沧江水利枢纽土石围堰工程改良土力学特征影响研究

何杰明

(佛山市高明区城市重建和项目代建中心，广东 佛山 528000)

1 概 述

岩土材料力学稳定性与水利枢纽工程设计安全性密切相关[1-2]，研究岩土力学特征对推动水工结构设计水平具有重要作用。土体力学水平受影响变化的因素较多，特别是针对软弱不良土体改良后，其力学特征受改良剂、工程环境以及自身构造影响[3-4]。因而，探讨水利工程中改良土体的力学特征影响变化具有重要意义。陈叶基[5]、崔博等[6]利用颗粒流PFC仿真平台，根据工程实际设定不同研究工况，获得了颗粒流土体模型在力学荷载下应力应变特征，为工程建设提供理论依据。针对于颗粒流计算过程理想化特点，室内试验手段应用较为普遍，采用精密土工室内仪器设计开展相应的力学加载破坏试验，可探讨工程岩土体的力学变化特征，建立室内试验理论与工程设计的关联性，此类试验研究对象包括有原状土、改性土等，也可变换三轴[7]、冻融[8]、剪切[9]等多类型试验条件。当然，还有些工程师通过原位试验探讨现场土体的物理力学特性[10]，为试验研究提供了前期基础。基于沧江水利枢纽工程一期围堰建设紧迫性，研究探讨围堰填筑料改性剂作用下力学特征差异性，为围堰设计与施工提供参照。

2 试验概况

2.1 工程概况

佛山沧江水利枢纽是地区重要水利枢纽设施，目前考虑对其开展重建设计，包括水闸、泵站等水工设施，重建后效果见图1。沧江水闸按照大(Ⅱ)型水闸设计，水闸施工一、二期围堰导流流量设计为552 m3/s。围堰设施作为水利施工安全性重要保障，对沧江水利枢纽工程开展分期划分，分别采用碾压式土石围堰与钢板桩围堰，本文研究对象放在一期围堰工程中。该期围堰设计堰顶高程5.50 m，堰顶宽度5.0 m，两侧坡比1/2.5，上游侧设置厚60 cm抛石护坡，护坡与堰体之间铺填15 cm砂垫层，下游侧设置厚30 cm石渣护坡。上游堰壳顶高程1.9 m，顶宽4.0 m，上游侧边坡1/2，下游侧边坡1/1.5，上游侧及堰壳顶设置厚60 cm抛石护坡，护坡与堰体之间铺填15 cm砂垫层；围堰上游侧设置防浪墙，墙顶高程5.5 m，墙顶宽度1.0 m。一期土石上游横向围堰采用高喷防渗墙进行防渗，防渗墙防渗线长248 m，防渗墙平均实桩长度10.5 m，空桩长度5.5 m，围堰堰底铺设双向土工格栅，伸出两侧堰脚2.0 m，双向土工格栅纵横向极限拉伸撕裂强度40 kN/m。一期上游横向土石围堰堰体采用工程现场土料填筑，上下游堰壳填料采用碎石料填筑，堆筑料力学稳定性决定围堰施工质量，而根据对现场均质土料调查得知，其软弱沉降变形较大，孔隙分布较多，不利于分层压密，且局部土料含水量较高，当处于冬季施工期时易出现局部冻胀，导致土样出现宏观大裂缝，不利于围堰工程稳定性。综合工程成本与设计安全，工程设计部门考虑对现场均质软弱土料开展物理改良，确保围岩堆筑料满足施工技术要求。

图1 沧江水利枢纽设计效果图

2.2 试验介绍

为研究沧江水利枢纽一期围堰堆筑料软弱土料的改良力学特性，本文采用DTC剪切试验仪开展物理改良土三轴力学试验研究。该试验设备包括加载装置、数据采集装置及电脑控制装置，实验室设备见图2。该试验设备可根据试样特性，适配最大剪切荷载达100 kN，围压最大10 MPa，所有荷载加载均采用液压程序控制方式，加载过程中荷载波幅不超过1%，本试验中围压加载速率为1.5 MPa/min，该试验系统轴向静力荷载最大满足300 kN要求。采用多通道数据采集装置为数据分析处理装备，共有16个通道，但本试验中根据具体要求共设置有8～12通道，满足实时采集荷载、变形等试验参数要求，数据采集间隔为0.01～20 s，每一个数据均是根据多个通道同时定位处理后获取，数据平滑度超过98%。所有的数据采集通道另一端分别连接着轴向、环向变形传感器以及荷载、围压传感器等，其中轴向变形传感器在本试验中量程为-15～15 mm，而环向变形传感器由于量程限定，在本试验中并未测定，所有传感器在试验前均已标定，确保误差不超过0.1%。实验全过程均采用电脑程序控制，所有试样加载变形速率控制为0.01 mm/min，试验进程确保可控状态，满足试样破坏力学研究要求。冻融交替试验采用冻融交替箱设备，该设备可完成试验温度-20℃～80℃，低温采用电阻传导式，交替试验过程中降温速率为0.5℃/min，而达到目标温度值后保持3 h稳定，才开始下一阶段升温，升温为自然状态温度增高至室温20℃即可，保持4 h，各级温度振幅不超过5%，低温冻结温度设定为-20℃。

图2 土体三轴剪切仪

为研究改良土力学特征，本文设定试验围压为100、200、300和400 kPa，而改良剂采用聚丙烯酸类人工合成化合物，掺量是研究对象，根据重塑土试样质量，分别掺加合成改良剂2%、4%、6%、8%和10%，试样直径高度分别为50、100 mm。冻融试验中，交替次数分别设定为0、25、50、75和100次，各组具体试验方案见表1。研究对比过程中以单一变量因素开展分析，获得冻融交替物理损伤作用下改良土力学特征。

表1 试验具体方案

3 改良土应力应变特征影响

3.1 交替作用

基于对冻融交替后试样开展三轴剪切试验，获得交替作用影响下的改良土试样应力应变特征，见图3。从图3中可看出，在相同试验围压下，交替次数对改良土加载应力水平影响具有一致性，两者具有负相关关系；在围压100 kPa下，同一应变2%时无冻融损伤作用下试样加载应力为194.36 kPa，而交替次数为50、100次时应力较之减少49.8%、74.7%，此种现象在改良土试样进入屈服变形阶段后更为显著。当围压增大至400 kPa后，改良土试样整体承载应力水平有所提高，但各交替次数下试样的加载应力差异幅度有所减小，在该围压下仍是应变2%时的无交替作用试样的加载应力为482.4 kPa，而交替25、50、100次试样应力与之分别具有降幅28.7%、39.1%、65.2%。由此可知，围压增大，有助于削弱冻融交替对改良土试样的损伤效应。笔者认为，每次的冻融交替本质上是对土体试样本身内部孔隙的影响，当经受多次冻融交替，孔隙逐步撑大，导致土体颗粒骨架结构出现滑移倾向，进而表现在加载应力水平降低；但围压增大后，土颗粒内部孔隙有进一步缩小的可能，这对于试样的冻融交替损伤具有一定的“愈合”作用，故而其加载应力差异在围压作用下有所减小[11-12]。

图3 交替作用下剪切应力应变特征

对比两个典型围压下改良土试样应变特征可知，改良土弹性变形较短，且各交替次数下试样的弹性应变差异较小，主要影响在塑性变形阶段，当交替次数愈大，则试样峰值应变后塑性特征愈显著，此种现象在两围压下基本一致。从峰值应变来看，相同围压下保持一致，围压100、400 kPa下不同交替次数试样的峰值应变分别为3.4%、3.7%。综合分析可知，冻融损伤作用主要影响改良土峰值应力后塑性变形，对土体弹性变形及峰值前变形阶段影响较小。

3.2 改良剂掺量

同理，对不同人工化合物改良剂掺量试验组试样力学数据处理，获得改良剂掺量影响下改良土应力应变特征，见图4。根据改良土加载过程中应力水平表现可知，掺改良剂试样的加载应力水平均高于原状软弱土料试样，改良剂对土体承载能力影响为正向作用。同时，改良剂掺量对土体试样的承载应力影响具有阶段性特征，当改良剂掺量低于6%时，加载应力水平与之具有正相关，但掺量超过6%后，两者关系发生逆转变化；在围压100 kPa下，应变2%时原状软弱土体试样的应力为40.2 kPa，而掺量在6%以内时，每增大2%，则在该应变下改良土试样应力平均可增长50.6%，但掺量超过6%后，相应的掺量8%、10%试样应力较之6%下分别减少15.7%、45.5%。笔者认为，改良剂掺量对软弱土体试样加载应力的影响揭示了应选择合理掺量，而不是一味添高掺量，否则会对土体承载水平产生负面影响。从土颗粒骨架结构稳定性分析可知，人造化合物改良剂是一种微小细颗粒，其可以作为软弱土料孔隙中的填充剂，提升土体密实度，降低由于自然孔隙带来的加载破坏裂纹面，但不可忽视被填充的开口孔隙在软弱土体中是有限的，改良剂掺量过多，并不会带来更显著的变化，反而承载能力较弱的改良剂颗粒会形成土骨架内部薄弱层，导致试样承载能力损失[13]。

图4 不同掺量下剪切应力变形特征

围压增大，改良剂掺量对土体试样力学特征影响基本类似，而应变特征在高围压下得到提升。当改良剂掺量愈多，改良土弹性模型特征参数有所增大，但仅局限于掺量6%以内，围压100 kPa下掺量2%试样弹性模量为31.6 kPa，而掺量每增大2%，模量参数平均可增长44.1%。综合认为，人工合成改良剂对土体试样变形特征影响集中在弹性变形，特别是以弹性模量参数为典型代表。

4 改良土抗剪强度特征影响

根据对交替作用、改良剂掺量综合分析，获得两因素影响下改良土抗剪强度变化特征，见图5。根据抗剪强度变化趋势可知，改良剂掺量保持在适宜值即可，在不同交替次数试验组中，改良土抗剪强度最高均指向掺量6%，在交替50次下，掺量0～6%与6%～10%两区间内抗剪强度分别呈平均递增39.3%与递减22.9%。当冻融交替次数愈大，则改良土试样抗剪强度愈低，以掺量6%试样为例，其在交替0次下抗剪强度为360.8 kPa，而交替次数增大至50、100次后试样的强度较之分别减少16.8%、52.2%，平均交替每增长25次会导致抗剪强度损失29.6%。从沧江水利枢纽设施建设安全性考虑，掺量选择在6%左右较为合理，且尽量避免改良土出现高低温交替作用，减弱物理损伤。

图5 抗剪强度变化特征

根据对3个围压下试样抗剪强度参数分析，获得抗剪特征参数与掺量、交替次数关系，见图6。从图6中可知，抗剪特征参数受改良剂掺量影响关系与抗剪强度一致，均以掺量6%为特征参数最高，在交替50次时掺量6%试样的黏聚力为52.7 kPa，而掺量2%、10%试样黏聚力较之分别减少11.8%、11.6%；但内摩擦角受掺量影响敏感弱于前者，同样在该交替次数下掺量0～6%间内摩擦角参数随掺量的增长，平均递增2.4%，而掺量超过6%后，影响幅度为降幅1.4%。交替次数增大，两抗剪特征参数均随之减小，掺量10%时无交替下试样的黏聚力、内摩擦角参数分别为49.4 kPa、47.1°，而交替每增大50次，导致两参数分别降低8.7%、3.2%，仍然以内摩擦角的影响敏感度最低，同时也表明交替作用会对抗剪参数产生抑制效应。

图6 抗剪特征参数受掺量影响变化

5 结 论

1)交替次数与改良土加载应力水平为负相关关系，掺量6%试样在交替每增长25次时，抗剪强度平均损失29.6%，当围压增大，交替损伤作用有所减弱；冻融作用影响改良土峰值塑性变形，对弹性变形影响较小。

2)改良土加载应力水平高于原状土；当改良剂掺量低于6%时，掺量与改良土加载应力水平为正相关关系，但掺量超过6%后，两者关系逆转；冻融50次下，掺量0～6%与6%～10%两区间内抗剪强度分别呈平均递增39.3%与递减22.9%；掺量6%以内，改良土弹性模量随之平均增长44.1%。

3)抗剪特征参数受掺量、交替次数影响作用与抗剪强度一致，且内摩擦角参数受影响敏感度弱于黏聚力，掺量10%时，交替每增大50次，导致改良土黏聚力、内摩擦角参数分别降低8.7%、3.2%。

4)沧江水利枢纽围堰工程堆筑料的改良剂掺量应控制在6%较为合理，且避免改良土料受高低温交替作用。