寒區(qū)渠道粉土質砂換填料力學特性試驗研究

朱銳，郭萬里

(1. 南京工業(yè)大學交通運輸工程學院，江蘇南京，211816；2. 河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇南京，210098；3. 南京水利科學研究院巖土工程研究所，江蘇南京，210024)

近年來，我國陸續(xù)建設了一批引調水渠道，如南水北調中線工程、引江濟淮工程等[1-2]，在一定程度上緩解了沿線城市的工農業(yè)用水壓力。這些渠道是線性工程，不可避免地會穿越一些膨脹土地區(qū)。蔡正銀等[3-5]通過研究發(fā)現(xiàn)，位于新疆北部地區(qū)的膨脹泥巖渠段失穩(wěn)現(xiàn)象十分嚴重。對此，人們采用一種當?shù)赝亮蠈π陆辈枯斔琅蛎浤鄮r渠段進行了換填改造，以期提升該渠段渠道邊坡的穩(wěn)定性。

換填法作為膨脹土地區(qū)工程建設的常用手段之一，可以從源頭上消除膨脹土的不良工程特性的影響[6]。目前，已有學者對膨脹土工程換填料的物理力學特性進行了研究，取得了一定的成果[7-9]。程永輝等[10]開展了黏土換填料處治膨脹土渠坡的離心模型試驗，其結果表明黏土換填料的處治方案是可行的；對于低、中膨脹性渠基土而言，換填厚度約2 m的黏土即可取得良好的防護效果。明經平等[11]針對水泥改性弱膨脹土換填料開展了一系列室內試驗研究，發(fā)現(xiàn)換填料的力學強度與原生土的力學強度相差較小，但其膨脹性遠小于原生土的膨脹性，采用水泥改性弱膨脹土換填淺層土體有利于提升河道膨脹土邊坡的穩(wěn)定性。胡雪松等[12]對煤矸石換填膨脹土路基進行了可行性研究，試驗結果表明煤矸石換填料具有較好的壓實性，是一種良好的路基填料。田海波等[13]研究了動荷載作用下石灰改性膨脹土換填路基的變形特性，發(fā)現(xiàn)采用60 cm厚的石灰改性膨脹土換填料能夠滿足路基的強度要求。上述研究分析了不同膨脹土工程中換填料的物理力學特性，為相關工程提供了參考依據(jù)。

新疆北部輸水渠道膨脹泥巖渠段換填料依據(jù)粒徑應劃分為粉土質砂，一般認為粉土質砂的物理力學性質與砂土的力學性質接近，較為穩(wěn)定。但是已有研究[14]表明這種粉土質砂換填料的礦物成分含有約27%(質量分數(shù))的蒙脫石和高嶺石，而在寒區(qū)復雜環(huán)境下粉土質砂換填料的力學性質是否會劣化尚未有相關研究。新疆北部輸水渠道為季節(jié)性供水渠道，粉土質砂換填料需經歷濕干循環(huán)過程；同時，渠道地處中高緯度地區(qū)，冬季平均溫度低于-20 ℃，夏季平均溫度高于30 ℃，粉土質砂換填料還需經歷凍融循環(huán)過程[15-17]。因此，研究濕干循環(huán)或凍融循環(huán)下粉土質砂換填料的力學特性，明確復雜環(huán)境對粉土質砂換填料強度的影響是十分必要的。

鑒于此，本文作者開展?jié)窀裳h(huán)(WD)、凍融循環(huán)(FT)及濕干-凍融耦合循環(huán)(下面簡稱耦合循環(huán)或WDFT)下粉土質砂換填料三軸固結排水剪切試驗，研究濕干循環(huán)、凍融循環(huán)及耦合循環(huán)下粉土質砂換填料的應力-應變關系以及彈性模量、破壞強度和抗剪強度指標的變化特征。在此基礎上，對比分析粉土質砂換填料與膨脹泥巖的力學特性，從顆粒級配演化關系的角度揭示粉土質砂換填料強度演化特征的形成機理。

1 試驗方法與試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所用粉土質砂換填料取自新疆北部輸水渠道膨脹泥巖渠段換填施工現(xiàn)場，外觀呈灰白色，多結為體積不一的土塊。這種天然粉土質砂廣泛分布于渠道沿線，無需加工即可用作換填料，與碎石、固化材料等其他換填料相比具有顯著的經濟性。依據(jù)規(guī)范[18]測定換填料的基本特性，可知其液限和塑限分別為29.9%和14.8%，最大干密度約為1.98 g/cm3，最優(yōu)含水率為10%，相對密度為2.62，顆粒級配曲線如圖1所示。同時，采用XRD測定所取換填料的礦物成分，可知主要成分為石英、蒙脫石、高嶺石，其質量分數(shù)分別為66%，15%和12%[14]。

1.2 試驗工況及試驗方法

新疆北部季節(jié)性供水渠道經歷往復的濕干循環(huán)過程，在此基礎上，若考慮溫度場的變化，則渠道處于濕干-凍融耦合循環(huán)下，如圖2 所示。本文開展?jié)窀裳h(huán)、凍融循環(huán)和耦合循環(huán)下粉土質砂換填料的三軸剪切試驗和顆粒分析試驗，其中三軸剪切試驗旨在研究換填料的力學特性，顆粒分析試驗旨在探索換填料的顆粒級配演化關系。

將所取換填料進行翻曬、風干、碾碎、過篩。依據(jù)現(xiàn)場渠道換填后淺層土體的飽和度實測數(shù)據(jù)，按初始飽和度為70%來配制試驗所用土料，并密封24 h 使土體含水率分布更均勻。將配制好的土料依據(jù)試驗方案分別制備高為80 mm、直徑為39.1 mm 的三軸試樣(分3 層擊實)和高為20 mm、直徑為61.8 mm的環(huán)刀試樣。依據(jù)現(xiàn)場換填后淺層土體的實測干密度，三軸試樣和環(huán)刀試樣的干密度均控制在1.60 g/cm3。隨后，制備完畢的試樣分別經歷濕干循環(huán)和耦合循環(huán)過程，循環(huán)邊界設置如表1 所示。依據(jù)文獻[19-20]中的研究成果，將粉土質砂試樣的循環(huán)次數(shù)設為0，1，3和7次。

表1 濕干-凍融耦合循環(huán)邊界的模擬Table 1 Simulation of coupled wet-dry-freeze-thaw cycle boundary

待達到目標循環(huán)次數(shù)后，分別對三軸試樣和環(huán)刀試樣進行如下處理：1)將三軸試樣再次進行抽氣飽和，采用TSZ 型三軸儀開展三軸固結排水剪切試驗，每組試樣的固結壓力依次為50，100，200 和400 kPa。待固結穩(wěn)定后進行等應變剪切，剪切速率設為0.08 mm/min，待試樣軸向應變達到16%即停止剪切試驗。需要說明的是，為了減小試驗誤差，每組試樣均進行3組平行試驗，所得彈性模量、破壞強度、黏聚力和內摩擦角均為3組平行試驗結果的平均值。2)對環(huán)刀試樣開展顆粒分析試驗，每組同樣設置3個平行試樣，顆粒分析結果均為3個平行試樣的平均值。

2 粉土質砂換填料的力學特性

2.1 應力-應變曲線

濕干循環(huán)、凍融循環(huán)和耦合循環(huán)下粉土質砂換填料的典型應力-應變關系見圖3。由圖3可以看出，在濕干循環(huán)、凍融循環(huán)和耦合循環(huán)下，試樣的應力-應變關系多呈硬化型。具體來講，在同一圍壓下，循環(huán)次數(shù)增大使得等軸向應變下試樣的偏應力呈下降趨勢，但這種變化特征不甚明顯，表明不論是濕干循環(huán)過程、凍融循環(huán)過程還是耦合循環(huán)過程，循環(huán)次數(shù)對粉土質砂換填料應力-應變關系的影響均較小。另外，吳旭陽等[21]將巖土體的應力-應變關系劃分為強硬化型、一般硬化型、弱硬化型、強軟化型、一般軟化型和弱軟化型。當循環(huán)次數(shù)恒定時，圍壓增大使得試樣的應力-應變關系由弱硬化型向強硬化型轉變。

2.2 彈性模量

在巖土體力學性質分析中，彈性模量是重要參數(shù)之一。依據(jù)文獻[22]中的研究成果，以軸向應變?yōu)?%時所對應的偏應力增量與軸向應變增量的比值作為試樣的彈性模量。不同圍壓下試樣彈性模量隨循環(huán)次數(shù)的變化如圖4所示。由圖4可以看出：在濕干循環(huán)和耦合循環(huán)下，試樣的彈性模量隨著循環(huán)次數(shù)增大而呈逐步下降并趨于穩(wěn)定的趨勢。在這一過程中，第1次循環(huán)過程造成的試樣彈性模量衰減量最高，分別占整個濕干循環(huán)和耦合循環(huán)過程中產生的衰減量的75%和80%以上，表明在濕干循環(huán)和耦合循環(huán)下，第1次循環(huán)過程顯著促進了粉土質砂換填料的彈性模量衰減，而耦合循環(huán)中的凍融過程又會使粉土質砂換填料的彈性模量小幅度衰減，因此需在工程實踐中關注這一現(xiàn)象。

另外，不同于濕干循環(huán)和耦合循環(huán)下試樣彈性模量的變化特征，凍融循環(huán)下試樣彈性模量的衰減趨勢則不那么顯著，當圍壓為200 kPa 或400 kPa 時，試樣的彈性模量幾乎保持恒定。這表明在不同圍壓下，凍融循環(huán)次數(shù)對粉土質砂換填料彈性模量的影響較小。

2.3 破壞強度

對于應力-應變關系曲線而言，若在應變小于15%時偏應力峰值出現(xiàn)，則該值為試樣的破壞強度；若應力-應變關系曲線為硬化型，則取應變?yōu)?5%時的偏應力作為試樣的破壞強度。圖5所示為不同圍壓下試樣破壞強度隨循環(huán)次數(shù)的變化。由圖5可以看出：試樣破壞強度的變化特征與彈性模量的較為相似；在濕干循環(huán)和耦合循環(huán)下，試樣的破壞強度隨著循環(huán)次數(shù)增大而呈逐漸衰減并趨于穩(wěn)定的特征。同樣，在這一過程中，第1次循環(huán)過程造成試樣的破壞強度衰減量約分別為整個濕干循環(huán)和耦合循環(huán)過程中產生的衰減量的68%和70%，表明在濕干循環(huán)和耦合循環(huán)作用下，第1次循環(huán)過程對粉土質砂換填料破壞強度的影響較大，這也與文獻[7-8,23]中的結論較一致。對于凍融循環(huán)下的試樣而言，其破壞強度隨著循環(huán)次數(shù)增大也出現(xiàn)一定程度的衰減，這一現(xiàn)象在低圍壓下較明顯，但凍融循環(huán)下試樣破壞強度的總衰減量僅分別為濕干循環(huán)和耦合循環(huán)下試樣破壞強度總衰減量的15%和13%左右。

2.4 抗剪強度指標

圖6所示為不同邊界條件下試樣抗剪強度指標隨循環(huán)次數(shù)的變化。從圖6可以看出，無論是在濕干循環(huán)、凍融循環(huán)下還是在耦合循環(huán)下，試樣的黏聚力和內摩擦角均隨著循環(huán)次數(shù)增大而呈現(xiàn)出逐漸衰減并趨于穩(wěn)定的變化特征，但凍融循環(huán)下試樣的最終黏聚力衰減量顯著低于濕干循環(huán)和耦合循環(huán)下試樣的黏聚力衰減量，內摩擦角甚至接近于恒定值。這表明濕干循環(huán)和耦合循環(huán)削弱了粉土質砂換填料的抗剪強度指標。

產生這一現(xiàn)象的原因如下：一方面，粉土質砂換填料中仍含有一定的蒙脫石，對于水分場的變化較敏感，反復的濕潤和干燥過程造成試樣內部出現(xiàn)一定的微裂隙，破壞了試樣的完整性[24-25]，故濕干循環(huán)和耦合循環(huán)下粉土質砂換填料的黏聚力衰減特征仍較明顯；另一方面，粉土質砂換填料的主要礦物成分為石英，其物理力學性質受凍融影響較小，土體較少出現(xiàn)結構性損傷，故凍融循環(huán)下粉土質砂換填料抗剪強度指標的衰減特征并不明顯。

為了更好地預測寒區(qū)粉土質砂換填料黏聚力和內摩擦角的衰減過程，選取耦合循環(huán)下的試樣的抗剪強度指標試驗結果進行擬合，所得計算公式如下：

式中：N為耦合循環(huán)次數(shù)；cWDFT為耦合循環(huán)下試樣的黏聚力；φWDFT為耦合循環(huán)下試樣的內摩擦角。

式(1)和式(2)的擬合優(yōu)度(R2)分別約為0.99 和0.98，表明擬合效果較好。

3 粉土質砂換填料與膨脹泥巖的力學特性對比

新疆北部輸水渠道膨脹泥巖渠段失穩(wěn)破壞較為嚴重，陳皓等[26-27]針對濕干循環(huán)、凍融循環(huán)和耦合循環(huán)下膨脹泥巖的力學特性開展了研究。本文將力學性能指標(具體為彈性模量、破壞強度和抗剪強度指標)衰減幅度定義為7 次循環(huán)后試樣的力學性能指標相較于未經歷循環(huán)試樣的力學性能指標的衰減比例，通過對比分析粉土質砂換填料與膨脹泥巖的力學性能指標衰減幅度，探究濕干循環(huán)、凍融循環(huán)和耦合循環(huán)下粉土質砂換填料與膨脹泥巖強度衰減特征的差異。

圖7所示為循環(huán)7次后粉土質砂換填料與膨脹泥巖的彈性模量衰減幅度對比。從圖7 可以看出，在不同圍壓下，濕干循環(huán)、凍融循環(huán)和耦合循環(huán)下粉土質砂換填料的彈性模量衰減幅度均明顯比膨脹泥巖的低，表明在不同邊界條件下粉土質砂換填料的力學性質更穩(wěn)定。對于單一邊界條件而言，將不同圍壓下試樣的彈性模量衰減幅度取平均值，可以發(fā)現(xiàn)濕干循環(huán)、凍融循環(huán)和耦合循環(huán)下粉土質砂換填料的彈性模量衰減幅度分別約為膨脹泥巖彈性模量衰減幅度的47%，8%和44%，表明凍融循環(huán)對于粉土質砂換填料彈性模量的影響非常小。

圖8所示為循環(huán)7次后粉土質砂換填料與膨脹泥巖的破壞強度衰減幅度對比。由圖8 可以看出，在不同圍壓下，濕干循環(huán)、凍融循環(huán)和耦合循環(huán)下粉土質砂換填料的破壞強度衰減幅度同樣明顯比膨脹泥巖的低；濕干循環(huán)和耦合循環(huán)下膨脹泥巖的破壞強度衰減幅度為20%～30%。而粉土質砂換填料的破壞強度衰減幅度則為7%～10%；另外，在凍融循環(huán)下，粉土質砂換填料的破壞強度衰減幅度更小，不同圍壓下的最大衰減幅度僅為5%左右，遠低于相同條件下膨脹泥巖的破壞強度衰減幅度。這表明相對于膨脹泥巖而言，濕干循環(huán)、凍融循環(huán)和耦合循環(huán)對粉土質砂換填料破壞強度的影響均較小。

圖9所示為循環(huán)7次后粉土質砂換填料與膨脹泥巖的抗剪強度指標衰減幅度對比。對于黏聚力而言，濕干循環(huán)和凍融循環(huán)下粉土質砂換填料的衰減幅度均為膨脹泥巖的35%左右，而耦合循環(huán)下粉土質砂換填料的衰減幅度僅為膨脹泥巖的18%左右。對于內摩擦角而言，粉土質砂換填料的衰減幅度同樣明顯比膨脹泥巖的低，這一現(xiàn)象在凍融循環(huán)下尤為明顯，這也與前面分析結果較為一致，即凍融循環(huán)下粉土質砂換填料的內摩擦角幾乎沒有變化。

從粉土質砂換填料和膨脹泥巖的力學特性對比結果可以發(fā)現(xiàn)，在7次循環(huán)后，粉土質砂換填料的彈性模量、破壞強度和抗剪強度指標的衰減幅度均明顯比膨脹泥巖的低?？梢哉J為，不論是在濕干循環(huán)、凍融循環(huán)下還是在耦合循環(huán)下，相較于膨脹泥巖，粉土質砂換填料的力學性能均更加穩(wěn)定，尤其是在凍融循環(huán)下，粉土質砂換填料的強度衰減幅度極小。因此，采用粉土質砂換填膨脹性渠基土有利于提升渠道邊坡的穩(wěn)定性，且受寒冷地區(qū)氣候變化的影響較小。

4 粉土質砂換填料的顆粒級配演化特征

顆粒級配是影響土體力學特性的重要因素[28]。為了進一步揭示濕干循環(huán)、凍融循環(huán)和耦合循環(huán)下粉土質砂換填料強度演化特征的形成機理，下面依據(jù)顆粒分析試驗結果展開敘述。表2所示為濕干循環(huán)、凍融循環(huán)及耦合循環(huán)下粉土質砂換填料的粒徑分布(其中d為粒徑)。由表2 可以看出，無論是在濕干循環(huán)、凍融循環(huán)下還是在耦合循環(huán)下，隨著循環(huán)次數(shù)增大，粉土質砂換填料的顆粒級配均保持穩(wěn)定，在7次循環(huán)后，單一粒徑區(qū)間內顆粒質量分數(shù)的誤差不超過3%。這是因為細粒組(尤其是黏粒組)通常受濕干循環(huán)、凍融循環(huán)的影響較為顯著，由此造成土體內部結構發(fā)生改變[29]；膨脹泥巖中的細粒組質量分數(shù)大于60%[30]，粉土質砂換填料中的細粒組的質量分數(shù)不足25%，故粉土質砂換填料的顆粒級配演化過程受外部條件影響較小，其內部結構也因此處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)?？梢哉J為，粉土質砂換填料的顆粒級配受濕干循環(huán)、凍融循環(huán)和耦合循環(huán)的影響程度較低，循環(huán)次數(shù)增大并未顯著改變試樣的內部結構，這也是復雜邊界條件下粉土質砂換填料力學性能衰減幅度較小的原因。

表2 濕干、凍融及耦合循環(huán)下粉土質砂換填料的粒徑分布Table 2 Grain-size distribution of silty sand subjected to WD,FT and WDFT cycles

5 結論

1)濕干循環(huán)和濕干-凍融耦合循環(huán)過程使得粉土質砂換填料的力學性能指標出現(xiàn)一定程度的衰減，最大衰減幅度不足10%，平均衰減幅度僅在5%左右，而凍融循環(huán)對換填料力學性能指標的影響較小，造成的最大衰減幅度不足5%。

2)在濕干循環(huán)、凍融循環(huán)和濕干-凍融耦合循環(huán)下，膨脹泥巖的力學性能指標最大衰減幅度約為40%，顯著高于粉土質砂換填料的力學性能指標的衰減幅度，表明無論是在濕干循環(huán)、凍融循環(huán)下還是在濕干-凍融耦合循環(huán)下，相較于膨脹泥巖，粉土質砂換填料的力學性質都更加穩(wěn)定。

3)粉土質砂換填料的顆粒級配受濕干循環(huán)、凍融循環(huán)和濕干-凍融耦合循環(huán)的影響程度較低，循環(huán)次數(shù)增大造成單一粒徑區(qū)間內顆粒質量分數(shù)的誤差不超過3%，可以認為復雜環(huán)境下粉土質砂換填料的內部結構較穩(wěn)定。

4)采用粉土質砂換填膨脹性渠基土有利于提升新疆北部渠道邊坡的穩(wěn)定性，且受寒冷地區(qū)氣候變化的影響較小。