灌渠工程冻结土改良下力学特性及冻胀试验研究

姚 刚

(费县许家崖水库管理中心，山东 临沂 273400)

输水干渠的稳定运营与渠道设计能力、衬砌结构稳定性等相关[1-2]，同时，干渠承载土层也会直接影响渠道输、调水能力，尤其是冻结性土层受冻胀、软弱承载力影响，导致无法有效支撑起输水干渠的承载面。李泽闯等[3]、沈筠等[4]为研究输水干渠土体力学水平，采用颗粒流仿真计算方法，建立起了土体离散元计算模型，模拟干渠土体所处工程环境荷载，分别施加相应边界条件，计算获得土体模型应力、应变特征，从宏、细观力学两方面评价土体承载力学特征。针对土体冻胀特性，刘拥华等[5]、马玲等[6]通过室内模拟冻结试验，对土体的冻结演化过程开展了全方位分析，探讨了土体冻结过程影响特性，分析控制土体冻结发展的有效措施，对实际工程抗冻胀设计具有参考意义。针对不良渠基土层，唐紫琼等[7]、刘欢等[8]利用物化改良方法，施加高聚物改性剂等，研究改性土的承载力学水平，对灌渠工程建设有指导意义，但相关工程案例缺乏对土体冻胀过程的研究。因而，本文在许家崖水库灌渠工程渠基土改良设计的背景下，综合性开展土体力学与冻胀模拟试验，探讨改良设计对冻结土的冻胀力学特征影响，为实际工程土体改性设计提供参照。

1 研究概况分析

1.1 工程概况

许家崖水库是临沂地区重要蓄水库，承担着临沂地区的农业灌溉、水力发电、防洪排涝等重要水利职责，对调节地区水生态、水环境以及供水体系，具有重要价值。图1为许家崖水库所在区域水系发育分布特征，上游为温凉河干流，年径流量超过120m3/s，水库蓄水也是借助温凉河充沛水资源，建立起了拦河大坝，从而汇聚了温凉河、石井河等水资源。设计许家崖水库库容为2.93亿m3，控制温凉河、石井河河道流域集水面积分别为350、220km2，前者干流河道受控制长度超过50km。所规划的一期许家崖水库运营年限较长，而规划中的二期水库工程包括了输水灌渠、溢洪道以及引水工程。作为水库发挥灌溉、水资源调度的直接载体，许家崖水库输水工程目前在营干渠长度为48.5km，支渠长度为56.8km，年输水量超过2800万m3，是临沂地区高桥、白彦农业灌区主要供水来源地。输水干渠运营能力是否能够满足上游供水流量需求，乃是干渠设计关键，特别是在高流量工况下，渠底、渠坡水土流失等问题，造成输水效率不足。种种分析表明，许家崖水库下游灌区干渠承载土层有必要开展改性治理，从岩土材料的承载本性方面，解决渠基土基础力学问题。

图1 许家崖水库流域水系发育分布特征

1.2 试验设计

为准确研究许家崖水库下游输水灌渠承载渠基土力学特征，在模型试验中所对应的渠道处进行土层钻孔，经地勘分析，干渠承载土层以冻结粉土组成，分布厚度为2.5～4.8m，含水率测试为12.5%～16%，土样表层分布有明显孔隙，渗透系数为2.5×10-5～5.5×10-4cm/s。从现场实测表明，该干渠冻结粉土层承载能力无法满足高流量25m3/s调水，同时梯形渠面的模袋式混凝土衬砌板受潜在冻土的冻胀效应影响，衬砌板极易出现冻胀破坏，加剧灌渠输水耗散。从已有工程经验考虑，初步选用木质素为改良成分剂，试图通过物化改良的原理，使渠基冻土承载能力、冻胀特性均能够满足运营要求，所采用木质素成分如图2所示[9]。

图2 木质素成分

从现场钻样取回实验室后，首先测定其初始物理力学性质，图3(a)为原始冻结粉土试样击实试验曲线，最大干密度为1.91g/cm3；在已知其最优含水率的基础上，对现场样品进行重塑制作，并加入木质素进行分层压实，每层压实后测量其含水率是否会发生偏差，若有偏差，则进行补水，确保改性土试样含水率与初始值一致。所有样品在制作后，均采用环刀法取样，试样直径、高度分别为50、100mm，如图3(b)所示。

图3 土体制样与击实特征

为确保试验结果能够准确反映样品强度、变形特征，采用STC-500三轴力学试验装置开展力学加载，冻结粉土冻胀试验采用自研冻胀模拟试验装置，获得土体冻胀演化过程，冻结过程控制在120h。根据已有工程中所采用的木质素改良方案分析，含量分布为0.5%～4%，选合适的木质素掺量，对改性土冻胀、力学均有正向作用。为此，本文设计有木质素含量对比组，分别为0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%，另有原状土试样(含量0%)。不仅如此，很多木质素改良土工程中，常会掺加一定量的石灰，而石灰含量分布于0.5%～8%，故本文另设置石灰含量对照组，分别为0.5%、2%、3.5%、5%、6.5%、8%，两组因素独立分析，仅考虑单变量。三轴试验中围压分别设定40、120、200kPa，基于各组试验参数，依次开展力学、冻胀试验，获得改性土的冻胀力学变化特征。

2 改性剂成分对土体力学特征影响

2.1 木质素含量

基于不同木质素含量的改性土力学试验，获得了其应力应变变化特征，如图4所示。

图4 不同木质素含量试样力学曲线

分析图4中两围压下试样应变特征可知，木质素含量不同，应变曲线特征具有鲜明差异：当木质素含量为0%～1.5%时，试样应变呈应变硬化性，只要应变超过一定量值，则试样发展成应变快速发展、应力缓慢上升的现象，围压40、120kPa下试样分别在应变3.1%、4.1%后进入该现象；当木质素含量为2%～3%时，试样峰值应力后具有应力快速下降特征，短期内应变并未来得及快速增长，试样峰值应力前的弹性应变占总应变超过80%，特别是原状土试样(木质素含量0%)应力应变曲线整体较缓，进入应变硬化段后承载应力并不高，而含量2%～3% 3个试样分别在峰值应力后，仍具有一定平缓应力段，围压40kPa下三者试样残余应力分别为149.2、204.9、279.8kPa。综合应变发展特征可知，木质素含量会影响改性土应变破坏特征，而围压作用对应变发展的影响弱于木质素含量；另一方面，较之原状土，改性土试样峰值应力后的承载变形能力得到提高，有助于干渠承载及渠坡固结。

对比改性土承载应力水平可知，同一围压下，木质素含量愈高，则试样应力水平愈大，此种趋势现象可取峰值应力参数为宏观对比。在围压40kPa下，原状土试样峰值应力为60.9kPa，而木质素含量0.5%、1.5%、3%试样峰值应力较之前者分别提高了1.04倍、2.74倍、7.4倍；同时，该围压下，木质素含量0.5%～3% 6组试样峰值应力分布于123.9～512.1kPa，当含量梯次递增0.5%，试样峰值应力平均增幅为32.8%，而围压增大至120kPa后，6组试样峰值应力较之围压40kPa下同样提高了32.8%～34.8%，且随木质素含量梯次变化，其峰值应力平均增幅为33.2%，即围压增大，木质素含量对试样峰值应力影响仍保持相对恒定，梯次变化下的促进幅度较为接近。

2.2 石灰含量

由于木质素含量试验组中石灰含量乃是固定参数，要分析石灰含量对改性土力学特征影响，需结合不同石灰含量下试样力学特征，如图5所示。

图5 不同石灰含量试样力学曲线

从图5可看出，相同围压下，不同石灰含量试样应变走向特征保持一致，例如围压40kPa下，各试样应变均为应变软化特征，峰值应力后，试样均出现了残余应力段，且峰值应变基本接近，为2.9%。围压增大至200kPa后，试样应变呈硬化特征，在应变3.98%后，应力长期的缓慢增长或稳定不变，应变却变化较快，应变硬化段试样发生的应变均接近8%，占各试样总应变的85%以上。从数据表现来看，石灰含量对试样应变影响较小，而围压作用会直接改变应变发展趋势[10]，即围压作用对改性土应变影响强于石灰含量。

在石灰含量梯次变化过程中，改性土试样应力水平逐次递增，但增幅在含量5%后减弱，同样以峰值应力参数为对比。在围压40kPa下，石灰含量0.5%～8% 6个试样峰值应力分布于244.1～537.6kPa，含量每增长1.5%，则试样峰值应力平均增大了17.7%，而含量5%～8%下试样峰值应力平均增长仅为6.9%。同样现象在围压200kPa亦是如此，其峰值应力较之围压40kPa下提高了29.2%～37.4%；随含量梯次增长，峰值应力平均提高了71.8kPa，增幅为16.2%，在含量5%～8%中峰值应力分布于632.4～694.5kPa，平均增幅为4.8%。综合分析可知，石灰含量会影响改性土承载应力，但影响效应局限于含量5%以内，超过该含量后，承载应力受之影响敏感性减弱。

3 改性剂成分对土体冻胀特征影响

干渠改良治理冻土不仅需要分析其承载力学水平，还要考虑其冻胀效应，根据冻胀模拟试验，获得了改性土冻结过程中冻胀位移变化曲线，如图6所示。

图6 冻胀位移变化曲线

由图6可看出，在不同木质素含量试验组中，随冻结时间变化，试样冻胀位移分为了2种类型：一种为“先快增后缓增”变化，转折点位于冻结时间32h，此类型的木质素含量分布于0.5%～1.5%，而另一种冻胀位移为持续稳定递增变化，在冻结时间0～120h内，每8h内冻胀位移增幅较稳定，该类型试样木质素含量为2%～3%，冻胀位移平均增幅分布于6.9%～17.6%。总体上看，木质素含量愈高，则试样冻胀位移愈低，但在含量2%～3% 3个试样之间，差幅较小，如含量2%试样在冻结时间8～80h内，冻胀位移分布为0.62～4.67mm，而含量2.5%、3%两试样在同冻结时间内，冻胀位移较之前者分别仅减小了9.6%、20.5%。基于试验数据分析可知，通过物化改性，干渠冻结土冻胀效应减弱，且控制木质素成分在2%左右最宜。

相比之下，石灰含量对改性土冻胀影响较稳定，各试样冻胀位移曲线均保持一致，呈“快、慢增长”曲线特征。同时，石灰含量递增，各试样冻胀位移降幅较稳定，如冻结时间40～80h内，石灰含量0.5%试样冻胀位移分布于11.48～14.43mm，而含量3.5%、5%两试样在该冻结时间内冻胀位移分布于7.9～9.94、6.58～8.26mm，相比前者含量试样，此两试样冻胀位移分别减少了31.1%、42.8%，差幅接近于梯次变化的平均降幅。由此可知，石灰含量对促进改性土抗冻胀作用较稳定，保持合理的石灰含量即可确保试样具有较好的抗冻胀能力[11-12]。

4 结论

(1)木质素含量0%～1.5%与2%～3%时，试样应变分别呈硬化、软化特征，围压作用不会改变木质素对试样应变影响；木质素含量愈高，则试样应力水平愈大。

(2)围压40、200kPa下，试样分别具有“稳定残余应力、较快应变发展段”的显著特征；石灰含量梯次递增，试样应力提高，但在含量5%后增幅减弱。

(3)木质素含量不同，差异体现在冻胀位移增长过程；木质素含量愈高，则试样冻胀位移愈低，且含量2%后差幅较小；不同石灰含量的试样冻胀位移曲线呈“快-慢转换增长”一致性特征。

(4)木质素-石灰改良冻结粉土时，应控制木质素含量在2%、石灰含量5%最宜。