场地填土料污染状态下剪切力学特性分析研究

张瑞霞

(吕梁市水利工程建筑总队，山西 吕梁 033000)

由于我国经济发展与生产力提高，部分水利工程中常遇到受污染状态下的岩土体，其对水利工程结构安全稳定性以及渗流状态影响性均是不可估量的，分析评价污染物对岩土体力学特性影响具有重要意义[1-3]。王晓雷[4]、冯荣[5]、韩晓东[6]利用声发射以及宏、细观监测手段，研究岩土体材料在污染状态下失稳破坏特征，为及时预判工程破坏提供重要前兆参数。当然也有黎柳坤[7]、刘大洲[8]、王雅婷等[9]专家学者利用岩土体材料的颗粒离散性，借助离散元仿真手段建立岩土体数值模型，加以工程实际荷载工况模拟，获得仿真模型在失稳破坏过程中力学特征变化，为实际工程参数设计与优化提供重要计算参考。当然，室内试验作为一种可靠研究手段，许多专家设计有土体渗流、三轴加载、直剪试验等[10-13]，研究了土体试样试验力学特性，极大丰富了土体力学研究成果，为认知土体材料在工程中实际应用提供重要依据。本文利用剪切试验仪器设计开展水利工程中污染状态下土体剪切力学特征研究，为工程中认知土体剪切力学特征提供设计参数参考。

1 试验概况

1.1 试验背景

为提升晋中地区农田水利资源输送效率，考虑在吕梁市境内设计一中转水利枢纽设施，该水利枢纽工程包括有抽水泵站、上游闸门设施、承重墩等水利结构。其中抽水泵站设计通行水流量为0.85 m3/s；采用弧型钢闸门作为控水设施，在最大输水流量下得开度可为0.9，闸室地基铺设有防渗垫层，降低水资源消耗，垫层厚度为0.35 cm，采用钻孔灌注桩作为闸室基础，极大改善了地区内由于下卧黏土层沉降对闸室结构稳定性影响；结构墩共有8根，每根墩直径为0.6 m，设计有横、纵连系梁，降低由于结构张拉应力变化对体系渗流、力学安全性影响。目前该水利枢纽工程已完成初步设计，并对场地内表面风化第四系渣土进行填土压实，但由于闸室以及抽水泵站对地基承载力要求较高，因而需考虑该水利枢纽工程场地填土料对工程结构承载安全性影响。根据工程设计部门地质踏勘发现，该场地内下卧土层中受到水利渗流动力影响，局部表面填土层中含有金属污染物，其中检测发现以Fe3+含量为最显著，由此分析场地填土料力学特性之时势必需要考虑污染物含量对其影响。为此，工程设计部门考虑设计对场地填土料取样开展污染状态下剪切力学试验，为准确分析填土料剪切力学特性提供重要数据支持。

1.2 试验方法

本试验采用TT-DDS20型直剪仪开展填土料剪切力学实验，该试验仪器包括有数据采集系统、剪切箱、加载系统及力学传感器等四部分，如图1所示。其中剪切箱内可完成不同尺寸及不同截面形态试样，数据采集系统间隔0.25～1 s进行数据采集，并可在电脑控制系统中实时观测试样剪切力学特征变化。加载系统可完成法向与水平方向加载，加载波动幅度不超过2%，其中法向加载系统范围为0～2000 kPa，水平向加载范围为0～1800 kPa，水平剪切速度可根据实验进程自主控制，速率范围可为0.001～2.400 mm/min。另该试验系统耦合有气压加载装置，可实现气压状态下直剪试验，其中空袭气压可为0～300 kPa。力学传感器包括有剪切荷载传感器，最大量程为300 kN，位移传感器最大量程可为±10 mm，所有传感器均在试验前进行标定，确保试验位移测试数据误差不超过5‰。

图1 TT-DDS20型直剪仪试验设备

试样均取自水利枢纽工程现场，在室内按照填土料最大干密度1.71 g/cm3标准制作试验土样，直径高度分别为60 mm、20 mm，并根据本试验中污染物Fe3+含量分别设计有三种不同溶液浓度0 g/L、15 g/L、30 g/L、45 g/L、60 g/L、75 g/L，将制作好的试样放置入污染物溶液中浸泡养护36 h，使试样中进入有相应的污染物离子；另为模拟不同工程荷载状态下填土料剪切力学差异，设计以法向应力为代表试验参数分析其对填土料力学影响，法向应力分别有100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，具体实验方案中各参数如表1所示。

表1 试验方案具体参数表

剪切试验步骤简要介绍如下：

(1)完成污染物溶液养护的试样安装至试验系统剪切箱中，并确保剪切方向与试样中心一致，检查加载装置与试样同向对齐，安装好位移传感器并清零。

(2)设置法向应力、剪切速率等试验参数，开始剪切加载，观测电脑数据采集系统中实时剪切力学数据，直至试样发生剪切破坏。

(3)停止试验，卸除剪切荷载与传感器，更换其他组试样重复进行上述试验步骤。

2 试验参数对填土料力学特性影响

2.1 应力位移

根据前述剪切试验获得数据后处理，获得以法向应力为代表的试验参数影响下填土料剪切应力位移特性，如图2所示。从图中可看出，法向应力愈大，填土料剪切应力水平愈高，在相同剪切位移3 mm时，法向应力100 kPa下试样剪切力为178.5 kPa，而相同位移下的法向应力200 kPa、400 kPa下试样剪切力相比前者分别增大了27.0%、64.7%；从剪切力与法向应力关系分析可知，当试验加载装置中法向应力愈大，则试样法向裂纹扩展受到较大约束影响，内部裂隙的产生亦受到一定抑制作用，因而进一步提升了试样抗剪切特性。

图2 不同法向应力试验参数下填土料试样应力应变曲线

从单个试样应力位移变化特征来看，试样剪切力发展分为“线性增长-平稳变化”两个阶段，在线性增长阶段，试样剪切力大幅度增长，而位移并未发生较大改变，特别是当法向应力愈大，线性增长速率愈大，即剪切线弹性模量愈高，其中法向应力100 kPa试样的线弹性模量为93.1 kPa，而法向应力200 kPa、400 kPa下试样线弹性模量相比前者分别增大了11.1%、135.6%，由此表明法向应力对填土料剪切线弹性模量亦有正向促进影响。在填土料剪切应力位移“平稳变化”阶段中，部分低法向应力试样发生剪切力小幅下跌现象，法向应力100 kPa试样峰值剪切应力后期应力下跌幅度为17.2%，即填土料试样在峰值剪切应力后期出现脆性变形特征，而高法向应力试样在后期持续处于剪切力平稳状态，法向应力400 kPa试样在该阶段内剪切力最大波动不超过5 kPa。对比四个试样两个阶段变化特征拐点处位移可知，分别为2.38 mm、2.43 mm、2.37 mm、2.46 mm，即剪切力发展阶段节点位移均为一致，表明法向应力对填土料剪切位移影响较小。

2.2 抗剪强度

在剪切力学分析中，研究试样抗剪强度对工程设计参数具有重要指导意义，因而给出法向应力参数与填土料抗剪强度关系特征，如图3所示。从图中可看出，法向应力愈大，填土料抗剪强度愈高，且两者具有线性函数关系，法向应力100 kPa时对应的填土料抗剪强度为180.8 kPa，而法向应力为300 kPa、400 kPa的填土料试样抗剪强度乃是前者的1.48倍、1.66倍，当法向应力增大100 kPa时，在无污染状态下的填土料抗剪强度平均增长18.6%，工程设计部门可依据此对水利枢纽工程中承重结构材料参数进行优化设计。

图3 不同法向应力参数下抗剪强度变化曲线

3 污染物含量对填土料力学特性影响

3.1 应力位移

根据不同污染物溶液养护后试样剪切力学试验，获得污染物含量影响下填土料剪切力学特性，图4为各污染物含量下试样剪切应力位移曲线。从图中可看出，污染物含量对填土料并无显著一致性影响规律，剪切力水平受污染物含量呈阶段性影响变化，在污染物含量0～30 g/L养护下试样剪切力水平随污染物含量为递增态势，特别是污染物含量为0 g/L，即无污染状态下剪切位移1.5 mm 时的剪切力为209.5 kPa，而相同条件下含量15 g/L、30 g/L试样的剪切力相比前者分别增大了23.7%、42.7%，表明含量愈高的污染物浸泡后对填土料抗剪能力有所提高作用。当污染物含量超过30 g/L时，剪切力水平随污染物含量为递减态势，且降低幅度较大，在相同剪切位移1.5 mm 时，污染物含量45 g/L、75 g/L试样的剪切力相比30 g/L含量中试样降低了13.5%、36.5%，相同剪切位移条件下，污染物含量每15 g/L 增大，导致了剪切力22.3%幅度的下降，表明污染物含量超过一定界限后，极大削弱了填土料抗剪性能。笔者认为，当污染物Fe3+含量处于一定界限区间范围时，填土料试样在该污染物溶液中养护浸泡后，Fe3+可与填土料试样内部黏土矿物相结合，并吸附在矿物颗粒表明，拉近了各个矿物颗粒之间距离，形成颗粒间“粘结剂”增强了填土料晶体颗粒黏结性与颗粒咬合摩擦度，可较好改善填土料抗剪能力，因而宏观上展现了填土料剪切力水平随污染物含量递增的现象[14-15]。但不可忽视，当污染物含量超过“安全”界限后，此时填土料内部黏土矿物可吸附的表面积逐步减小，而大量的Fe3+存在，达到与填土料内部水分子发生中和反应的条件后，极大改变了填土料颗粒间物理结构，降低了颗粒骨架结构稳定性，污染物Fe3+离子对颗粒结构的侵蚀作用在污染物含量上升的过程中逐步加强，呈现填土料剪切力水平大幅下降的态势，抗剪性能显著降低。

图4 不同污染物含量下填土料试样应力应变曲线

3.2 抗剪强度

与分析试验参数对填土料抗剪强度影响类似，给出不同污染物含量影响下的填土料抗剪强度变化特征，如图5所示。从图中可看出，以污染物含量30 g/L为界限，在0～30 g/L区间内填土料抗剪强度随污染物含量递增，在法向应力200 kPa试验条件下，污染物含量15 g/L、30 g/L试样的抗剪强度相比无污染下试样增长了8.4%、23.0%，平均污染物含量递增15 g/L，填土料抗剪强度增长10.9%；在30～75 g/L含量内，抗剪强度随污染物含量大幅下降，且污染物含量递增15 g/L，可带动填土料抗剪强度8.4%的幅度下降。

图5 不同污染物含量下抗剪强度变化曲线

当法向应力参数增大至300 kPa、400 kPa后，污染物含量0～30 g/L区间内的填土料抗剪强度影响性幅度有所增大，在法向应力参数为400 kPa时，污染物含量递增15 g/L，填土料抗剪强度平均增长幅度可达29%，而相应的污染物含量30～75 g/L区间内，抗剪强度平均降低幅度又为4%。由此表明，当法向应力参数增大后，一方面可提升污染物含量对填土料抗剪性能的正向促进作用，另一方面又可削弱污染物Fe3+对填土料侵蚀作用，降低污染物对填土料抗剪强度的抑制作用。

4 结 论

(1)法向应力愈大，填土料剪切力水平愈高，相同位移3 mm时的法向应力200 kPa、400 kPa下试样剪切力相比100 kPa下分别增大了27.0%、64.7%；填土料剪切力发展为“线性增长-平稳变化”两阶段，法向应力愈大，线性增长阶段弹性模量愈大，低法向应力填土料在平稳变化阶段具有小幅剪切力下跌现象。

(2)污染物含量对剪切力影响具有阶段性特征，在含量0～30 g/L区间内为递增，而在此之后为降低；在相同剪切位移1.5 mm时，污染物含量15 g/L、30 g/L试样的剪切力相比含量0 g/L下分别增大了23.7%、42.7%，而含量45 g/L、75 g/L试样剪切力又相比30 g/L含量下降低了13.5%、36.5%。

(3)法向应力与填土料抗剪强度具有线性正相关函数关系，当法向应力增大100 kPa时，无污染状态下的填土料抗剪强度平均增长18.6%；以污染物含量30 g/L为界限，在0～30 g/L区间内填土料抗剪强度递增，在30～75 g/L含量内，抗剪强度为下降，且法向应力增大，既可提升污染物含量正向促进抗剪强度效应，在污染物含量抑制强度区间内，具有降低抑制作用。