西彌浦泵閘工程防汛墻地基重塑土力學(xué)特性分析研究

李旨洪

（江西省水利水電建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西南昌330025）

水利工程建設(shè)中必須考慮地基承載力要求，天然地基無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，常需要通過(guò)地基處理改良，以滿足結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)要求，研究改良地基土體對(duì)推動(dòng)地基處理設(shè)計(jì)水平提升具有重要指導(dǎo)意義[1-3]。李春好、王瑞等、王欣榮摻加化學(xué)試劑對(duì)土體進(jìn)行改良，獲得滿足工程要求的改良土體，此類改良主要依賴于化學(xué)試劑與土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而提升土體物理力學(xué)性質(zhì)[4-6]?；瘜W(xué)改良土體作用局限性較大，化學(xué)試劑成本較高，反應(yīng)速率較慢，因而王龍威等、張桂榮等、衛(wèi)杰等開始利用摻加良性土體或人工纖維等，對(duì)土體進(jìn)行物理改良，提升原狀土體力學(xué)表征，使重塑后土體能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求[7-9]。土體力學(xué)性質(zhì)研究主要采用室內(nèi)試驗(yàn)與仿真模擬計(jì)算2種手段，仿真計(jì)算主要采用顆粒流類軟件平臺(tái)建立計(jì)算模型，分析土體模型在不同荷載工況中力學(xué)特征，提高對(duì)土體力學(xué)特性認(rèn)知水平[10-12]；采用室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)土體進(jìn)行力學(xué)加載測(cè)試，可真實(shí)獲得重塑土體或原狀土體力學(xué)性質(zhì)影響特性，為研究改良土體提供數(shù)據(jù)參考[13-15]。根據(jù)西彌浦泵閘工程地基粉土實(shí)際，進(jìn)行重塑黏質(zhì)粉土三軸力學(xué)試驗(yàn)，開展黏質(zhì)粉土力學(xué)影響特性分析，為該泵閘工程地基設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)背景

西彌浦泵閘工程位于上海市寶山區(qū)西南部，是西彌浦河與蕰藻浜匯合處重要控制水利樞紐。工程采用整體式結(jié)構(gòu)，軸線長(zhǎng)27 m，最寬處28.5 m，以弧形鋼閘門作為流量調(diào)控設(shè)施，直徑4.5 m，閘室凈寬10 m。泵閘工程支護(hù)采用樁錨結(jié)構(gòu)，總開挖深度8.1 m，支護(hù)樁長(zhǎng)16 m，剖面直徑800 mm，設(shè)置有12根支護(hù)樁。閘室基礎(chǔ)也采用基礎(chǔ)樁支護(hù)措施，每根樁長(zhǎng)22 m，在特征剖面設(shè)置有監(jiān)測(cè)設(shè)備，確?；A(chǔ)樁承載力滿足工程需求。泵站最大提水能力8萬(wàn)m3/d，下游設(shè)有泄流孔，每孔直徑1.5 m，可為下游輸水渠提供重要水資源，也可為上游排澇、防洪等服務(wù)。該泵閘工程另設(shè)有攔污柵結(jié)構(gòu)，泵站與攔污柵均采用閘墩支撐，每根閘墩厚度2.5 m，設(shè)有連系梁作為加固措施，其中橫連系梁采用張拉預(yù)應(yīng)力支護(hù)，確保泵站與攔污柵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由于地區(qū)雨季降雨量較大，對(duì)工程上游排澇具有顯著影響，工程管理部門考慮建設(shè)一防汛墻結(jié)構(gòu)，降低雨季暴雨等高徑流下泵閘設(shè)施滲透破壞威脅，設(shè)計(jì)防汛墻基礎(chǔ)埋深超過(guò)8 m。閘墩所在場(chǎng)地與防汛墻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)埋深相差無(wú)幾，而目前地基土層以粉土為主，最厚處超過(guò)5.5 m，但其承載力不能滿足工程設(shè)計(jì)要求，且土體粘結(jié)性較弱，作為地基土體性質(zhì)不佳。為此，工程部門考慮對(duì)地基土體進(jìn)行改良，并先行在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展物理改良土體性質(zhì)研究，添加適量黏土質(zhì)顆粒改良粉土力學(xué)性質(zhì)[16，17]，為后續(xù)工程地基處理等提供依據(jù)。

1.2 試驗(yàn)介紹

利用GEOMEC1000凍融循環(huán)三軸試驗(yàn)儀開展物理改良粉土力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，該試驗(yàn)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、凍融試驗(yàn)?zāi)K以及輔助性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可根據(jù)試驗(yàn)需求設(shè)定間隔為0.5～10 s，利用電腦程序處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)試樣試驗(yàn)狀態(tài)變化特征。加載系統(tǒng)采用電腦程序液壓控制，最大軸向荷載可達(dá)250 kN，圍壓加載可達(dá)40 MPa，荷載最大波動(dòng)幅度不超過(guò)0.1%，確保加載精度不影響試驗(yàn)結(jié)果。凍融試驗(yàn)?zāi)K采用凍融試驗(yàn)箱控制，最低凍結(jié)溫度可達(dá)-30℃，最高融化溫度可設(shè)定為80℃，試驗(yàn)中選擇凍、融溫度分別為-20℃、20℃，經(jīng)目標(biāo)量的凍融循環(huán)次數(shù)后，試樣放入三軸試驗(yàn)箱內(nèi)完成加載試驗(yàn)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括宏觀變形監(jiān)測(cè)傳感器與細(xì)觀監(jiān)測(cè)設(shè)備，軸向變形量程為-25～25 mm，可滿足徑高比1/2、1/3等圓柱體、長(zhǎng)方體試樣開展試驗(yàn)，環(huán)向變形最大量程為15 mm，變形傳感器監(jiān)測(cè)誤差不超過(guò)0.5%，試驗(yàn)中加載速率采用軸向變形控制方式，速率恒定為0.02 mm/min；細(xì)觀監(jiān)測(cè)設(shè)備主要指高速攝像頭以及聲發(fā)射等耦合設(shè)備。擊實(shí)試驗(yàn)采用電動(dòng)擊實(shí)儀完成，重塑土樣在擊實(shí)筒內(nèi)分多次、多層擊實(shí)，測(cè)取每次擊實(shí)后土樣質(zhì)量，取代表試樣測(cè)取最優(yōu)含水率。

圖1 GEOMEC1000凍融循環(huán)三軸試驗(yàn)儀

粉土重塑物理改良方法較簡(jiǎn)單，取泵閘工程場(chǎng)地粉土擊碎后養(yǎng)護(hù)，在工程場(chǎng)地附近鉆孔取定量的黏土體，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分別擊碎2種土體，用篩分法過(guò)濾掉粗顆粒；后將碎粉土、黏土按照2/1配比放入制樣盤內(nèi)，分多次灑水，每次灑水控制適量。2種土體攪拌擊實(shí)混合后，在恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h，擊實(shí)次數(shù)控制在20～25次；后采用環(huán)刀法制備滿足試驗(yàn)要求的直徑、高度分別為38、76 mm的改良重塑土樣。改良重塑土樣凍融循環(huán)次數(shù)分別為0、2、4、6、8、10、12次，黏質(zhì)顆粒含量分別為5%、10%、15%、25%，另設(shè)置有原狀粉土試樣，各試驗(yàn)方案參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 各組重塑試樣黏質(zhì)顆粒含量與凍融次數(shù)

2 重塑土擊實(shí)試驗(yàn)分析

對(duì)不同黏質(zhì)顆粒含量的土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，獲得重塑土擊實(shí)曲線，如圖2所示。從圖2可知，各黏質(zhì)含量試樣的最佳含水量隨黏質(zhì)顆粒增大而遞增，黏質(zhì)顆粒5%試樣的最佳含水量為9.44%，而黏質(zhì)顆粒10%、15%時(shí)的含水量分別增大至9.86%、10.57%。從最大干密度變化特征來(lái)看，4個(gè)黏質(zhì)顆粒試樣最大干密度分布為2.03～2.04 g/cm3，各黏質(zhì)顆粒間試樣最大干密度最大變幅僅為0.6%。隨黏質(zhì)顆粒增大，最大干密度小幅降低，黏質(zhì)顆粒10%、20%試樣最大干密度相比黏質(zhì)顆粒5%時(shí)降低了0.33%、0.61%，表明黏質(zhì)顆粒對(duì)重塑土試樣的最大干密度具有抑制性影響。

圖2 各黏質(zhì)含量重塑土擊實(shí)曲線

黏質(zhì)顆粒與擊實(shí)試驗(yàn)兩特征參數(shù)關(guān)系曲線，如圖3所示。從圖3曲線擬合來(lái)看，最優(yōu)含水量與黏質(zhì)含量具有二次函數(shù)正相關(guān)關(guān)系，黏質(zhì)顆粒增大5%，最優(yōu)含水量增長(zhǎng)8.5%；而最大干密度與之亦具有二次函數(shù)關(guān)系，兩者為負(fù)相關(guān)關(guān)系。分析認(rèn)為，黏質(zhì)顆粒愈多，粉土顆粒間粘結(jié)性愈強(qiáng)，保水性愈強(qiáng)，降低了水分的流失作用，且外界擊實(shí)作用對(duì)其效果更佳，改良后重塑土樣最優(yōu)含水量愈大，但良好的壓實(shí)效果降低了重塑土樣的最大干密度。

圖3 黏質(zhì)顆粒與最大干密度、最優(yōu)含水量間關(guān)系

3 重塑土三軸試驗(yàn)分析

3.1 黏質(zhì)顆粒含量影響

經(jīng)三軸凍融循環(huán)重塑土樣加載力學(xué)試驗(yàn)，獲得黏質(zhì)顆粒含量影響下重塑土應(yīng)力應(yīng)變特征，如圖4所示，圖中各應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)均為凍融次數(shù)為0次時(shí)數(shù)據(jù)。從2個(gè)圍壓下重塑土應(yīng)力水平與黏質(zhì)顆粒含量關(guān)系可知，整體上高黏質(zhì)顆粒含量加載應(yīng)力較大，且物理改良重塑土應(yīng)力水平均高于原狀粉土。在圍壓100 kPa時(shí)，應(yīng)變3%下黏質(zhì)顆粒含量5%試樣的應(yīng)力為37.2 kPa，而相同應(yīng)變下黏質(zhì)含量10%、20%試樣應(yīng)力相比前者分別增長(zhǎng)了22.2%、69.8%。分析認(rèn)為，三軸加載過(guò)程中原狀粉土顆粒間粘結(jié)性較差、顆粒主骨架間咬合度較弱，在壓縮應(yīng)力作用下，粉土顆粒發(fā)生滑移，導(dǎo)致原狀土加載應(yīng)力水平較低；當(dāng)原狀土重塑后摻加黏質(zhì)顆粒，具有粘結(jié)性的黏質(zhì)顆?？蛇M(jìn)入粉土主骨架，作為粉土顆粒間粘結(jié)劑減小顆粒間孔隙，增強(qiáng)顆粒骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，且黏質(zhì)顆粒含量愈多、顆粒骨架間隙愈小、粉土顆粒骨架粘結(jié)性愈強(qiáng)，加載應(yīng)力水平愈高。

圖4 黏質(zhì)顆粒含量影響下重塑土應(yīng)力應(yīng)變特征

從變形特征來(lái)看，圍壓200 kPa時(shí)重塑土樣在峰值應(yīng)力后期下降幅度較小，在該圍壓下?lián)金べ|(zhì)顆粒含量10%試樣峰值應(yīng)力后期下降幅度為12.6%；而在圍壓100 kPa下的下降幅度為30.9%，圍壓愈大重塑黏質(zhì)粉土試樣塑性變形能力越強(qiáng)。從線彈性變形階段可看出，圍壓100 kPa下各黏質(zhì)粉土試樣的線彈性模量基本相近，達(dá)22.9 kPa，但在圍壓200 kPa下試樣線彈性模量增大了43.9%。分析認(rèn)為，黏質(zhì)顆粒含量對(duì)試樣線彈性變形階段影響較小，各重塑黏質(zhì)粉土試樣在相同圍壓下線彈性模量基本保持一致，圍壓越大線彈性模量值愈大。

為分析黏質(zhì)顆粒含量與重塑土樣抗壓強(qiáng)度關(guān)系，給出兩圍壓下黏質(zhì)顆粒含量影響下的三軸抗壓強(qiáng)度變化關(guān)系，如圖5所示。從圖5可看出，黏質(zhì)顆粒含量與重塑土樣抗壓強(qiáng)度具有正相關(guān)關(guān)系，兩者呈線性函數(shù)關(guān)系，在圍壓100 kPa時(shí)黏質(zhì)顆粒含量5%試樣抗壓強(qiáng)度為35.3 kPa，而含量15%、20%試樣強(qiáng)度相比前者分別增長(zhǎng)了47.9%、81.8%。整體上看增幅可知，圍壓100 kPa下黏質(zhì)顆粒含量增長(zhǎng)5%，平均可提升重塑土樣強(qiáng)度22.6%；而在圍壓200 kPa下，含量增長(zhǎng)5%，重塑土樣強(qiáng)度可增大28.6%。這表明圍壓增大，重塑土樣強(qiáng)度受黏質(zhì)顆粒含量影響更為顯著。

圖5 黏質(zhì)顆粒含量影響下的三軸抗壓強(qiáng)度變化

3.2 凍融次數(shù)

凍融次數(shù)對(duì)重塑后土樣影響顯著，典型凍融次數(shù)影響下重塑土應(yīng)力應(yīng)變特征如圖6所示。從圖6可知，凍融次數(shù)對(duì)重塑土樣應(yīng)力水平影響具有階段性特征。黏質(zhì)含量5%時(shí)，在凍融次數(shù)0～8次內(nèi)，次數(shù)愈多則重塑黏質(zhì)粉土加載應(yīng)力水平愈低，應(yīng)變3%時(shí)無(wú)凍融試樣的加載應(yīng)力為35.6 kPa，而凍融次數(shù)為4、8次試樣的加載應(yīng)力相比前者分別降低了26.7%、52.5%。該區(qū)間內(nèi)平均增長(zhǎng)2次凍融，加載應(yīng)力水平可降低39.6%，表明該區(qū)間內(nèi)凍融次數(shù)有抑制重塑土樣加載應(yīng)力水平效應(yīng)。當(dāng)凍融次數(shù)超過(guò)8次后，相同應(yīng)變3%下次數(shù)為10、12次試樣的加載應(yīng)力相比8次分別增大了17.5%、36.8%，即凍融次數(shù)位于該區(qū)間內(nèi)時(shí)，凍融效應(yīng)對(duì)重塑土樣加載應(yīng)力具有促進(jìn)作用。當(dāng)黏質(zhì)含量增大至20%后，依然以凍融8次為階段節(jié)點(diǎn)，在該節(jié)點(diǎn)前、后區(qū)間內(nèi)凍融次數(shù)對(duì)試樣影響更為顯著；在凍融0～8次內(nèi)，應(yīng)變3%時(shí)凍融4、8次試樣的加載應(yīng)力相比凍融0次分別降低了30.1%、49.9%；凍融8次后，相同應(yīng)變3%下次數(shù)為10、12次試樣的加載應(yīng)力相比次數(shù)8次分別增大了24.2%、63.6%。筆者認(rèn)為，凍融次數(shù)具有階段節(jié)點(diǎn)且與黏質(zhì)粉土內(nèi)含水量有關(guān)，當(dāng)凍融次數(shù)處于小區(qū)間內(nèi)時(shí)，次數(shù)愈多，試樣內(nèi)顆粒骨架水晶體顆粒膨脹、收縮變形愈劇烈，對(duì)試樣承載能力愈不利；黏質(zhì)顆粒愈多，重塑土樣內(nèi)部顆粒骨架保水能力得到提高，受凍融效應(yīng)影響更為顯著，因而應(yīng)力漲跌幅度愈大。

從圖6（a）看出，凍融0～8次內(nèi)，次數(shù)愈多，試樣線彈性模量愈小，凍融8次的線彈性模量為5.59 kPa，而凍融0、4次線彈性模量相比前者提高了1.2倍、62.1%；在凍融8～12次內(nèi)，線彈性模量隨凍融次數(shù)具有遞增效應(yīng)。這表明不同凍融次數(shù)下，重塑黏質(zhì)粉土試樣在各變形階段均具有顯著差異性。

圖6 凍融次數(shù)影響下重塑土應(yīng)力應(yīng)變特征

凍融次數(shù)影響下重塑土樣三軸強(qiáng)度變化特征曲線，如圖7所示。從圖7可知，在黏質(zhì)含量5%試驗(yàn)組中，凍融0～8次內(nèi)，每增長(zhǎng)2次凍融，強(qiáng)度平均損耗9.9%；而在凍融8次后，每增長(zhǎng)2次凍融，重塑土樣強(qiáng)度可升高11.2%；且當(dāng)黏質(zhì)含量增大時(shí)，凍融效應(yīng)在重塑土樣強(qiáng)度中更為顯著。

圖7 凍融次數(shù)影響下重塑土樣三軸強(qiáng)度變化特征

4 結(jié)論

（1）重塑后黏質(zhì)粉土最優(yōu)含水量與黏質(zhì)含量具有線性函數(shù)正相關(guān)關(guān)系，黏質(zhì)顆粒含量增大5%，最優(yōu)含水量增長(zhǎng)8.5%；而最大干密度與黏質(zhì)含量具有二次函數(shù)關(guān)系，兩者為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（2）重塑后黏質(zhì)粉土加載應(yīng)力水平高于原狀粉土，且黏質(zhì)含量愈多則重塑黏質(zhì)粉土加載應(yīng)力水平愈大，圍壓100、200 kPa下黏質(zhì)顆粒含量增長(zhǎng)5%，分別可提升重塑土樣強(qiáng)度22.6%、28.6%；圍壓愈大，重塑黏質(zhì)粉土塑性變形能力愈強(qiáng)，圍壓200 kPa下線彈性模量相比100 kPa下增大43.9%。

（3）以凍融8次為階段節(jié)點(diǎn)，在該節(jié)點(diǎn)前、后區(qū)間內(nèi)凍融次數(shù)對(duì)試樣加載應(yīng)力分別為遞減、遞增效應(yīng)，黏質(zhì)含量5%下凍融0～8、9～12次內(nèi)，每增長(zhǎng)2次凍融，強(qiáng)度分別平均損耗9.9%、增大11.2%；黏質(zhì)含量愈多，黏質(zhì)粉土受凍融效應(yīng)影響愈顯著，應(yīng)力漲跌幅度愈大。