滄江水利樞紐土石圍堰工程改良土力學(xué)特征影響研究

何杰明

(佛山市高明區(qū)城市重建和項(xiàng)目代建中心，廣東 佛山 528000)

1 概 述

巖土材料力學(xué)穩(wěn)定性與水利樞紐工程設(shè)計(jì)安全性密切相關(guān)[1-2]，研究巖土力學(xué)特征對推動水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平具有重要作用。土體力學(xué)水平受影響變化的因素較多，特別是針對軟弱不良土體改良后，其力學(xué)特征受改良劑、工程環(huán)境以及自身構(gòu)造影響[3-4]。因而，探討水利工程中改良土體的力學(xué)特征影響變化具有重要意義。陳葉基[5]、崔博等[6]利用顆粒流PFC仿真平臺，根據(jù)工程實(shí)際設(shè)定不同研究工況，獲得了顆粒流土體模型在力學(xué)荷載下應(yīng)力應(yīng)變特征，為工程建設(shè)提供理論依據(jù)。針對于顆粒流計(jì)算過程理想化特點(diǎn)，室內(nèi)試驗(yàn)手段應(yīng)用較為普遍，采用精密土工室內(nèi)儀器設(shè)計(jì)開展相應(yīng)的力學(xué)加載破壞試驗(yàn)，可探討工程巖土體的力學(xué)變化特征，建立室內(nèi)試驗(yàn)理論與工程設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)性，此類試驗(yàn)研究對象包括有原狀土、改性土等，也可變換三軸[7]、凍融[8]、剪切[9]等多類型試驗(yàn)條件。當(dāng)然，還有些工程師通過原位試驗(yàn)探討現(xiàn)場土體的物理力學(xué)特性[10]，為試驗(yàn)研究提供了前期基礎(chǔ)。基于滄江水利樞紐工程一期圍堰建設(shè)緊迫性，研究探討圍堰填筑料改性劑作用下力學(xué)特征差異性，為圍堰設(shè)計(jì)與施工提供參照。

2 試驗(yàn)概況

2.1 工程概況

佛山滄江水利樞紐是地區(qū)重要水利樞紐設(shè)施，目前考慮對其開展重建設(shè)計(jì)，包括水閘、泵站等水工設(shè)施，重建后效果見圖1。滄江水閘按照大(Ⅱ)型水閘設(shè)計(jì)，水閘施工一、二期圍堰導(dǎo)流流量設(shè)計(jì)為552 m3/s。圍堰設(shè)施作為水利施工安全性重要保障，對滄江水利樞紐工程開展分期劃分，分別采用碾壓式土石圍堰與鋼板樁圍堰，本文研究對象放在一期圍堰工程中。該期圍堰設(shè)計(jì)堰頂高程5.50 m，堰頂寬度5.0 m，兩側(cè)坡比1/2.5，上游側(cè)設(shè)置厚60 cm拋石護(hù)坡，護(hù)坡與堰體之間鋪填15 cm砂墊層，下游側(cè)設(shè)置厚30 cm石渣護(hù)坡。上游堰殼頂高程1.9 m，頂寬4.0 m，上游側(cè)邊坡1/2，下游側(cè)邊坡1/1.5，上游側(cè)及堰殼頂設(shè)置厚60 cm拋石護(hù)坡，護(hù)坡與堰體之間鋪填15 cm砂墊層；圍堰上游側(cè)設(shè)置防浪墻，墻頂高程5.5 m，墻頂寬度1.0 m。一期土石上游橫向圍堰采用高噴防滲墻進(jìn)行防滲，防滲墻防滲線長248 m，防滲墻平均實(shí)樁長度10.5 m，空樁長度5.5 m，圍堰堰底鋪設(shè)雙向土工格柵，伸出兩側(cè)堰腳2.0 m，雙向土工格柵縱橫向極限拉伸撕裂強(qiáng)度40 kN/m。一期上游橫向土石圍堰堰體采用工程現(xiàn)場土料填筑，上下游堰殼填料采用碎石料填筑，堆筑料力學(xué)穩(wěn)定性決定圍堰施工質(zhì)量，而根據(jù)對現(xiàn)場均質(zhì)土料調(diào)查得知，其軟弱沉降變形較大，孔隙分布較多，不利于分層壓密，且局部土料含水量較高，當(dāng)處于冬季施工期時(shí)易出現(xiàn)局部凍脹，導(dǎo)致土樣出現(xiàn)宏觀大裂縫，不利于圍堰工程穩(wěn)定性。綜合工程成本與設(shè)計(jì)安全，工程設(shè)計(jì)部門考慮對現(xiàn)場均質(zhì)軟弱土料開展物理改良，確保圍巖堆筑料滿足施工技術(shù)要求。

圖1 滄江水利樞紐設(shè)計(jì)效果圖

2.2 試驗(yàn)介紹

為研究滄江水利樞紐一期圍堰堆筑料軟弱土料的改良力學(xué)特性，本文采用DTC剪切試驗(yàn)儀開展物理改良土三軸力學(xué)試驗(yàn)研究。該試驗(yàn)設(shè)備包括加載裝置、數(shù)據(jù)采集裝置及電腦控制裝置，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備見圖2。該試驗(yàn)設(shè)備可根據(jù)試樣特性，適配最大剪切荷載達(dá)100 kN，圍壓最大10 MPa，所有荷載加載均采用液壓程序控制方式，加載過程中荷載波幅不超過1%，本試驗(yàn)中圍壓加載速率為1.5 MPa/min，該試驗(yàn)系統(tǒng)軸向靜力荷載最大滿足300 kN要求。采用多通道數(shù)據(jù)采集裝置為數(shù)據(jù)分析處理裝備，共有16個通道，但本試驗(yàn)中根據(jù)具體要求共設(shè)置有8～12通道，滿足實(shí)時(shí)采集荷載、變形等試驗(yàn)參數(shù)要求，數(shù)據(jù)采集間隔為0.01～20 s，每一個數(shù)據(jù)均是根據(jù)多個通道同時(shí)定位處理后獲取，數(shù)據(jù)平滑度超過98%。所有的數(shù)據(jù)采集通道另一端分別連接著軸向、環(huán)向變形傳感器以及荷載、圍壓傳感器等，其中軸向變形傳感器在本試驗(yàn)中量程為-15～15 mm，而環(huán)向變形傳感器由于量程限定，在本試驗(yàn)中并未測定，所有傳感器在試驗(yàn)前均已標(biāo)定，確保誤差不超過0.1%。實(shí)驗(yàn)全過程均采用電腦程序控制，所有試樣加載變形速率控制為0.01 mm/min，試驗(yàn)進(jìn)程確保可控狀態(tài)，滿足試樣破壞力學(xué)研究要求。凍融交替試驗(yàn)采用凍融交替箱設(shè)備，該設(shè)備可完成試驗(yàn)溫度-20℃～80℃，低溫采用電阻傳導(dǎo)式，交替試驗(yàn)過程中降溫速率為0.5℃/min，而達(dá)到目標(biāo)溫度值后保持3 h穩(wěn)定，才開始下一階段升溫，升溫為自然狀態(tài)溫度增高至室溫20℃即可，保持4 h，各級溫度振幅不超過5%，低溫凍結(jié)溫度設(shè)定為-20℃。

圖2 土體三軸剪切儀

為研究改良土力學(xué)特征，本文設(shè)定試驗(yàn)圍壓為100、200、300和400 kPa，而改良劑采用聚丙烯酸類人工合成化合物，摻量是研究對象，根據(jù)重塑土試樣質(zhì)量，分別摻加合成改良劑2%、4%、6%、8%和10%，試樣直徑高度分別為50、100 mm。凍融試驗(yàn)中，交替次數(shù)分別設(shè)定為0、25、50、75和100次，各組具體試驗(yàn)方案見表1。研究對比過程中以單一變量因素開展分析，獲得凍融交替物理損傷作用下改良土力學(xué)特征。

表1 試驗(yàn)具體方案

3 改良土應(yīng)力應(yīng)變特征影響

3.1 交替作用

基于對凍融交替后試樣開展三軸剪切試驗(yàn)，獲得交替作用影響下的改良土試樣應(yīng)力應(yīng)變特征，見圖3。從圖3中可看出，在相同試驗(yàn)圍壓下，交替次數(shù)對改良土加載應(yīng)力水平影響具有一致性，兩者具有負(fù)相關(guān)關(guān)系；在圍壓100 kPa下，同一應(yīng)變2%時(shí)無凍融損傷作用下試樣加載應(yīng)力為194.36 kPa，而交替次數(shù)為50、100次時(shí)應(yīng)力較之減少49.8%、74.7%，此種現(xiàn)象在改良土試樣進(jìn)入屈服變形階段后更為顯著。當(dāng)圍壓增大至400 kPa后，改良土試樣整體承載應(yīng)力水平有所提高，但各交替次數(shù)下試樣的加載應(yīng)力差異幅度有所減小，在該圍壓下仍是應(yīng)變2%時(shí)的無交替作用試樣的加載應(yīng)力為482.4 kPa，而交替25、50、100次試樣應(yīng)力與之分別具有降幅28.7%、39.1%、65.2%。由此可知，圍壓增大，有助于削弱凍融交替對改良土試樣的損傷效應(yīng)。筆者認(rèn)為，每次的凍融交替本質(zhì)上是對土體試樣本身內(nèi)部孔隙的影響，當(dāng)經(jīng)受多次凍融交替，孔隙逐步撐大，導(dǎo)致土體顆粒骨架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滑移傾向，進(jìn)而表現(xiàn)在加載應(yīng)力水平降低；但圍壓增大后，土顆粒內(nèi)部孔隙有進(jìn)一步縮小的可能，這對于試樣的凍融交替損傷具有一定的“愈合”作用，故而其加載應(yīng)力差異在圍壓作用下有所減小[11-12]。

圖3 交替作用下剪切應(yīng)力應(yīng)變特征

對比兩個典型圍壓下改良土試樣應(yīng)變特征可知，改良土彈性變形較短，且各交替次數(shù)下試樣的彈性應(yīng)變差異較小，主要影響在塑性變形階段，當(dāng)交替次數(shù)愈大，則試樣峰值應(yīng)變后塑性特征愈顯著，此種現(xiàn)象在兩圍壓下基本一致。從峰值應(yīng)變來看，相同圍壓下保持一致，圍壓100、400 kPa下不同交替次數(shù)試樣的峰值應(yīng)變分別為3.4%、3.7%。綜合分析可知，凍融損傷作用主要影響改良土峰值應(yīng)力后塑性變形，對土體彈性變形及峰值前變形階段影響較小。

3.2 改良劑摻量

同理，對不同人工化合物改良劑摻量試驗(yàn)組試樣力學(xué)數(shù)據(jù)處理，獲得改良劑摻量影響下改良土應(yīng)力應(yīng)變特征，見圖4。根據(jù)改良土加載過程中應(yīng)力水平表現(xiàn)可知，摻改良劑試樣的加載應(yīng)力水平均高于原狀軟弱土料試樣，改良劑對土體承載能力影響為正向作用。同時(shí)，改良劑摻量對土體試樣的承載應(yīng)力影響具有階段性特征，當(dāng)改良劑摻量低于6%時(shí)，加載應(yīng)力水平與之具有正相關(guān)，但摻量超過6%后，兩者關(guān)系發(fā)生逆轉(zhuǎn)變化；在圍壓100 kPa下，應(yīng)變2%時(shí)原狀軟弱土體試樣的應(yīng)力為40.2 kPa，而摻量在6%以內(nèi)時(shí)，每增大2%，則在該應(yīng)變下改良土試樣應(yīng)力平均可增長50.6%，但摻量超過6%后，相應(yīng)的摻量8%、10%試樣應(yīng)力較之6%下分別減少15.7%、45.5%。筆者認(rèn)為，改良劑摻量對軟弱土體試樣加載應(yīng)力的影響揭示了應(yīng)選擇合理摻量，而不是一味添高摻量，否則會對土體承載水平產(chǎn)生負(fù)面影響。從土顆粒骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析可知，人造化合物改良劑是一種微小細(xì)顆粒，其可以作為軟弱土料孔隙中的填充劑，提升土體密實(shí)度，降低由于自然孔隙帶來的加載破壞裂紋面，但不可忽視被填充的開口孔隙在軟弱土體中是有限的，改良劑摻量過多，并不會帶來更顯著的變化，反而承載能力較弱的改良劑顆粒會形成土骨架內(nèi)部薄弱層，導(dǎo)致試樣承載能力損失[13]。

圖4 不同摻量下剪切應(yīng)力變形特征

圍壓增大，改良劑摻量對土體試樣力學(xué)特征影響基本類似，而應(yīng)變特征在高圍壓下得到提升。當(dāng)改良劑摻量愈多，改良土彈性模型特征參數(shù)有所增大，但僅局限于摻量6%以內(nèi)，圍壓100 kPa下?lián)搅?%試樣彈性模量為31.6 kPa，而摻量每增大2%，模量參數(shù)平均可增長44.1%。綜合認(rèn)為，人工合成改良劑對土體試樣變形特征影響集中在彈性變形，特別是以彈性模量參數(shù)為典型代表。

4 改良土抗剪強(qiáng)度特征影響

根據(jù)對交替作用、改良劑摻量綜合分析，獲得兩因素影響下改良土抗剪強(qiáng)度變化特征，見圖5。根據(jù)抗剪強(qiáng)度變化趨勢可知，改良劑摻量保持在適宜值即可，在不同交替次數(shù)試驗(yàn)組中，改良土抗剪強(qiáng)度最高均指向摻量6%，在交替50次下，摻量0～6%與6%～10%兩區(qū)間內(nèi)抗剪強(qiáng)度分別呈平均遞增39.3%與遞減22.9%。當(dāng)凍融交替次數(shù)愈大，則改良土試樣抗剪強(qiáng)度愈低，以摻量6%試樣為例，其在交替0次下抗剪強(qiáng)度為360.8 kPa，而交替次數(shù)增大至50、100次后試樣的強(qiáng)度較之分別減少16.8%、52.2%，平均交替每增長25次會導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度損失29.6%。從滄江水利樞紐設(shè)施建設(shè)安全性考慮，摻量選擇在6%左右較為合理，且盡量避免改良土出現(xiàn)高低溫交替作用，減弱物理損傷。

圖5 抗剪強(qiáng)度變化特征

根據(jù)對3個圍壓下試樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)分析，獲得抗剪特征參數(shù)與摻量、交替次數(shù)關(guān)系，見圖6。從圖6中可知，抗剪特征參數(shù)受改良劑摻量影響關(guān)系與抗剪強(qiáng)度一致，均以摻量6%為特征參數(shù)最高，在交替50次時(shí)摻量6%試樣的黏聚力為52.7 kPa，而摻量2%、10%試樣黏聚力較之分別減少11.8%、11.6%；但內(nèi)摩擦角受摻量影響敏感弱于前者，同樣在該交替次數(shù)下?lián)搅?～6%間內(nèi)摩擦角參數(shù)隨摻量的增長，平均遞增2.4%，而摻量超過6%后，影響幅度為降幅1.4%。交替次數(shù)增大，兩抗剪特征參數(shù)均隨之減小，摻量10%時(shí)無交替下試樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角參數(shù)分別為49.4 kPa、47.1°，而交替每增大50次，導(dǎo)致兩參數(shù)分別降低8.7%、3.2%，仍然以內(nèi)摩擦角的影響敏感度最低，同時(shí)也表明交替作用會對抗剪參數(shù)產(chǎn)生抑制效應(yīng)。

圖6 抗剪特征參數(shù)受摻量影響變化

5 結(jié) 論

1)交替次數(shù)與改良土加載應(yīng)力水平為負(fù)相關(guān)關(guān)系，摻量6%試樣在交替每增長25次時(shí)，抗剪強(qiáng)度平均損失29.6%，當(dāng)圍壓增大，交替損傷作用有所減弱；凍融作用影響改良土峰值塑性變形，對彈性變形影響較小。

2)改良土加載應(yīng)力水平高于原狀土；當(dāng)改良劑摻量低于6%時(shí)，摻量與改良土加載應(yīng)力水平為正相關(guān)關(guān)系，但摻量超過6%后，兩者關(guān)系逆轉(zhuǎn)；凍融50次下，摻量0～6%與6%～10%兩區(qū)間內(nèi)抗剪強(qiáng)度分別呈平均遞增39.3%與遞減22.9%；摻量6%以內(nèi)，改良土彈性模量隨之平均增長44.1%。

3)抗剪特征參數(shù)受摻量、交替次數(shù)影響作用與抗剪強(qiáng)度一致，且內(nèi)摩擦角參數(shù)受影響敏感度弱于黏聚力，摻量10%時(shí)，交替每增大50次，導(dǎo)致改良土黏聚力、內(nèi)摩擦角參數(shù)分別降低8.7%、3.2%。

4)滄江水利樞紐圍堰工程堆筑料的改良劑摻量應(yīng)控制在6%較為合理，且避免改良土料受高低溫交替作用。