樞紐工程壩基土新型改良材料下力學試驗研究

李春元

(廣東益鑫源工程建設(shè)管理咨詢有限公司，廣東 江門 529000)

1 概 述

土體作為水利工程中重要承載的天然材料，研究土體力學穩(wěn)定性對推動水工建筑安全設(shè)計具有重要意義[1-2]。另一方面，由于受天然因素影響，不同土體具備的承載能力具有顯著差異，有的甚至對工程承載設(shè)計具有負面影響，為此針對解決不良土層孔隙偏大、松散等問題，可采用物化改良等方法，對改良后土體力學穩(wěn)定性評價是土體改良效果的關(guān)鍵[3-4]。吳琪等[5]、李遠征等[6]根據(jù)土體顆粒流特點，設(shè)計采用離散元方法研究了不同工況、不同狀態(tài)參數(shù)下土體力學特征變化，為工程土體力學研究提供了計算參照。由于顆粒流與離散元計算結(jié)果與工程實際有所偏差，因而一些學者探討采用現(xiàn)場原位試驗儀器完成工程土體力學測試，直接從現(xiàn)場獲得土體承載性能參數(shù)，為工程應用提供依據(jù)[7]。現(xiàn)場原位試驗儀器精度可靠性欠佳，且無法準確獲得土體力學特性的影響變化規(guī)律，因而李旨洪[8]、李蓬勃等[9]、韋麗[10]利用室內(nèi)土工試驗設(shè)備設(shè)計開展了土體三軸壓縮、滲流等試驗，特別是可對重塑后改良土試樣進行數(shù)據(jù)分析，探討改良效果對土體力學特征變化影響。本文對壩基不良土體采用新型固化液聚合物的改良方法，開展改良土三軸力學試驗，評價不同因素對改良土力學特性影響，為工程建設(shè)提供科學依據(jù)。

2 試驗概況

2.1 工程背景

為改善粵北地區(qū)水力資源分布不均現(xiàn)狀，在珠江上游考慮新建一座水利樞紐，承擔地區(qū)防洪、蓄水調(diào)度、排澇及灌溉等水利作用。設(shè)計上游蓄水庫最大容量為6 000×104m3，最大集水面積超過200×104m2，建設(shè)引水明渠55 km，惠及下游農(nóng)田超過13.333×104hm2，有效提升地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉效率，降低農(nóng)業(yè)用水缺水率。該樞紐工程包括有主壩、溢洪道、輸水渠道及水力控制設(shè)施，溢洪道與泄洪閘構(gòu)成樞紐工程主要泄流設(shè)施，設(shè)計最大泄流量為300 m3/s，采用階梯式溢流面作為溢洪道過渡段；下游配備有消能池、消能坎、水工擋墻等消能建筑，為確保各類水工消能建筑的運營穩(wěn)定性，均在地基持力層中深挖1.5 m，而該地基覆蓋土與壩基上覆土層性質(zhì)基本一致，均為黏土體。該工程中主壩設(shè)計高度為35.5 m，采用混凝土重力壩設(shè)計形式，壩頂寬度為3.5 m，在局部壩肩處加設(shè)有防浪墻，有效降低由于水力沖刷對壩體沖蝕影響，高度為2.6 m，墻體面層采用抗?jié)B纖維體，降低后期維護成本。壩身采用止水面板與土工防滲系統(tǒng)，設(shè)計壩體內(nèi)最大滲透坡降不得超過0.2，限制滲流活動，壩身上下游最大水頭差不超過2 m，壩身內(nèi)靜水壓力低于20 kPa。全壩體均坐落在片麻巖與黏土的地層上，前期鉆孔資料表明片麻巖粒徑為5～12 mm，室內(nèi)測試最大抗壓強度可達44 MPa，且片麻巖完整性較佳，無顯著孔隙及節(jié)理面，靜水壓力滲透測試表明孔隙度最低可達0.05%，這也是該樞紐工程選擇該壩基的重要根源。但不可忽視，另一方面地基上覆土層以黏性土為主，顆粒松散性較大，且遇水后易發(fā)生膨脹，內(nèi)部孔隙分布較多，不利于壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。土工實驗表明，珠江上游黏土屈服壓力以150～200 kPa為主，滲透系數(shù)超過2×10-3cm/s，局部土層防滲效果較差。為此，工程設(shè)計部門考慮對地基上覆土層進行改良，并引入固化液人造聚合物材料，與黏土進行混合，使黏土顆粒結(jié)構(gòu)趨于固化穩(wěn)定，強化地基土體承載力。由于固化液材料在黏土物化改良研究領(lǐng)域還較少，因而對固化液的摻量及改良后土體的養(yǎng)護均是工程設(shè)計的關(guān)注重點，故本文以固化液聚合物摻量及養(yǎng)護條件作為研究對象，分析該因素對改良土力學特征影響，進而為樞紐工程壩基處理提供依據(jù)。

2.2 試驗介紹

為確保試驗結(jié)果可靠性，本文采用ELDyn三軸試驗系統(tǒng)開展不同影響因素的改良土三軸力學試驗，見圖1。該試驗系統(tǒng)最大可完成30 MPa圍壓試驗，軸向荷載可根據(jù)試驗需求更換不同精度傳感器，最大荷載可至400 kN，加載裝置位于柔性密封壓力室中，所有傳感器、采集設(shè)施探頭均安裝在壓力室，可承受相應的壓力且不影響精度。試驗采集裝置共有8個通道，全部可實時傳輸采集數(shù)據(jù)至中控樞紐，實驗全過程可監(jiān)測試樣變形破壞過程。本試驗中采用直徑、高度分別為38、76 mm的試樣，均為非飽和狀態(tài)，全程均采用變形控制加載試樣，速率為0.02 mm/min，測試試樣在三軸圍壓下變形破壞特征。

圖1 三軸試驗系統(tǒng)

所有土體試樣均取自工程現(xiàn)場，在室內(nèi)經(jīng)擊實試驗后獲得土樣最大干密度為1.73 g/cm3[11]，而試樣在室內(nèi)碾碎后，均勻加入相應摻量的固化液聚合物，經(jīng)人工模具壓實成型，獲得相應的改良土試樣，見圖2。所有制備好的試樣均放到標準養(yǎng)護箱內(nèi)，按照試驗設(shè)定的養(yǎng)護齡期，完成力學試驗前養(yǎng)護工作。本試驗中各組具體試驗參數(shù)見表1。

圖2 制備的改良土試樣

表1 各組重塑試樣石灰摻量與凍融次數(shù)

3 新型改良土力學特性影響分析

3.1 固化液摻量對改良土應力應變影響

根據(jù)新型改良土三軸加載力學試驗，獲得不同固化液摻量下改良土應力應變特征，見圖3。

圖3 不同固化液摻量下改良土應力應變特征

從圖3中可知，圍壓100 kPa下試樣加載應力水平與固化液摻量具有正相關(guān)變化關(guān)系，當處于同一應變3%時，固化液摻量0.1%試樣的加載應力為213.2 kPa，而摻量0.15%、0.25%下試樣的加載應力較前者分別增長28.8%、66.7%；同時，所有摻有固化液聚合物改良土加載應力水平顯著高于原狀黏土，同一圍壓應變3%下原狀黏土的加載應力較摻量0.1%、0.25%時分別減少22.5%、53.5%。從固化液摻量對原狀土改良效果來看，固化液聚合物成分有助于提升黏土顆粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高整體承載能力；且當固化液摻量愈大，則改良土的承載穩(wěn)定性愈好。但不可忽視，固化液摻量愈大，試樣彼此間加載應力差幅在減小，如摻量0.2%、0.25%兩試樣在應變0%～2%、8%～15%段基本應力水平一致，表明固化液摻量具有“合理區(qū)間值”。當圍壓增大至300 kPa后，固化液摻量與加載應力水平關(guān)系并未發(fā)生改變，且圍壓增大后，各不同摻量改良土加載應力水平整體增大，表明圍壓增大，不僅不會影響固化液聚合物對原狀黏土穩(wěn)定性的提升，而且對加載應力水平增強效果顯著[12-13]。

從變形特征來看，在圍壓100 kPa下，除原狀土、摻量0.1%試樣未出現(xiàn)顯著峰值應力，其他摻量試樣均出現(xiàn)了顯著峰值應力與應力下跌階段，表明摻量愈高，在圍壓較低時改良土具有脆性變形破壞特征。圍壓100 kPa下?lián)搅?.1%試樣峰值應力后期長期穩(wěn)定在238 kPa左右，而摻量0.2%、0.25%試樣峰值應力后期應力跌幅超過22.6%、25.5%。圍壓300 kPa下，各改良土試樣應力應變曲線均未出現(xiàn)下跌階段，表明圍壓提高后，改良土塑性變形能力得到強化。兩圍壓下?lián)搅扛淖儯绊懜牧纪翉椥宰冃屋^小，圍壓100、400 kPa下彈性模量參數(shù)差距達3.6倍。分析認為，固化液聚合物本質(zhì)上是一種凝固劑，對試樣顆粒構(gòu)造影響較小，故不影響其同一圍壓下線彈性變形特征，但對改良土塑性變形特征影響較大。

3.2 養(yǎng)護齡期對改良土應力應變影響

同理，對不同養(yǎng)護齡期下改良土試樣三軸應力數(shù)據(jù)處理，獲得養(yǎng)護齡期對改良土應力應變影響，見圖4。從圖4中可知，養(yǎng)護齡期愈大，則改良土加載應力水平愈高，且齡期對加載應力水平的促進效應在高齡期下依然較顯著，圍壓100 kPa時同一應變3%下齡期0 d時加載應力為290.8 kPa，而齡期4、12 d時加載應力較前者分別增長6.9%、25.2%。不可忽視，齡期愈大，黏土顆粒內(nèi)部固化液滲透效果愈好，對顆粒骨架孔隙填充、密實度提高均具有重要作用，故而加載應力水平隨之提高。另一方面，圍壓增大后，低齡期試樣間應力應變效果差異性較小，僅在高齡期12 d時加載應力水平顯著增大。分析認為，圍壓增大，低齡期下改良土顆粒間孔隙有助于縮小，這一定程度上減弱了不同齡期間差異性，由此可知圍壓對加載應力水平的增強效應有助于減弱養(yǎng)護齡期的作用。

圖4 不同養(yǎng)護齡期下改良土應力應變特征

從變形特征來看，相比固化液摻量的影響效應，養(yǎng)護齡期的影響效果較弱，在圍壓100 kPa下各齡期試樣在屈服應力前基本均保持一致，而在峰值應力下跌段又具有類似性，各試樣峰值應變均保持一致，為4.4%。圍壓300 kPa下低齡期試樣加載應力應變曲線均為一致，無顯著差異，表明高圍壓下齡期較低時，改良土變形特征差異性較小，僅在齡期超過8 d后，才具有顯著差異性。齡期改變，同一圍壓下試樣彈性模量一致，兩圍壓下分別為117.8、461.4 kPa。綜合分析認為，齡期對改良土彈、塑性變形影響均較小，且齡期對改良土加載應力水平影響受圍壓效應影響。

4 新型改良土抗剪強度特征分析

4.1 強度特征

基于改良土三軸應力試驗數(shù)據(jù)處理，獲得改良土三軸抗壓強度與固化液摻量、養(yǎng)護齡期關(guān)系，見圖5。根據(jù)圖5中強度變化關(guān)系可知，固化液摻量與改良土三軸抗壓強度具有正相關(guān)關(guān)系，但摻量0.2%、0.25%時強度基本接近，在養(yǎng)護齡期0 d時，摻量0.1%試樣抗壓強度為192.8 kPa，而摻量0.15%、0.25%試樣下相比之增大53%、71.4%，整體上看固化液摻量每增大0.05%，改良土抗壓強度平均可增長18.6%，增幅集中在摻量0.2%之前；當養(yǎng)護齡期增大至4 d、12 d后，改良土抗壓強度隨固化液摻量的平均增幅分別可達17.2%、16.3%，即養(yǎng)護齡期增大，改良土三軸強度受固化液摻量影響效應稍有減弱。在同一固化液摻量下，齡期愈大，則三軸抗壓強度增高，固化液摻量0.15%試驗組中，齡期0 d時試樣三軸強度為295.1 kPa，而齡期8、12 d時強度較之提高23.7%、32.2%，該組中隨齡期增長4 d，改良土三軸強度增長9.8%。從工程應用方面考慮，壩基經(jīng)改良處理后，應經(jīng)一定時間的養(yǎng)護后再進行下一階段施工，有利于壩基具有更大承載力。

圖5 改良土三軸抗壓強度影響變化關(guān)系

4.2 抗剪特征參數(shù)

根據(jù)對3個圍壓試驗組改良土試樣抗剪特征參數(shù)處理，獲得抗剪特征參數(shù)與固化液摻量、養(yǎng)護齡期關(guān)系，見圖6。從圖6中可知，各養(yǎng)護齡期試驗組中，黏聚力均以摻量0.2%下為最高，在齡期4 d組中，摻量0.1%、0.25%試樣黏聚力較0.2%下分別減少11.2%、1.3%，表明該摻量下改良土抗剪特性較佳。齡期增長，黏聚力均增長[14-15]，在齡期0d中黏聚力分布為82.35～110.04 kPa，而齡期4、12 d中黏聚力分布較前者增幅為3.9%～6.3%、15.4%～19.7%，而最大增幅出現(xiàn)在摻量0.2%試樣，即該摻量下試樣不僅抗剪特征最佳，且受齡期促進效果最好。從內(nèi)摩擦角特征參數(shù)來看，其隨固化液摻量均為遞增，在齡期8 d組中，摻量每增大0.05%，內(nèi)摩擦角平均增長6.2%，而在齡期0 d、12 d中，其內(nèi)摩擦角平均增幅基本未發(fā)生較大變化，表明內(nèi)摩擦角受固化液摻量提高效應不受齡期限制影響，即控制固化液摻量，在各齡期下改良土抗剪能力均具有顯著提升。

圖6 抗剪特征參數(shù)影響變化關(guān)系

5 結(jié) 論

1) 固化液聚合物對改良土強度提升存在合理摻量值，為0.2%，齡期0 d時固化液摻量每增大0.05%，改良土三軸強度平均可增長18.6%，但增幅集中在摻量0.2%之前；固化液對改良土線彈性特征影響較小，但對塑性變形影響較顯著。

2) 養(yǎng)護齡期與改良土承載應力為正相關(guān)關(guān)系，固化液摻量0.15%試驗組中，隨齡期增長4 d，改良土三軸強度增長9.8%，但圍壓增大，有助于減弱齡期對強度的促進作用；齡期對改良土彈、塑性變形影響均較小，高圍壓下齡期超過8 d后變形具有顯著差異。

3) 黏聚力均以固化液摻量0.2%下為最高；齡期增長，黏聚力均增長，齡期4 d、12 d中黏聚力較0 d下增幅3.9%～6.3%、15.4%～19.7%，而最大增幅為摻量0.2%試樣；內(nèi)摩擦角隨固化液摻量、齡期均為遞增，但齡期改變，其平均增幅均穩(wěn)定在6.2%。