岸坡土體物化改性下干濕、凍融交替力學試驗研究

朱偉崇，張秀如

（1.廣東偉勝環境工程有限公司，廣東 佛山 528308；2.廣東金松建設集團股份有限公司，廣東 佛山 528308）

1 試驗概況

1.1 試驗背景

作為佛山地區重要防洪工程， 佛山東平河聯圩工程乃是地區內重要控水、排澇的綜合性水利樞紐，其建設長度從佛山市北江轄段直至東平河出流段，控制流域面積超500km2， 干堤總長超30km， 亦是佛山、中山地區中順大圍的重要組成部分。中順大圍樞紐工程始建于20 世紀50 年代， 干堤總長度超過120km，包括有小欖圍、均安圍等小型聯圩工程，從佛山均安鎮金沙灘至中山市東河水閘沿線， 其堤防主體為佛山東平河聯圩工程，干堤頂最高處為8.5m，設計樁號為K0+0.000～K48+630， 堤防高程分布為3.5～8.5m，最高處位于東河水閘所在堤段，迎、背水側坡度分別為1/3、1/2.25，堤面寬度經過一、二期聯圩工程加固后，目前可通行兩車道，寬度約6～7m。 根據對東平河聯圩工程所在堤段分析得知， 該地區堤防工程采用分層堆筑形式，堆筑料以砂土、粉土為主，該聯圩工程K6+355處北側堤防剖面示意圖如圖1，該堤段堤防由于位于城區， 因而其堤頂進行了粉質砂土加筑，加高后堤頂高程6.2m，堆筑料中沉降變形較大屬粉土與細礫石，且細礫石含水率較高，滲透系數較大。在中順大圍聯圩工程中，堤防的安全穩定性決定了防洪、排澇能力，但同時也對各聯圩樞紐水利設施產生影響，在東河水閘處，其最大過閘流量為900m3/s，設計閘室內、外側水位分別為0.5、2.97m，具有六孔泄流設計，總凈寬為25m，是東平河堤防排澇的重要水利設施。 但在實際運營中， 如2020年夏季臺風災害中，東河水閘無法有效排澇，閘內、外側水位均處于滿負荷狀態，通流量僅為設計值的23%，造成了堤防迎水側水位不穩定性。根據運營分析，東河水閘所在堤段出現岸坡滑移風險， 有限元模擬獲得了該堤段滑坡面分布，如圖2，最大滑移面長度達20m，分布范圍占下游背水側65%，分析失穩發生的內因，為岸坡內粉土在活躍滲流狀況下承載骨架受損， 影響該堤段內東河水閘運營狀態，導致防洪排澇受限。 為此，聯圩工程管理部門針對東平河聯圩工程重點堤段的粉土進行改性治理，提升堤防運營安全。

圖1 K6+355處北側堤防剖面

圖2 堤段滑坡面分布

1.2 試驗介紹

為確保東平河聯圩工程堤防岸坡改性土良好穩定性，考慮采用物化改良方法，在各個重點堤段進行物化劑注漿，確保改性土承載提升。 本文基于此，設計了石灰、類米漿劑兩種物化改性劑，分別針對此兩種改性劑的改良效果開展力學試驗研究。 本試驗采用GE0-TAC三軸加載試驗裝置進行。 該實驗裝置配置有中控系統、加載裝置及數據采集處理裝置，其中加載裝置內配置有100kN的力學傳感器，測量波幅不超過1%，加載臺可滿足三軸不同類型剪切試驗；數據采集裝置配置有8通道的LVDT與應變片兩種測量方式，LVDT量程為-20～20mm，本文應變分析采用LVDT數據，以應變片數據作為輔助參考作用。 另一方面，從實際堤防運營工程環境考慮， 所有堤段岸坡土體需考慮水位升降帶來的干濕交替作用， 而地區內冬季氣溫雖未跌破零度， 但不可忽視氣溫升降過程中產生的凍融交替作用。 因而，兩種改性土均需開展凍融、干濕兩種物理耦合作用下的三軸剪切力學試驗。

根據對東平河聯圩工程地勘分析，其塑性指數表明，堤段粉土與K6+355處北側堤防土性一致，本試驗中以該樁號堤段粉土為研究對象，所有試驗樣品均取自該堤段同一剖面。 在室內經過重塑后，所有改性劑配置摻量均統一為4%， 重塑后土體加工制成含水率為16%～17%的試樣，采用環刀法制備改性土［1，2］。

各品種改性土均需完成相應的干濕、 凍融交替物理實驗，干濕過程采用半浸水方式，只留試樣頂、底部接觸水體， 放置在飽和真空儀中完成24h浸水，后取出在自然風干狀態燜封12h，完成干燥。 凍融交替借助低溫冷凍箱開展凍結試驗，樣品在低溫-15℃下12h完成凍結， 后在常溫下完成融化， 此為1次交替。 本試驗中兩種物理作用分別設定有相應的交替次數，其中干濕作用設定有0～5次，方案遞增階次為1次，凍融交替方案設定為0～10次，階次為2次。試驗圍壓設定為50，100，150，200kPa，在兩種物化劑改性土的基礎上增設一組原狀粉土對照組， 試驗方案各組參數如表1?；谏鲜霾煌愋透男酝恋奈锢眈詈献饔玫娜S力學試驗， 探討最適配堤防岸坡土體的改性劑，為堤防加固提供依據。

表1 試驗因素

2 物理作用下改性土力學特征

2.1 干濕交替

基于改性土力學試驗數據處理， 獲得了干濕物理作用下改性土的力學影響變化特性，如圖3。 從圖中可知，任意干濕交替方案中，兩種改性土承載能力均高于原狀土，在干濕交替1次方案下，石灰改性土（A類）、 類米漿劑改性土 （B類） 抗剪強度分別為948.9，731.8kPa，而原狀土在該干濕方案下強度較前兩者分別減少了40.9%、23.4%，當干濕方案為4次時，原狀土與兩改性土試樣間強度差幅達45.6%、28.5%；分析表明，干濕作用增強后，改性土提升承載效果更顯著， 原狀土受干濕物理損傷作用， 強度損耗較嚴重，而改性土通過改性劑與粉土顆粒的物化作用，強化了顆粒骨架穩定性， 在干濕作用下具有更強的抗損傷能力。 但不可忽視，隨著干濕交替增多，兩改性土承載應力水平均有損耗，如A類試樣在無干濕作用時應變4%下承載偏應力為920.5kPa， 而交替增長至1，4，5次后， 相應的偏應力較之分別減少了12.9%，52.5%，71.8%；從抗剪強度對比來看亦可知，在無干濕作用下B類改性土強度為803.3kPa，而隨交替方案每階次1次增長，則其強度平均損耗12.1%，同理在A類試樣中強度隨交替階次方案的損耗幅度為8.6%，而原狀土更甚者，其在干濕作用下，每階次導致強度減少了14.3%。 由此說明，原狀土受干濕作用影響敏感度最高，而兩種改性土抗干濕損傷效應較強，在干濕工程環境下更為適配［2］。

圖3 干濕作用下改良土應力應變特征

分析改性土變形特征可知， 無干濕作用下試樣峰值應變更低，而干濕作用愈強，試樣延性變形能力增強， 應變增大，B類試樣無干濕作用下峰值應變為6.2%， 而交替4，5次下峰值應變分別增大至7.4%，7.9%。不論是原狀土亦或是改性土，其彈性模量與交替次數均為負相關關系，原狀土交替0次時彈性模量為134.2kPa， 而交替1次、5次方案下模量值較之分別減少了19.8%，66.1%，其他兩種改性土亦是如此。 對比改性土與原狀土間變形特征差異可知， 在相同交替次數下峰值應變基本接近， 特別是干濕作用較弱時，在無干濕作用下原狀土與A類試樣的峰值應變分別為6.7%，6.6%；分析認為，改性劑的存在，在低干濕物理損傷作用下［3］，對土體試樣變形影響較弱，而在干濕損傷作用較強時， 改性劑對土體變形影響差異才更顯著。

2.2 凍融交替

圖4為凍融物理作用下的改性土力學試驗特征。從圖中可知， 凍融作用對改性土承載能力亦是損傷效應， 在無凍融下A類試樣抗剪強度為890.6kPa，而隨凍融方案每階次增大2次， 則其強度平均降低10.6%；B類試樣與原狀土試樣亦是如此，抗剪強度分別具有損耗13.8%，15.6%。對比兩種改性土與原狀土試樣間強度損耗可知，B類改性土受干濕影響降幅接近原狀土，而A類改性土抗凍融損傷能力最強［4］。 對比相同凍融交替方案下承載應力也可知，在交替2次方案下應變5%時原狀土、B類改性土偏應力分別為360.3，504.2kPa， 而A類改性土較之分別增大了1.26倍、61.7%，在各凍融交替方案中，較之B類試樣、原狀土，A 類 試 樣 強 度 較 之 增 幅 分 別 為1.11～1.46 倍、51.6%～68.4%。 分析認為，在凍融作用下，B類改性土摻加的改性劑作為一種近液態材料，在凍融作用下，更易造成土顆粒骨架內部孔隙的脹大破壞， 影響試樣承載穩定性，故該試樣受凍融作用影響敏感度更高。

圖4 凍融作用下改良土應力應變特征

觀察改性土應變特征可知， 當凍融交替次數愈高時，試樣均趨于延性變形特征，峰值應力后降幅較低，A、B 類試樣在交替10 次方案下降幅分別為12.6%，18.5%，而原狀土在各凍融方案中峰值應力后均有較長階段的延性變形，表明改性劑的存在，會改變土體試樣脆延性變形特征。

3 物理作用下改性土抗剪強度特征

兩種物理作用下改性土抗剪特性均有所差異，在抗剪強度特征參數的體現上更為顯著， 由于兩抗剪特征參數影響變化具有一致性， 因而本文分別給出干濕作用下黏聚力參數與凍融作用下內摩擦角參數變化特征，如圖5。

圖5 抗剪特征參數受摻量影響變化

從圖中可知，干濕、凍融作用與抗剪特征參數均為負相關關系，A類改性土在干濕0次時黏聚力為47.6kPa，而交替階次每增長1次時，該類型試樣的黏聚力平均減少1.9%，同樣B類、原狀土也會分別減少4.7%、9.2%；A類試樣黏聚力不僅受影響敏感度最低，其黏聚力水平也是3種試樣中最高［5］，在交替2次下B類、 原狀土試樣的黏聚力較之A類試樣減少了11.8%，26.1%， 特別是在干濕交替次數愈高的方案中，差距更為顯著。 相比黏聚力參數，在凍融作用下內摩擦角參數影響降幅較小， 在凍融每2階次下，A、B類試樣與改性土試樣內摩擦角參數分別平均減少了1.5%，2.6%，4.5%， 特別是在凍融4，5次后，A、B類試樣內摩擦角參數降幅較小， 分別僅為0.6%，1.1%。分析表明，在高凍融交替方案中，A、B類試樣內摩擦角參數受影響敏感度降低。

4 結語

（1）改性土承載能力均高于原狀土；干濕作用對土體承載能力均有損傷效應，隨交替階次增長，A、B類、 原狀土試樣抗剪強度的平均損耗幅度分別為8.6%，12.1%，14.3%；干濕作用愈強，土體延性變形增大，且改性劑對土體變形影響差異更為顯著。

（2）凍融作用對改性土承載能力為損傷效應，但以A類改性土抗凍融損傷作用最強；每2階次作用下，A、B類、 原狀土試樣抗剪強度的平均損耗幅度分別為10.6%，13.8%，15.6%；改性劑會影響凍融作用下土體三軸脆延性變形特征。

（3）干濕、凍融作用與抗剪特征參數均為負相關關系，干濕交替每階次下，A、B類改性土試樣黏聚力分別平均減少1.9%，4.7%， 而凍融交替2階次下兩試樣內摩擦角參數分別減少了1.5%，2.6%；A類試樣抗剪特征參數受影響敏感度最低。

（4）對比改性后土體力學特征，認為適配堤防岸坡加固的改性劑為石灰。