凍融條件下水工建筑地基復(fù)合土力學(xué)特性分析研究

陳 晶，華 中

（淮安市淮河水利建設(shè)工程有限公司，江蘇 漣水 223400）

1 引言

水工建筑建設(shè)過(guò)程中必須考慮地基承載力設(shè)計(jì)要求，當(dāng)天然地基土體性能欠佳，勢(shì)必需要對(duì)地基進(jìn)行人工處理或土體改良，以確保地基土體性能良好，因而，研究人工改良復(fù)合土力學(xué)性質(zhì)對(duì)水利設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義[1,2]。但不可忽視，天然地基無(wú)法滿(mǎn)足建筑要求，一些工程中經(jīng)常采用復(fù)合地基，包括樁基礎(chǔ)在內(nèi)的多類(lèi)型基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，提升地基承載力水平，為工程建設(shè)提供保障[3,4]。而對(duì)于人工改良土體的研究主要集中在室內(nèi)試驗(yàn)與模擬仿真計(jì)算兩種方法，利用精密室內(nèi)土工儀器，設(shè)計(jì)開(kāi)展土體力學(xué)性質(zhì)以及滲透特性研究，為工程設(shè)計(jì)提供重要試驗(yàn)參數(shù)[5,6]。當(dāng)然，也有包括陳玲[7]、黎柳坤[8]在內(nèi)的許多專(zhuān)家與學(xué)者根據(jù)復(fù)合土顆粒流特性，設(shè)計(jì)采用顆粒流仿真計(jì)算手段，研究單軸壓縮或三向荷載下土體力學(xué)性質(zhì)變化，為探討土體力學(xué)影響特性提供支持。本文設(shè)計(jì)開(kāi)展復(fù)合土力學(xué)特征影響性分析，為工程建設(shè)及設(shè)計(jì)提供參數(shù)支持。

2 試驗(yàn)概況

2.1 工程背景

淮安地區(qū)擬建一抽水泵站水資源中轉(zhuǎn)調(diào)度樞紐工程，該水工樞紐工程設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)年限較長(zhǎng)，目前，考慮工程場(chǎng)地上部結(jié)構(gòu)安全性，特別是水閘及攔污柵設(shè)置有6根閘墩，對(duì)地基承載力要求較高，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試數(shù)據(jù)表明，砂土無(wú)法滿(mǎn)足水工建筑承載力要求?？紤]此，對(duì)該水工建筑場(chǎng)地地基土體開(kāi)展人工處理很有必要，工程設(shè)計(jì)部門(mén)根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣砂土分析得知，粒徑超過(guò)4.75 mm的占比達(dá)60%以上，但保水性較差，含水量較低，根據(jù)土體改良方法設(shè)計(jì)采用化學(xué)纖維與土體攪拌混合，形成承載力較高、保水性好的人工復(fù)合地基土體。

2.2 試驗(yàn)介紹

本試驗(yàn)采用GDS非飽和土三軸試驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展力學(xué)試驗(yàn)，該試驗(yàn)系統(tǒng)由多個(gè)功能部分組成，如圖1所示。測(cè)試力學(xué)傳感器均在試驗(yàn)前完成精度測(cè)試、標(biāo)定工作，確保測(cè)量試驗(yàn)誤差不超過(guò)0.1%；采用的凍融試驗(yàn)箱完成凍、融溫度為-20 ℃、20 ℃的循環(huán)試驗(yàn)。

圖1 GDS非飽和土三軸試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)主要分析凍融條件、化學(xué)纖維含量對(duì)復(fù)合土力學(xué)性質(zhì)影響，并加以原裝砂土為對(duì)比，獲得各因素對(duì)復(fù)合土三軸力學(xué)性質(zhì)影響規(guī)律。為此，筆者設(shè)定凍融次數(shù)分別為0、2、4、6、8、10、12次，設(shè)定纖維含量分別為1%、3%、5%、7%，圍壓設(shè)定為50 kPa、100 kPa，并設(shè)置有原狀砂土對(duì)照組。

2.3 擊實(shí)試驗(yàn)

試驗(yàn)前將原狀砂土擊碎攪拌，并分多次噴灑土體，后分多次添加相應(yīng)的化學(xué)纖維，確?？偧尤氲睦w維含量是目標(biāo)值，后繼續(xù)噴灑水質(zhì)混合料，攪拌均勻后放置恒溫恒濕環(huán)境中養(yǎng)護(hù)24 h，完成制樣。在進(jìn)行三軸試驗(yàn)前對(duì)各纖維含量復(fù)合土體開(kāi)展擊實(shí)試驗(yàn)，獲得復(fù)合土體擊實(shí)特征參數(shù)與纖維含量關(guān)系，如圖2所示。由擊實(shí)試驗(yàn)兩特征參數(shù)受纖維含量影響特征可知，最優(yōu)含水量隨纖維含量為先增后減，而最大干密度與之為負(fù)相關(guān)，以纖維含量3%時(shí)最優(yōu)含水量最高，達(dá)8.4%，而纖維含量7%時(shí)最優(yōu)含水量為前者的85.5%；纖維含量1%時(shí)最大干密度為2.006 g/cm3，而隨纖維含量增長(zhǎng)2%，最大干密度平均降低1.6%。

圖2 復(fù)合土體擊實(shí)特征參數(shù)與纖維含量關(guān)系

3 化學(xué)纖維對(duì)復(fù)合土力學(xué)特性影響

3.1 應(yīng)力應(yīng)變

根據(jù)不同化學(xué)纖維含量下復(fù)合土體三軸力學(xué)試驗(yàn)，獲得兩圍壓下纖維含量影響下復(fù)合土應(yīng)力應(yīng)變特征，如圖3所示。從圖中可知，兩圍壓下復(fù)合土體應(yīng)力應(yīng)變階段可分為“線(xiàn)性上升-穩(wěn)步下降或穩(wěn)定不變”兩階段特征，其中圍壓50 kPa下第二階段為穩(wěn)步下降，此與復(fù)合土脆性破壞導(dǎo)致的應(yīng)力下跌有關(guān)，圍壓50 kPa下纖維含量3%試樣峰值應(yīng)力后應(yīng)力下跌幅度為27.5%，而相同含量試樣在圍壓100 kPa下峰值應(yīng)力后僅有0.53%波動(dòng)。從復(fù)合土應(yīng)力水平受纖維含量影響可知，纖維含量愈高，則復(fù)合土體加載應(yīng)力水平愈大，圍壓50 kPa下應(yīng)變2%時(shí)纖維含量1%試樣加載應(yīng)力為29.2 kPa，而相同應(yīng)變對(duì)應(yīng)的纖維含量3%、7%試樣加載應(yīng)力相比前者分別增大了11.8%、68.2%，表明纖維成分的存在，對(duì)復(fù)合土承載應(yīng)力具有提升效應(yīng)。當(dāng)圍壓為100 kPa時(shí)，前述相同應(yīng)變下纖維含量3%、7%試樣加載應(yīng)力相比含量1%下乃是分別增大了14.5%、76.9%，即加載應(yīng)力差異幅度增大。分析認(rèn)為，當(dāng)原狀砂土與化學(xué)纖維混合后，纖維微細(xì)及流動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)可在原狀砂土內(nèi)部顆粒骨架起著重要作用，一方面可填充骨架孔隙，降低復(fù)合土體孔隙率，另一方面纖維作為保水性與連接性強(qiáng)的人工合成材料，其可提升顆粒骨架整體粘結(jié)性與咬合度，進(jìn)而表現(xiàn)復(fù)合土體加載應(yīng)力水平較高。當(dāng)圍壓增大，纖維含量在側(cè)向應(yīng)力作用下，對(duì)復(fù)合土內(nèi)部孔隙的填充以及顆粒間的粘結(jié)、咬合，更具密實(shí)性，復(fù)合土體表現(xiàn)加載應(yīng)力差異幅度亦愈大[9,10]。

圖3 纖維含量影響下復(fù)合土應(yīng)力應(yīng)變特征

從變形特征來(lái)看，相同圍壓下復(fù)合土體線(xiàn)彈性模量表現(xiàn)相同，圍壓50 kPa下線(xiàn)彈性模量為16.5 kPa，而圍壓100 kPa下線(xiàn)彈性模量相比前者升高了12.5%，圍壓可改變?cè)嚇泳€(xiàn)彈性變形能力，而纖維含量對(duì)試樣線(xiàn)彈性變形階段影響較小。

3.2 強(qiáng)度破壞特征

為分析復(fù)合土強(qiáng)度破壞特征受纖維含量影響，給出各纖維含量試樣三軸抗壓強(qiáng)度與纖維含量關(guān)系，如圖4所示。根據(jù)強(qiáng)度變化特征可知，纖維含量與復(fù)合土三軸抗壓強(qiáng)度為正相關(guān)，且兩者呈線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系，圍壓50 kPa下纖維含量增長(zhǎng)2%，復(fù)合土三軸抗壓強(qiáng)度平均可增大19.2%；而在圍壓100 kPa下時(shí)，該強(qiáng)度幅度為27.5%，即圍壓增大，強(qiáng)度受纖維含量促進(jìn)幅度亦增長(zhǎng)。

圖4 試樣三軸抗壓強(qiáng)度與纖維含量關(guān)系

4 凍融循環(huán)對(duì)復(fù)合土力學(xué)特性影響

4.1 應(yīng)力應(yīng)變

根據(jù)對(duì)不同凍融次數(shù)下復(fù)合土體三軸力學(xué)數(shù)據(jù)處理，獲得凍融循環(huán)影響下復(fù)合土體應(yīng)力應(yīng)變特征，如圖5。從圖中可看出，凍融循環(huán)對(duì)復(fù)合土承載應(yīng)力影響具有階段性變化，當(dāng)循環(huán)次數(shù)在0～9次時(shí)，循環(huán)次數(shù)與復(fù)合土加載應(yīng)力為負(fù)相關(guān)，在應(yīng)變2%時(shí)循環(huán)3次、9次復(fù)合土體試樣的加載應(yīng)力相比循環(huán)0次下降低了18.5%、35.1%；當(dāng)循環(huán)次數(shù)為9～15次時(shí)，加載應(yīng)力水平隨循環(huán)次數(shù)遞增，應(yīng)變2%時(shí)循環(huán)15次與9次試樣加載應(yīng)力相差40.5%。當(dāng)纖維含量增大至7%時(shí)，在凍融9次后，加載應(yīng)力間幅度差異愈顯著，應(yīng)變2%時(shí)循環(huán)3次、9次試樣加載應(yīng)力相比循環(huán)0次減小了23.2%、39.5%，說(shuō)明纖維含量增大，可進(jìn)一步提升凍融循環(huán)正向促進(jìn)復(fù)合土強(qiáng)度作用。

圖5 凍融循環(huán)影響下復(fù)合土體應(yīng)力應(yīng)變特征

線(xiàn)彈性變形階段中凍融次數(shù)愈低的試樣線(xiàn)彈性模量愈大，特別是無(wú)凍融下纖維含量3%試樣線(xiàn)彈性模量達(dá)8.1 kPa，以?xún)鋈谘h(huán)9次線(xiàn)彈性模量最低，其僅為前者的80%左右，而凍融15次試樣線(xiàn)彈性模量相比9次時(shí)提升了35.1%。從峰值應(yīng)變來(lái)看，各凍融循環(huán)試樣的峰值應(yīng)變基本接近，纖維含量5%試驗(yàn)組中峰值應(yīng)變穩(wěn)定在6%左右，而含量20%組中峰值應(yīng)變又穩(wěn)定在5.8%～6%，表明凍融循環(huán)對(duì)峰值應(yīng)變影響較弱。

4.2 強(qiáng)度特征

為分析凍融循環(huán)對(duì)復(fù)合土強(qiáng)度特征影響，計(jì)算獲得各復(fù)合土體三軸抗壓強(qiáng)度變化特征，如圖6所示。根據(jù)圖中強(qiáng)度變化首先可看出，復(fù)合土強(qiáng)度與凍融次數(shù)具有二次函數(shù)關(guān)系，此擬合后關(guān)系式見(jiàn)圖6，可用工程中初步估算土體承載強(qiáng)度指標(biāo)。從復(fù)合土體抗壓強(qiáng)度變化特征可知，在凍融0～9次內(nèi)，凍融次數(shù)增多3次，則試樣強(qiáng)度平均損失7.5%，反之在凍融9～15次內(nèi)，試樣強(qiáng)度可提升10.8%。當(dāng)纖維含量增大至7%后，在凍融9次前、后區(qū)間內(nèi)，試樣強(qiáng)度分別平均損失13.8%與增大22.8%，幅度差異均高于纖維含量1%試驗(yàn)組中，表明纖維含量有加大試樣強(qiáng)度受凍融次數(shù)影響效應(yīng)的作用。

圖6 復(fù)合土體三軸抗壓強(qiáng)度變化特征

5 結(jié)論

（1）擊實(shí)試驗(yàn)表明復(fù)合土最優(yōu)含水量隨纖維含量為先增后減變化，最大干密度隨之為遞減，隨纖維含量增長(zhǎng)2%，最大干密度平均降低1.6%。

（2）圍壓可提升復(fù)合土線(xiàn)彈性模量，兩圍壓下線(xiàn)彈性模量差異12.5%，纖維含量愈高，復(fù)合土體強(qiáng)度愈大，且圍壓愈大，纖維含量對(duì)強(qiáng)度影響差異幅度愈顯著，纖維含量增長(zhǎng)2%，圍壓50 kPa、100 kPa下土體強(qiáng)度分別平均可增大19.2%、27.5%。

（3）凍融循環(huán)對(duì)復(fù)合土應(yīng)力影響以?xún)鋈?次為階段節(jié)點(diǎn)，在凍融0～9次與9～15次兩區(qū)間內(nèi)分別為負(fù)相關(guān)、正相關(guān)特征；凍融次數(shù)與復(fù)合土強(qiáng)度具有二次函數(shù)關(guān)系，凍融次數(shù)增多3次，纖維含量1%試驗(yàn)組中凍融9次前、后兩區(qū)間內(nèi)試樣強(qiáng)度分別平均損失7.5%與增大10.8%，纖維含量增大，凍融循環(huán)對(duì)強(qiáng)度影響幅度差異愈大。