西彌浦泵閘工程防汛墻地基重塑土力學特性分析研究

李旨洪

（江西省水利水電建設集團有限公司，江西南昌330025）

水利工程建設中必須考慮地基承載力要求，天然地基無法滿足設計要求時，常需要通過地基處理改良，以滿足結構安全設計要求，研究改良地基土體對推動地基處理設計水平提升具有重要指導意義[1-3]。李春好、王瑞等、王欣榮摻加化學試劑對土體進行改良，獲得滿足工程要求的改良土體，此類改良主要依賴于化學試劑與土發生化學反應，進而提升土體物理力學性質[4-6]。化學改良土體作用局限性較大，化學試劑成本較高，反應速率較慢，因而王龍威等、張桂榮等、衛杰等開始利用摻加良性土體或人工纖維等，對土體進行物理改良，提升原狀土體力學表征，使重塑后土體能夠滿足工程設計要求[7-9]。土體力學性質研究主要采用室內試驗與仿真模擬計算2種手段，仿真計算主要采用顆粒流類軟件平臺建立計算模型，分析土體模型在不同荷載工況中力學特征，提高對土體力學特性認知水平[10-12]；采用室內試驗對土體進行力學加載測試，可真實獲得重塑土體或原狀土體力學性質影響特性，為研究改良土體提供數據參考[13-15]。根據西彌浦泵閘工程地基粉土實際，進行重塑黏質粉土三軸力學試驗，開展黏質粉土力學影響特性分析，為該泵閘工程地基設計提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗背景

西彌浦泵閘工程位于上海市寶山區西南部，是西彌浦河與蕰藻浜匯合處重要控制水利樞紐。工程采用整體式結構，軸線長27 m，最寬處28.5 m，以弧形鋼閘門作為流量調控設施，直徑4.5 m，閘室凈寬10 m。泵閘工程支護采用樁錨結構，總開挖深度8.1 m，支護樁長16 m，剖面直徑800 mm，設置有12根支護樁。閘室基礎也采用基礎樁支護措施，每根樁長22 m，在特征剖面設置有監測設備，確保基礎樁承載力滿足工程需求。泵站最大提水能力8萬m3/d，下游設有泄流孔，每孔直徑1.5 m，可為下游輸水渠提供重要水資源，也可為上游排澇、防洪等服務。該泵閘工程另設有攔污柵結構，泵站與攔污柵均采用閘墩支撐，每根閘墩厚度2.5 m，設有連系梁作為加固措施，其中橫連系梁采用張拉預應力支護，確保泵站與攔污柵結構穩定性。由于地區雨季降雨量較大，對工程上游排澇具有顯著影響，工程管理部門考慮建設一防汛墻結構，降低雨季暴雨等高徑流下泵閘設施滲透破壞威脅，設計防汛墻基礎埋深超過8 m。閘墩所在場地與防汛墻設計基礎埋深相差無幾，而目前地基土層以粉土為主，最厚處超過5.5 m，但其承載力不能滿足工程設計要求，且土體粘結性較弱，作為地基土體性質不佳。為此，工程部門考慮對地基土體進行改良，并先行在實驗室內開展物理改良土體性質研究，添加適量黏土質顆粒改良粉土力學性質[16，17]，為后續工程地基處理等提供依據。

1.2 試驗介紹

利用GEOMEC1000凍融循環三軸試驗儀開展物理改良粉土力學性質試驗，該試驗包括數據采集系統、加載系統、凍融試驗模塊以及輔助性監測系統，試驗平臺如圖1所示。其中，數據采集系統可根據試驗需求設定間隔為0.5～10 s，利用電腦程序處理試驗數據，實時呈現試樣試驗狀態變化特征。加載系統采用電腦程序液壓控制，最大軸向荷載可達250 kN，圍壓加載可達40 MPa，荷載最大波動幅度不超過0.1%，確保加載精度不影響試驗結果。凍融試驗模塊采用凍融試驗箱控制，最低凍結溫度可達-30℃，最高融化溫度可設定為80℃，試驗中選擇凍、融溫度分別為-20℃、20℃，經目標量的凍融循環次數后，試樣放入三軸試驗箱內完成加載試驗。監測系統包括宏觀變形監測傳感器與細觀監測設備，軸向變形量程為-25～25 mm，可滿足徑高比1/2、1/3等圓柱體、長方體試樣開展試驗，環向變形最大量程為15 mm，變形傳感器監測誤差不超過0.5%，試驗中加載速率采用軸向變形控制方式，速率恒定為0.02 mm/min；細觀監測設備主要指高速攝像頭以及聲發射等耦合設備。擊實試驗采用電動擊實儀完成，重塑土樣在擊實筒內分多次、多層擊實，測取每次擊實后土樣質量，取代表試樣測取最優含水率。

圖1 GEOMEC1000凍融循環三軸試驗儀

粉土重塑物理改良方法較簡單，取泵閘工程場地粉土擊碎后養護，在工程場地附近鉆孔取定量的黏土體，在實驗室內分別擊碎2種土體，用篩分法過濾掉粗顆粒；后將碎粉土、黏土按照2/1配比放入制樣盤內，分多次灑水，每次灑水控制適量。2種土體攪拌擊實混合后，在恒溫恒濕養護箱內養護24 h，擊實次數控制在20～25次；后采用環刀法制備滿足試驗要求的直徑、高度分別為38、76 mm的改良重塑土樣。改良重塑土樣凍融循環次數分別為0、2、4、6、8、10、12次，黏質顆粒含量分別為5%、10%、15%、25%，另設置有原狀粉土試樣，各試驗方案參數詳見表1。

表1 各組重塑試樣黏質顆粒含量與凍融次數

2 重塑土擊實試驗分析

對不同黏質顆粒含量的土樣進行擊實試驗，獲得重塑土擊實曲線，如圖2所示。從圖2可知，各黏質含量試樣的最佳含水量隨黏質顆粒增大而遞增，黏質顆粒5%試樣的最佳含水量為9.44%，而黏質顆粒10%、15%時的含水量分別增大至9.86%、10.57%。從最大干密度變化特征來看，4個黏質顆粒試樣最大干密度分布為2.03～2.04 g/cm3，各黏質顆粒間試樣最大干密度最大變幅僅為0.6%。隨黏質顆粒增大，最大干密度小幅降低，黏質顆粒10%、20%試樣最大干密度相比黏質顆粒5%時降低了0.33%、0.61%，表明黏質顆粒對重塑土試樣的最大干密度具有抑制性影響。

圖2 各黏質含量重塑土擊實曲線

黏質顆粒與擊實試驗兩特征參數關系曲線，如圖3所示。從圖3曲線擬合來看，最優含水量與黏質含量具有二次函數正相關關系，黏質顆粒增大5%，最優含水量增長8.5%；而最大干密度與之亦具有二次函數關系，兩者為負相關關系。分析認為，黏質顆粒愈多，粉土顆粒間粘結性愈強，保水性愈強，降低了水分的流失作用，且外界擊實作用對其效果更佳，改良后重塑土樣最優含水量愈大，但良好的壓實效果降低了重塑土樣的最大干密度。

圖3 黏質顆粒與最大干密度、最優含水量間關系

3 重塑土三軸試驗分析

3.1 黏質顆粒含量影響

經三軸凍融循環重塑土樣加載力學試驗，獲得黏質顆粒含量影響下重塑土應力應變特征，如圖4所示，圖中各應力應變數據均為凍融次數為0次時數據。從2個圍壓下重塑土應力水平與黏質顆粒含量關系可知，整體上高黏質顆粒含量加載應力較大，且物理改良重塑土應力水平均高于原狀粉土。在圍壓100 kPa時，應變3%下黏質顆粒含量5%試樣的應力為37.2 kPa，而相同應變下黏質含量10%、20%試樣應力相比前者分別增長了22.2%、69.8%。分析認為，三軸加載過程中原狀粉土顆粒間粘結性較差、顆粒主骨架間咬合度較弱，在壓縮應力作用下，粉土顆粒發生滑移，導致原狀土加載應力水平較低；當原狀土重塑后摻加黏質顆粒，具有粘結性的黏質顆粒可進入粉土主骨架，作為粉土顆粒間粘結劑減小顆粒間孔隙，增強顆粒骨架結構穩定性，且黏質顆粒含量愈多、顆粒骨架間隙愈小、粉土顆粒骨架粘結性愈強，加載應力水平愈高。

圖4 黏質顆粒含量影響下重塑土應力應變特征

從變形特征來看，圍壓200 kPa時重塑土樣在峰值應力后期下降幅度較小，在該圍壓下摻黏質顆粒含量10%試樣峰值應力后期下降幅度為12.6%；而在圍壓100 kPa下的下降幅度為30.9%，圍壓愈大重塑黏質粉土試樣塑性變形能力越強。從線彈性變形階段可看出，圍壓100 kPa下各黏質粉土試樣的線彈性模量基本相近，達22.9 kPa，但在圍壓200 kPa下試樣線彈性模量增大了43.9%。分析認為，黏質顆粒含量對試樣線彈性變形階段影響較小，各重塑黏質粉土試樣在相同圍壓下線彈性模量基本保持一致，圍壓越大線彈性模量值愈大。

為分析黏質顆粒含量與重塑土樣抗壓強度關系，給出兩圍壓下黏質顆粒含量影響下的三軸抗壓強度變化關系，如圖5所示。從圖5可看出，黏質顆粒含量與重塑土樣抗壓強度具有正相關關系，兩者呈線性函數關系，在圍壓100 kPa時黏質顆粒含量5%試樣抗壓強度為35.3 kPa，而含量15%、20%試樣強度相比前者分別增長了47.9%、81.8%。整體上看增幅可知，圍壓100 kPa下黏質顆粒含量增長5%，平均可提升重塑土樣強度22.6%；而在圍壓200 kPa下，含量增長5%，重塑土樣強度可增大28.6%。這表明圍壓增大，重塑土樣強度受黏質顆粒含量影響更為顯著。

圖5 黏質顆粒含量影響下的三軸抗壓強度變化

3.2 凍融次數

凍融次數對重塑后土樣影響顯著，典型凍融次數影響下重塑土應力應變特征如圖6所示。從圖6可知，凍融次數對重塑土樣應力水平影響具有階段性特征。黏質含量5%時，在凍融次數0～8次內，次數愈多則重塑黏質粉土加載應力水平愈低，應變3%時無凍融試樣的加載應力為35.6 kPa，而凍融次數為4、8次試樣的加載應力相比前者分別降低了26.7%、52.5%。該區間內平均增長2次凍融，加載應力水平可降低39.6%，表明該區間內凍融次數有抑制重塑土樣加載應力水平效應。當凍融次數超過8次后，相同應變3%下次數為10、12次試樣的加載應力相比8次分別增大了17.5%、36.8%，即凍融次數位于該區間內時，凍融效應對重塑土樣加載應力具有促進作用。當黏質含量增大至20%后，依然以凍融8次為階段節點，在該節點前、后區間內凍融次數對試樣影響更為顯著；在凍融0～8次內，應變3%時凍融4、8次試樣的加載應力相比凍融0次分別降低了30.1%、49.9%；凍融8次后，相同應變3%下次數為10、12次試樣的加載應力相比次數8次分別增大了24.2%、63.6%。筆者認為，凍融次數具有階段節點且與黏質粉土內含水量有關，當凍融次數處于小區間內時，次數愈多，試樣內顆粒骨架水晶體顆粒膨脹、收縮變形愈劇烈，對試樣承載能力愈不利；黏質顆粒愈多，重塑土樣內部顆粒骨架保水能力得到提高，受凍融效應影響更為顯著，因而應力漲跌幅度愈大。

從圖6（a）看出，凍融0～8次內，次數愈多，試樣線彈性模量愈小，凍融8次的線彈性模量為5.59 kPa，而凍融0、4次線彈性模量相比前者提高了1.2倍、62.1%；在凍融8～12次內，線彈性模量隨凍融次數具有遞增效應。這表明不同凍融次數下，重塑黏質粉土試樣在各變形階段均具有顯著差異性。

圖6 凍融次數影響下重塑土應力應變特征

凍融次數影響下重塑土樣三軸強度變化特征曲線，如圖7所示。從圖7可知，在黏質含量5%試驗組中，凍融0～8次內，每增長2次凍融，強度平均損耗9.9%；而在凍融8次后，每增長2次凍融，重塑土樣強度可升高11.2%；且當黏質含量增大時，凍融效應在重塑土樣強度中更為顯著。

圖7 凍融次數影響下重塑土樣三軸強度變化特征

4 結論

（1）重塑后黏質粉土最優含水量與黏質含量具有線性函數正相關關系，黏質顆粒含量增大5%，最優含水量增長8.5%；而最大干密度與黏質含量具有二次函數關系，兩者為負相關關系。

（2）重塑后黏質粉土加載應力水平高于原狀粉土，且黏質含量愈多則重塑黏質粉土加載應力水平愈大，圍壓100、200 kPa下黏質顆粒含量增長5%，分別可提升重塑土樣強度22.6%、28.6%；圍壓愈大，重塑黏質粉土塑性變形能力愈強，圍壓200 kPa下線彈性模量相比100 kPa下增大43.9%。

（3）以凍融8次為階段節點，在該節點前、后區間內凍融次數對試樣加載應力分別為遞減、遞增效應，黏質含量5%下凍融0～8、9～12次內，每增長2次凍融，強度分別平均損耗9.9%、增大11.2%；黏質含量愈多，黏質粉土受凍融效應影響愈顯著，應力漲跌幅度愈大。