮安市淮河水利建設工程有限公司，江蘇 漣水 223400)

1 概 述

水工建筑工程的設計離不開對工程場地的勘察[1-2]，研究土體力學穩定性對設計參數確定具有重要價值，因而分析改良土與原狀土力學影響因素，對工程建設提供重要參數依據。引入離散元計算方法，黎柳坤[3]、崔博等[4]、李遠征等[5]利用顆粒流計算平臺，針對土體試樣建立計算模型，并設定相關邊界荷載，模擬土體試樣在單軸、三軸加載過程中破壞力學特征，豐富了離散元仿真計算土力學成果。另一方面，水工建筑勘察設計階段亦可采用原位試驗，包括觸探、旁壓等試驗方法[6-8]，獲得現場地基土體力學狀態，分析工程場地承載能力，此亦可為工程設計提供最直接參數。

顆粒流方法由于結果過于理想化，而現場原位試驗結果精度不高，因而一些學者采用從工程現場取樣后，在室內利用精密室內儀器設計開展土體壓縮[9]、剪切[10]、拉伸[11]等力學試驗，分析土體力學穩定性影響因素，為工程地基處理、壩體堆筑等提供準確、合理的判斷參數。

本文根據淮安聯圩樞紐工程擬建泵站工程場地土體摻纖維后力學穩定性狀態，設計開展有三軸UU試驗，為泵閘工程設計提供基礎力學參數參考。

2 試樣概況

2.1 工程背景

為提升蘇北淮河下游地區防洪、排澇及調度水資源能力，考慮在原有淮安聯圩樞紐工程基礎上新建一座抽水泵站，作為河道防洪及內城排澇重要水資源控制樞紐，提升地區水利安全性。該擬建泵站設計流量為15 m3/s，配備有4個泵室及雙向進水口，底板高程為12.5 m，采用混凝土底板結構作為防滲設施，厚度為0.6 m，所涉及的進水池寬度為2.5 m；出水側配備有雙孔式壓力箱涵，尺寸為2 m×1.5 m，為控制下游泥沙含量，在出水側另設置有濾沙裝置，確保過泵水流后含沙量低于7.5 kg/m3。與該泵站同期建設的另有一座泄流水閘，以直徑為2.2 m的弧形鋼閘門作為水流啟閉通道，最大泄流量為252 m3/s，閘頂高程為23.5 m。靜力場計算可知，該水閘位移、應力分布均較小，抗傾覆、抗滑移穩定系數均在2以上，結構靜力穩定性較佳。動力響應下，水閘結構加速度響應值最大為1.85 m/s2，而應力響應最大集中在閘室底板處，即閘基礎與上部結構連接處為抗震薄弱面，應重點關注閘室基礎抗震安全性。

另一方面，該泵站采用閘墩作為結構體系支撐結構，墩厚度為1.2 m，采用預應力混凝土作為結構材料，并在兩側邊墻設置有錨固結構，錨桿水平夾角為30°。經設計方案初步仿真計算可知，該錨固結構體系中最大拉應力不超過1.9 MPa，靜力場中位移分布集中在錨固與中墩連接處，沉降位移最大為12 mm。該泵站作為地區內重要水工結構，閘墩基礎以及泵站閘室基礎對結構體系影響性均較大。另外，泄洪水閘基礎與抗震設計密切相關，由工程場地力學穩定性結合基礎設計，提升水工建筑靜、動力安全性。

因而，工程設計部門認為有必要針對性探討該泵閘工程所處場地力學狀態，為工程建設、設計提供重要基礎參數。據地質踏勘與地基處理設計得知，該工程場地與黏質壤土為主，水工建筑地基處理方案是采用摻加筋纖維措施，提升整體地基穩定性，故本文重點開展摻加筋纖維土體力學試驗研究，討論加筋纖維含量對土體力學特征影響。

2.2 試驗介紹

本試驗采用TSZ-30型土體三軸試驗儀開展力學加載試驗，該試驗設備具備自動檢測、程序控制精準、誤差較低的特點，見圖1。該試驗系統包括加載部分、數據測量及控制系統，加載系統包括圍壓、孔隙壓力以及軸向荷載部分，最大圍壓可達30 MPa，軸向荷載量程可根據試驗要求更換響應傳感器，最大荷載可達200 kN，孔隙壓力為測試土體滲透以及細觀孔隙度重要壓力裝置，其最大壓力可達5 MPa。數據測量系統包括有試樣變形測量裝置與荷載位移反應裝置，軸向變形量程為-20～20 mm，環向變形量程為-15～15 mm，采用鏈條接觸式測量方式，傳感器誤差不超過0.1%，試驗前均已標定。控制系統可實現對三軸試驗缸內試樣加載速率、變形速率方式控制，對試樣加載方式也可采用流量控制，變形速率可選擇0.002～4.5 mm/min，本文試驗樣品加載全過程應變速率均為0.6 mm/min。三軸試驗缸內可實現對多尺寸試樣完成無側限抗壓試驗或其他類型的三軸剪切試驗，試樣尺寸直徑可為40～80 mm，高度最大可為200 mm，本文試驗所用樣品尺寸直徑、高度均為50、100 mm。

圖1 土體三軸試驗儀

從擬建泵站工程現場取回樣品，測試其含水量分布在15%～21%，經室內搗碎重塑后，添加相對應的目標含量纖維，按照多次少量灑水原則，完成目標含水量試樣制作，并放入養護箱內養護24 h[12-13]。本文為研究摻纖維含量對土體力學特征影響，設計兩個影響參數試驗組。第一個試驗組為纖維含量，設定含量為1%、2%、3%、4%、5%，另設置有從工程現場取回的原狀土作為對照組；第二個試驗組設定含水量為15%、17%、19%、21%，圍壓統一設定為100、200和300 kPa。本試驗中各方案具體參數見表1。

表1 各組試樣試驗參數

3 纖維含量影響下土體力學特征

3.1 應力應變特征

根據對不同纖維含量土體試樣開展力學加載試驗所獲得數據，經數據處理獲得纖維含量影響下土體應力應變特征，見圖2。從圖2中可知，土體三軸加載應力水平隨纖維含量影響變化具有階段性特征。當纖維含量在0%～3%時，纖維含量愈多，則試樣加載應力水平愈高；而纖維含量超過3%后，加載應力水平愈低。在圍壓100 kPa下，應變6%時原狀土加載應力為141.6 kPa，而纖維含量為1%、3%時相同應變下的加載應力較前者分別增長44.8%、109.8%，而纖維含量增長至5%時加載應力相比含量3%下又減少20.6%；當圍壓增大至200 kPa后，纖維含量3%試樣相同6%應變下的加載應力相比原狀土時增長141.5%，但相比含量5%時減少22.8%；圍壓升高后，纖維成分對土體承載應力影響更為顯著。

圖2 纖維含量影響下土體應力應變特征

從本文應力應變特征結果可說明，纖維含量對土體加載應力水平影響具有節點，本試驗中該節點含量為3%，而圍壓效應對纖維成分的節點效應具有促進作用。筆者認為，當土體加入纖維量低于節點含量時，此時土體顆粒骨架正處于較為松散狀態，愈多的纖維成分，對土體顆粒骨架的穩定性以及顆粒間黏結性均具有促進作用，因而呈現加載應力水平增高的現象[14-15]。但超過節點含量后，此時土體內部顆粒骨架已達到最穩定狀態，顆粒骨架最佳穩定性所需纖維量已達到飽和狀態，再多的纖維量存在于土體內部，只會形成軟弱結構面，從而造成加載應力水平降低的態勢。

分析不同纖維含量下試樣應變特征可知，土體三軸變形全過程可分為“線彈性-塑性硬化”兩階段特征，兩階段應變轉折點在各摻纖維試樣中基本一致，圍壓100、200 kPa下各試樣應變階段轉折點分別對應4.75%、5.84%，表明纖維含量對土體試樣應變轉折點影響較弱。圖2中兩圍壓下除原狀土外，其余試樣均未出現顯著應力峰值點，表明摻纖維試樣下塑性變形硬化能力得到增強。相同圍壓下，土體線彈性模量特征仍以纖維含量3%為變化節點，圍壓100 kPa下該節點含量試樣的線彈性模量為111.9 kPa，為各摻纖維試樣中最高，纖維含量1%、5%試樣的線彈性模量相比前者分別減少55.7%、43.6%。

3.2 力學特征參數

根據對應力應變特征數據處理，獲得纖維含量影響下土體試樣三軸抗壓強度變化特征，見圖3。從圖3中可看出，試樣抗壓強度以纖維含量3%下為最高，在圍壓100 kPa時該含量下試樣強度為356.8 kPa，而纖維含量1%、5%試樣較之降低17.5%、12.2%。從強度變化區間可知，圍壓100 kPa下纖維含量0～3%區間內，纖維含量每增長1%，試樣強度平均增幅為17.8%，而在含量3%～5%區間內，強度平均降幅為6.3%。同理，在圍壓200、300 kPa中強度變化與之基本一致，纖維含量0～3%區間增幅分別為18.8%、21.9%，而在含量3%～5%區間降幅分別為6.5%、6.8%。從強度有效性改善來看，地基處理時選擇纖維含量3%更有利于工程結構承載性能提升。

圖3 纖維含量影響下土體抗壓強度特征

根據3個圍壓下應力應變數據，獲得抗剪強度特征參數變化關系，見圖4。從圖4中可知，黏聚力隨纖維含量為先增后減變化，纖維含量3%試樣的黏聚力最高，達56.2 kPa，且黏聚力參數與纖維含量具有二次函數關系；在纖維含量0～3%與3%～5%兩區間內，黏聚力平均增幅與降幅分別為9.6%、12%，表明纖維量的變化，對黏聚力的影響是承載強度變化的重要體現。各纖維含量試樣內摩擦角分布為28.8°～32°，全過程均為遞增變化，但變化幅度較小，纖維含量增長1%，內摩擦角增大增幅僅為3.7%，平均增幅2.1%，表明內摩擦角受纖維含量影響敏感度不及黏聚力。

圖4 抗剪強度特征參數變化關系

4 含水量影響下土體力學特征

4.1 強度特征

根據對不同含水量試樣力學數據處理，獲得典型圍壓下土體試樣應力應變特征與試樣三軸抗壓強度變化特征曲線，見圖5。從圖5(a)可看出，含水量與土體加載應力水平具有負相關關系，應變4%時含水量15%試樣的加載應力為453.5 kPa，而含水量為17%、21%試樣加載應力相比前者分別減小23.5%、69.1%。分析認為，含水量愈多，則試樣內部顆粒孔隙愈多，水分子所處結構面處承載能力愈弱，表現在加載應力水平降低特征[16]。在圖5(b)中，3個圍壓下試樣強度變化特征均為負相關，且強度與含水量具有線性函數關系，含水量增大2%，圍壓100、300 kPa下試樣強度分別平均損耗33.7%、6.2%，即圍壓升高，含水量對強度抑制作用有所減弱。

圖5 試樣應力應變特征與三軸抗壓強度特征

4.2 抗剪特征

根據不同含水量試樣三軸力學試驗數據，獲得不同含水量試樣的抗剪特征參數，見圖6。兩抗剪特征參數均為遞減變化，含水量19%、21%試樣的黏聚力相比含水量15%下分別減少14.2%、17.8%，含水量增高2%，黏聚力平均減少6.3%。各含水量試樣的內摩擦角波動幅度最大不超過1%，而含水量對內摩擦角影響平均幅度為0.5%，表明與纖維含量影響下兩抗剪特征參數敏感度類似，黏聚力受影響敏感程度高于內摩擦角。分析認為，內摩擦角是與顆粒間接觸關系的抗剪參數，而含水量或纖維含量改變，對顆粒間咬合度以及接觸性均影響較小，而黏聚力受之影響會發生較大影響，因而敏感性較強。

圖6 不同含水量試樣的抗剪特征參數

5 結 論

1) 土體加載應力隨纖維含量影響具有階段性特征，以含量3%下為最高，圍壓100kPa下纖維含量0～3%與3%～5%區間內，纖維含量每增長1%，土體強度平均增幅17.8%與降幅6.3%；圍壓增大，強度受纖維含量影響更顯著。

2) 土體試樣摻纖維后塑性變形硬化能力增強，線彈性模量、黏聚力均以纖維含量3%試樣為最大，黏聚力參數與纖維含量具有二次函數關系，纖維含量增長1%，內摩擦角增幅為2.1%，且其受纖維含量影響敏感度不及黏聚力參數。

3) 含水量與土體加載應力水平以及抗剪特征參數均具有負相關關系，且含水量與土體強度具有線性函數關系，圍壓100、300 kPa下試樣強度平均損耗33.7%、6.2%；含水量增高2%，黏聚力平均減少6.3%，內摩擦角最大波動幅度不超過1%。