水库土石坝填土料冻融交替下UU试验力学特征影响分析研究

黎柳坤

(广东省源天工程有限公司，广东 广州 511340)

水利工程中建设与施工离不开土体材料，研究土体材料力学特征实质上是为水利工程长期安全稳定性运营提供坚实基础[1-3]。雷文凯等[4]、姜菲等[5]、邓义龙等[6]根据土体力学基本力学理论，从理论角度研究土体力学本构模型，分析不同荷载状况下力学特征参数变化规律，为土体力学理论体系构建提供重要基础。土体材料作为一种颗粒类材料，利用颗粒流仿真计算软件建立计算模型，根据实际工况施加模拟荷载，分析不同边界约束荷载条件下土体力学稳定性特征，为水利工程中土层设计及地基处理等提供依据[7-9]。当然在现场开展原位试验，亦可获知土体渗透特性、承载能力等特征[10-11]，但不可忽视现场原位试验精度较低，因而张磊[12]、祝梦柯等[13]、李晓刚等[14]利用室内仪器，设计不同压缩或抗剪试验，研究土体材料应力变形特征，为分析土体材料力学稳定性提供更高精度的试验解。本文利用室内精密仪器，设计开展冻融交替下UU试验，为分析土体材料力学稳定性影响因素提供重要参考。

1 工程背景

为提升区域内水资源利用效率，在粤西地区设计建设水库工程，设计库容超过200万m3，主要面向粤西地区工业用水及农业用水，在枯水季可与抽水泵站枢纽工程贯通，为该地区提供生活用水，极大提升了该地区水资源利用率。目前，所建设的水库一期工程包括土石坝、水闸、溢洪道以及输水渠道，其中所建设水闸为弧形钢闸门，直径1.6 m，其上部开度采用电脑程序控制液压启闭机，确保水库水流量与灌区输水渠道渠首流量相匹配，建设有6根闸墩作为闸门的支撑结构，闸墩设计直径为1.5 m，布设有预应力锚索作为支护结构，按照主、次锚索搭配布设在支撑墩平台，锚索直径设计为0.6 m，按照上、下排间距为80 cm 布设，主预应力锚索共有6根作为主支护结构，闸门及其锚索支护结构平面示意图如图1所示，确保闸墩安全稳定与变形满足安全设计要求。目前，一期工程中灌区所建设的输水渠道采用预制混凝土作为防渗与加固材料，确保灌区输水渠防渗性能，渠道岸坡最大渗透坡降监测值不超过0.2。为提升水库枢纽工程区域蓄水能力与水资源调度能力，现需对一期工程土石坝体开展填筑，设计采用粉质壤土填土料作为主要堆筑土体，由于填土料力学稳定性与一期土石坝体沉降变形息息相关，设计考虑对填土料力学特征开展影响性分析，另由于在冻融等极端环境下土体力学特征会发生较大变化，因而开展冻融循环和不同物理参数耦合影响下的填土料力学特征研究很有必要。

图1 弧形钢闸门平面示意图(单位：mm)

根据工程现场填土料基本物理参数可知，该土体较为松散，室内取样测试含水量分布在15%～20%，采用击实试验获得击实曲线[15]，如图2所示，其最佳含水量为17.4%。另该填土料受到其他黏土体影响，导致其内部含有一定黏滞成分，现场原位试验测试填土料内部孔隙度最大可为16%，最低为10%，由于孔隙度的存在会导致填土料内部颗粒骨架的改变，进而影响其力学稳定性。为此，笔者开展筛分试验获得土体颗粒级配曲线，如图3所示，粒径小于0.1 mm的颗粒在土体内部占比达80%，另由于本次筛分试验所取土样主要位于限定区域内，因而若对全部填土料开展力学稳定性分析，势必需要考虑不同孔隙度状态下的填土料力学特征。

图2 土体击实曲线

图3 颗粒级配曲线

2 试验方法

本试验中填土料UU试验采用TFB-型全自动程序控制液压加载试验机，最大围压可达80 MPa，轴向荷载可根据不同试样更换传感器量程，可变换采用变形控制与应力控制加载，其中变形控制加载速率范围可在0.002～4.000 mm/min内设定，力控加载速率最大可达5 kN/s，所有加载速率最大波动不超过1%，安装的轴向变形传感器最大量程可达±10 mm，传感器误差不超过0.5%，数据采集间隔控制在0.5 s内，可实时监测获取填土料应力应变状态。冻融交替采用冻融试验箱，可完成环境温度在-25～75 ℃的试验，低温冻结过程中降温速率控制在0.5 ℃/min，加温温度控制在1 ℃/min，目标温度波动范围不超过1%。为保证预期研究成果，本试验中主要针对孔隙度、冻融循环状态对填土料力学特征影响性开展试验研究，设定冻融次数为0次、4次、8次、12次、16次、20次，冻、融温度分别为-20 ℃、20 ℃，试验中所制备土体的孔隙度均以现场实测值为准，从现场取样获得的土体孔隙度分别为10%、12%、14%、16%四组试样，UU试验围压设定为100 kPa、200 kPa，所加工的土体试样直径、高度分别为50 cm、100 cm，本试验中各试验方案组如表1所示。

冻融交替条件下的UU试验步骤：

(1)按照实验既定方案对土体完成冻融循环，测定每次循环后质量损失，当质量损失超过10%，认为该试样不适合继续后续试验，应重新更换试样；

(2)待已完成冻融循环后的试样安装好保护膜放置于三轴试验系统中，安装好相关变形监测传感器，施加目标围压值后，进行轴向加载，以速率0.08 mm/min速率完成试样加载破坏，直至试样发生失稳破坏；

(3)停止试验，卸下轴向荷载与围压，数据存盘，更换试样继续其他组试验。

表1 各组试样含水量与冻融交替参数表

3 填土料力学特征影响性分析

3.1 冻融交替

经冻融循环UU试验分析获得填土料加载破坏过程中应力应变曲线，如图4所示。从图中可看出，各孔隙度试样组中土体试样加载应力随冻融交替次数增加逐渐减小，在孔隙度10%试验组中，相同应变5%下冻融交替0次时的加载应力为922 kPa，而冻融交替次数增大至8次、16次、20次 后，其加载应力相比前者分别降低了18.3%、52.3%、62.6%。从冻融交替变化机理分析可知，当土体在冻融交替过程中，从本质上来说是孔隙度增大的过程，较低温度下土体内部孔隙自由水发生固结，进而膨胀填充了孔隙本身，当处于融化状态时，固态自由水发生融化，此时膨胀扩大之后的孔隙仍存在，造成土体颗粒骨架内部孔隙度较大，整体承载能力降低，故产生冻融交替次数抑制土体加载应力水平的现象。

图4 不同冻融交替次数下土体试样应力应变曲线

从各冻融循环下土体应力应变阶段性特征可看出，土体应力应变具有“线弹性变形-塑性硬化变形”两阶段特征，在相同孔隙度下的两阶段变形拐点基本一致，即冻融交替次数对土体阶段变形拐点无显著性影响，但不可忽视孔隙度增大，变形阶段转变拐点的应变有所增大，在孔隙度为10%时的拐点应变为2.89%，而孔隙度增大至14%、16%后，拐点应变均变为3.54%、4.45%，表明孔隙度增大，土体线弹性变形与塑性硬化变形阶段拐点滞后。

3.2 孔隙度影响

图5为不同孔隙度影响下的土体应力应变曲线。与冻融交替次数影响土体加载应力水平类似，孔隙度与土体加载应力水平呈负相关特征，冻融交替0次试验组中，孔隙度10%试样在相同应变3%处的加载应力为822.5 kPa，而孔隙度12%、16%土体试样的加载应力相比前者分别降低了31.8%、72%。从变形特征来看，孔隙度愈大，土体线弹性变形能力愈弱，反映在土体线弹性模量即是愈低，冻融交替12次试验组中孔隙度16%试样的线弹性模量为40.5 kPa，而孔隙度为10%、14%的线弹性模量相比前者分别增大了4.4倍、82.1%。分析认为孔隙度愈大，试样整体松散性愈大，土体在UU试验中塑性变形较强。

图5 土体应力应变曲线与孔隙度关系

图6为不同冻融交替次数与孔隙度的土体试样抗剪强度变化特征，其中土体处于塑性硬化变形阶段，以应变12%对应的应力值为其抗剪强度。从图中可看出，在相同孔隙度组中，抗剪强度随冻融交替次数增多而递减，在孔隙度12%组中，冻融0次的抗剪强度为709.7 kPa，而冻融次数为8次、20次的抗剪强度相比前者降低了22.3%、57.8%，从整体影响性来看，冻融交替增大4次，土体抗剪强度平均降低15.7%；而在相同冻融交替次数条件下，抗剪强度随孔隙度亦为递减趋势，在冻融交替8次时，土体孔隙度增大2%，土体抗剪强度平均降低30.5%。分析认为，土体抗剪强度受冻融交替与孔隙度影响的细观机理实质上一致，均是由于内部孔隙度影响，进而导致宏观上抗剪强度的变化。

图6 土体抗剪强度与冻融次数、孔隙度关系

4 抗剪参数变化特征

在冻融交替次数与孔隙度影响下土体不仅抗剪强度与变形特征发生较大变化，同样对土体抗剪参数具有一定影响，为此，给出土体黏聚力、内摩擦角受冻融交替次数、孔隙度影响变化曲线，如图7所示。从图中可看出，黏聚力、内摩擦角与孔隙度均为负相关，相同冻融次数12次下，孔隙度为10%试样的黏聚力、内摩擦角分别为71.5 kPa、26.4°，但孔隙度增大至12%、16%后，相应的抗剪参数分别降低了21%、55.9%；当冻融次数增大至16次、20次后，相应条件下的两个抗剪参数降低幅度并无较大改变，分别仍维持在20%、56%左右，孔隙度增大2%，黏聚力、内摩擦角平均降幅分别为24.2%、11.1%。从冻融交替次数对抗剪参数的影响性来看，黏聚力与冻融交替次数呈二次函数关系，冻融交替次数对黏聚力的影响呈先快后慢，在冻融次数为0～8次间，黏聚力降幅达43.8%，而冻融次数为8～20次时，降幅仅为23.6%。内摩擦角受冻融次数影响较小，在各孔隙度试验组中，全过程相比冻融0次时最大降低幅度仅为11.3%，孔隙度14%、16%试验组中内摩擦角随冻融次数几乎无变化，分别稳定在20°、19°。分析认为，冻融交替循环对内部孔隙的影响，很大程度上影响土体颗粒之间黏结性，而对土颗粒的咬合摩擦影响较小，因而土体内摩擦角受冻融影响较小。

图7 抗剪特征参数与冻融交替次数、孔隙度关系

5 结 论

为研究水库土石坝填筑料土体的力学特征影响特性，设计孔隙度、冻融交替次数下的UU试验，获得了两因素下土体力学特征变化规律，主要得到以下几点结论：

(1)土体随冻融交替次数呈抑制态势，孔隙度12%组中冻融8次、20次的抗剪强度相比冻融0次时降低了22.3%、57.8%；土体应力应变呈“线弹性变形-塑性硬化变形”两阶段特征，变形拐点应变受冻融交替次数影响较小，随孔隙度增大，变形阶段拐点呈滞后状态。

(2)孔隙度与土体加载应力水平呈负相关，在冻融交替8次时，土体孔隙度增大2%，土体抗剪强度平均降低30.5%；孔隙度愈大，土体线弹性变形能力愈弱，孔隙度为10%、14%的线弹性模量相比孔隙度16%试样分别增大了4.4倍、82.1%。

(3)黏聚力、内摩擦角与孔隙度均为负相关，但两抗剪参数随孔隙度降低幅度并不受冻融次数影响，孔隙度增大2%，黏聚力、内摩擦角平均降幅分别为24.2%、11.1%；黏聚力与冻融交替次数呈二次函数关系，黏聚力随冻融交替次数降低幅度呈先快后慢的趋势；内摩擦角受冻融次数影响较小，各孔隙度试验组中最大降低幅度仅为11.3%。