水庫土石壩填土料凍融交替下UU試驗力學特征影響分析研究

黎柳坤

(廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511340)

水利工程中建設與施工離不開土體材料，研究土體材料力學特征實質(zhì)上是為水利工程長期安全穩(wěn)定性運營提供堅實基礎[1-3]。雷文凱等[4]、姜菲等[5]、鄧義龍等[6]根據(jù)土體力學基本力學理論，從理論角度研究土體力學本構模型，分析不同荷載狀況下力學特征參數(shù)變化規(guī)律，為土體力學理論體系構建提供重要基礎。土體材料作為一種顆粒類材料，利用顆粒流仿真計算軟件建立計算模型，根據(jù)實際工況施加模擬荷載，分析不同邊界約束荷載條件下土體力學穩(wěn)定性特征，為水利工程中土層設計及地基處理等提供依據(jù)[7-9]。當然在現(xiàn)場開展原位試驗，亦可獲知土體滲透特性、承載能力等特征[10-11]，但不可忽視現(xiàn)場原位試驗精度較低，因而張磊[12]、祝夢柯等[13]、李曉剛等[14]利用室內(nèi)儀器，設計不同壓縮或抗剪試驗，研究土體材料應力變形特征，為分析土體材料力學穩(wěn)定性提供更高精度的試驗解。本文利用室內(nèi)精密儀器，設計開展凍融交替下UU試驗，為分析土體材料力學穩(wěn)定性影響因素提供重要參考。

1 工程背景

為提升區(qū)域內(nèi)水資源利用效率，在粵西地區(qū)設計建設水庫工程，設計庫容超過200萬m3，主要面向粵西地區(qū)工業(yè)用水及農(nóng)業(yè)用水，在枯水季可與抽水泵站樞紐工程貫通，為該地區(qū)提供生活用水，極大提升了該地區(qū)水資源利用率。目前，所建設的水庫一期工程包括土石壩、水閘、溢洪道以及輸水渠道，其中所建設水閘為弧形鋼閘門，直徑1.6 m，其上部開度采用電腦程序控制液壓啟閉機，確保水庫水流量與灌區(qū)輸水渠道渠首流量相匹配，建設有6根閘墩作為閘門的支撐結(jié)構，閘墩設計直徑為1.5 m，布設有預應力錨索作為支護結(jié)構，按照主、次錨索搭配布設在支撐墩平臺，錨索直徑設計為0.6 m，按照上、下排間距為80 cm 布設，主預應力錨索共有6根作為主支護結(jié)構，閘門及其錨索支護結(jié)構平面示意圖如圖1所示，確保閘墩安全穩(wěn)定與變形滿足安全設計要求。目前，一期工程中灌區(qū)所建設的輸水渠道采用預制混凝土作為防滲與加固材料，確保灌區(qū)輸水渠防滲性能，渠道岸坡最大滲透坡降監(jiān)測值不超過0.2。為提升水庫樞紐工程區(qū)域蓄水能力與水資源調(diào)度能力，現(xiàn)需對一期工程土石壩體開展填筑，設計采用粉質(zhì)壤土填土料作為主要堆筑土體，由于填土料力學穩(wěn)定性與一期土石壩體沉降變形息息相關，設計考慮對填土料力學特征開展影響性分析，另由于在凍融等極端環(huán)境下土體力學特征會發(fā)生較大變化，因而開展凍融循環(huán)和不同物理參數(shù)耦合影響下的填土料力學特征研究很有必要。

圖1 弧形鋼閘門平面示意圖(單位：mm)

根據(jù)工程現(xiàn)場填土料基本物理參數(shù)可知，該土體較為松散，室內(nèi)取樣測試含水量分布在15%～20%，采用擊實試驗獲得擊實曲線[15]，如圖2所示，其最佳含水量為17.4%。另該填土料受到其他黏土體影響，導致其內(nèi)部含有一定黏滯成分，現(xiàn)場原位試驗測試填土料內(nèi)部孔隙度最大可為16%，最低為10%，由于孔隙度的存在會導致填土料內(nèi)部顆粒骨架的改變，進而影響其力學穩(wěn)定性。為此，筆者開展篩分試驗獲得土體顆粒級配曲線，如圖3所示，粒徑小于0.1 mm的顆粒在土體內(nèi)部占比達80%，另由于本次篩分試驗所取土樣主要位于限定區(qū)域內(nèi)，因而若對全部填土料開展力學穩(wěn)定性分析，勢必需要考慮不同孔隙度狀態(tài)下的填土料力學特征。

圖2 土體擊實曲線

圖3 顆粒級配曲線

2 試驗方法

本試驗中填土料UU試驗采用TFB-型全自動程序控制液壓加載試驗機，最大圍壓可達80 MPa，軸向荷載可根據(jù)不同試樣更換傳感器量程，可變換采用變形控制與應力控制加載，其中變形控制加載速率范圍可在0.002～4.000 mm/min內(nèi)設定，力控加載速率最大可達5 kN/s，所有加載速率最大波動不超過1%，安裝的軸向變形傳感器最大量程可達±10 mm，傳感器誤差不超過0.5%，數(shù)據(jù)采集間隔控制在0.5 s內(nèi)，可實時監(jiān)測獲取填土料應力應變狀態(tài)。凍融交替采用凍融試驗箱，可完成環(huán)境溫度在-25～75 ℃的試驗，低溫凍結(jié)過程中降溫速率控制在0.5 ℃/min，加溫溫度控制在1 ℃/min，目標溫度波動范圍不超過1%。為保證預期研究成果，本試驗中主要針對孔隙度、凍融循環(huán)狀態(tài)對填土料力學特征影響性開展試驗研究，設定凍融次數(shù)為0次、4次、8次、12次、16次、20次，凍、融溫度分別為-20 ℃、20 ℃，試驗中所制備土體的孔隙度均以現(xiàn)場實測值為準，從現(xiàn)場取樣獲得的土體孔隙度分別為10%、12%、14%、16%四組試樣，UU試驗圍壓設定為100 kPa、200 kPa，所加工的土體試樣直徑、高度分別為50 cm、100 cm，本試驗中各試驗方案組如表1所示。

凍融交替條件下的UU試驗步驟：

(1)按照實驗既定方案對土體完成凍融循環(huán)，測定每次循環(huán)后質(zhì)量損失，當質(zhì)量損失超過10%，認為該試樣不適合繼續(xù)后續(xù)試驗，應重新更換試樣；

(2)待已完成凍融循環(huán)后的試樣安裝好保護膜放置于三軸試驗系統(tǒng)中，安裝好相關變形監(jiān)測傳感器，施加目標圍壓值后，進行軸向加載，以速率0.08 mm/min速率完成試樣加載破壞，直至試樣發(fā)生失穩(wěn)破壞；

(3)停止試驗，卸下軸向荷載與圍壓，數(shù)據(jù)存盤，更換試樣繼續(xù)其他組試驗。

表1 各組試樣含水量與凍融交替參數(shù)表

3 填土料力學特征影響性分析

3.1 凍融交替

經(jīng)凍融循環(huán)UU試驗分析獲得填土料加載破壞過程中應力應變曲線，如圖4所示。從圖中可看出，各孔隙度試樣組中土體試樣加載應力隨凍融交替次數(shù)增加逐漸減小，在孔隙度10%試驗組中，相同應變5%下凍融交替0次時的加載應力為922 kPa，而凍融交替次數(shù)增大至8次、16次、20次 后，其加載應力相比前者分別降低了18.3%、52.3%、62.6%。從凍融交替變化機理分析可知，當土體在凍融交替過程中，從本質(zhì)上來說是孔隙度增大的過程，較低溫度下土體內(nèi)部孔隙自由水發(fā)生固結(jié)，進而膨脹填充了孔隙本身，當處于融化狀態(tài)時，固態(tài)自由水發(fā)生融化，此時膨脹擴大之后的孔隙仍存在，造成土體顆粒骨架內(nèi)部孔隙度較大，整體承載能力降低，故產(chǎn)生凍融交替次數(shù)抑制土體加載應力水平的現(xiàn)象。

圖4 不同凍融交替次數(shù)下土體試樣應力應變曲線

從各凍融循環(huán)下土體應力應變階段性特征可看出，土體應力應變具有“線彈性變形-塑性硬化變形”兩階段特征，在相同孔隙度下的兩階段變形拐點基本一致，即凍融交替次數(shù)對土體階段變形拐點無顯著性影響，但不可忽視孔隙度增大，變形階段轉(zhuǎn)變拐點的應變有所增大，在孔隙度為10%時的拐點應變?yōu)?.89%，而孔隙度增大至14%、16%后，拐點應變均變?yōu)?.54%、4.45%，表明孔隙度增大，土體線彈性變形與塑性硬化變形階段拐點滯后。

3.2 孔隙度影響

圖5為不同孔隙度影響下的土體應力應變曲線。與凍融交替次數(shù)影響土體加載應力水平類似，孔隙度與土體加載應力水平呈負相關特征，凍融交替0次試驗組中，孔隙度10%試樣在相同應變3%處的加載應力為822.5 kPa，而孔隙度12%、16%土體試樣的加載應力相比前者分別降低了31.8%、72%。從變形特征來看，孔隙度愈大，土體線彈性變形能力愈弱，反映在土體線彈性模量即是愈低，凍融交替12次試驗組中孔隙度16%試樣的線彈性模量為40.5 kPa，而孔隙度為10%、14%的線彈性模量相比前者分別增大了4.4倍、82.1%。分析認為孔隙度愈大，試樣整體松散性愈大，土體在UU試驗中塑性變形較強。

圖5 土體應力應變曲線與孔隙度關系

圖6為不同凍融交替次數(shù)與孔隙度的土體試樣抗剪強度變化特征，其中土體處于塑性硬化變形階段，以應變12%對應的應力值為其抗剪強度。從圖中可看出，在相同孔隙度組中，抗剪強度隨凍融交替次數(shù)增多而遞減，在孔隙度12%組中，凍融0次的抗剪強度為709.7 kPa，而凍融次數(shù)為8次、20次的抗剪強度相比前者降低了22.3%、57.8%，從整體影響性來看，凍融交替增大4次，土體抗剪強度平均降低15.7%；而在相同凍融交替次數(shù)條件下，抗剪強度隨孔隙度亦為遞減趨勢，在凍融交替8次時，土體孔隙度增大2%，土體抗剪強度平均降低30.5%。分析認為，土體抗剪強度受凍融交替與孔隙度影響的細觀機理實質(zhì)上一致，均是由于內(nèi)部孔隙度影響，進而導致宏觀上抗剪強度的變化。

圖6 土體抗剪強度與凍融次數(shù)、孔隙度關系

4 抗剪參數(shù)變化特征

在凍融交替次數(shù)與孔隙度影響下土體不僅抗剪強度與變形特征發(fā)生較大變化，同樣對土體抗剪參數(shù)具有一定影響，為此，給出土體黏聚力、內(nèi)摩擦角受凍融交替次數(shù)、孔隙度影響變化曲線，如圖7所示。從圖中可看出，黏聚力、內(nèi)摩擦角與孔隙度均為負相關，相同凍融次數(shù)12次下，孔隙度為10%試樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角分別為71.5 kPa、26.4°，但孔隙度增大至12%、16%后，相應的抗剪參數(shù)分別降低了21%、55.9%；當凍融次數(shù)增大至16次、20次后，相應條件下的兩個抗剪參數(shù)降低幅度并無較大改變，分別仍維持在20%、56%左右，孔隙度增大2%，黏聚力、內(nèi)摩擦角平均降幅分別為24.2%、11.1%。從凍融交替次數(shù)對抗剪參數(shù)的影響性來看，黏聚力與凍融交替次數(shù)呈二次函數(shù)關系，凍融交替次數(shù)對黏聚力的影響呈先快后慢，在凍融次數(shù)為0～8次間，黏聚力降幅達43.8%，而凍融次數(shù)為8～20次時，降幅僅為23.6%。內(nèi)摩擦角受凍融次數(shù)影響較小，在各孔隙度試驗組中，全過程相比凍融0次時最大降低幅度僅為11.3%，孔隙度14%、16%試驗組中內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)幾乎無變化，分別穩(wěn)定在20°、19°。分析認為，凍融交替循環(huán)對內(nèi)部孔隙的影響，很大程度上影響土體顆粒之間黏結(jié)性，而對土顆粒的咬合摩擦影響較小，因而土體內(nèi)摩擦角受凍融影響較小。

圖7 抗剪特征參數(shù)與凍融交替次數(shù)、孔隙度關系

5 結(jié) 論

為研究水庫土石壩填筑料土體的力學特征影響特性，設計孔隙度、凍融交替次數(shù)下的UU試驗，獲得了兩因素下土體力學特征變化規(guī)律，主要得到以下幾點結(jié)論：

(1)土體隨凍融交替次數(shù)呈抑制態(tài)勢，孔隙度12%組中凍融8次、20次的抗剪強度相比凍融0次時降低了22.3%、57.8%；土體應力應變呈“線彈性變形-塑性硬化變形”兩階段特征，變形拐點應變受凍融交替次數(shù)影響較小，隨孔隙度增大，變形階段拐點呈滯后狀態(tài)。

(2)孔隙度與土體加載應力水平呈負相關，在凍融交替8次時，土體孔隙度增大2%，土體抗剪強度平均降低30.5%；孔隙度愈大，土體線彈性變形能力愈弱，孔隙度為10%、14%的線彈性模量相比孔隙度16%試樣分別增大了4.4倍、82.1%。

(3)黏聚力、內(nèi)摩擦角與孔隙度均為負相關，但兩抗剪參數(shù)隨孔隙度降低幅度并不受凍融次數(shù)影響，孔隙度增大2%，黏聚力、內(nèi)摩擦角平均降幅分別為24.2%、11.1%；黏聚力與凍融交替次數(shù)呈二次函數(shù)關系，黏聚力隨凍融交替次數(shù)降低幅度呈先快后慢的趨勢；內(nèi)摩擦角受凍融次數(shù)影響較小，各孔隙度試驗組中最大降低幅度僅為11.3%。