低液限粉土力学特性及其在渠道工程中的应用

2018-01-15于忠豪

陕西水利 2017年6期

于忠豪

（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆伊犁 835000）

0 前言

新疆YL河北岸干渠设计总灌溉面积206.59万亩，为大(1)型工程，根据渠道填筑料使用要求，该工程104+715～110+767.607段土方填筑土料缺34.21万m3，需进行土料回填。为测试选用料场土体基本物理力学特性，在选取料场中每200m左右处每1m深度取一组原状土样进行天然含水率测定。每200m处采用挖掘机开挖探坑，进行天然干密度试验，每个探坑均采用刻槽法取混合土样进行室内击实试验，选择具有代表性的探坑取土样进行界限含水率及颗粒分析等试验。结果表明，整个土料场土质均匀，最优含水量在13.8%～16.7%，平均15.3%；最大干密度在 1.66～1.70 g/cm3，平均 1.68 g/cm3，液限 ωL=28.9%，塑限ωp=16.2%，塑性指数IP=12.7。根据土工试验规程[1]SL237-1999可分类定名为低液限粉土（ML）。

低液限粉土具有液限低强度差等特点，在我国西北部地区分布广泛，是一种劣质填料[2-5]，主要表现为碾压困难和强度弱化，碾压困难是指土体在欠压及过压条件下均难以达到设计压实度，强度弱化是指对验收合格碾压土体若未及时覆盖再次检测时其压实度又达不到要求。按压实度控制低液限粉土填筑渠道，工程质量难以保证，因此有必要对不同压实度低液限粉土物理力学特性进行研究。本文以新疆YL河北岸干渠为依托，采用试验和数值模拟结合的方式研究了不同压实度低液限粉土的强度变形特性和不同压实度低液限粉土渠道的沉降特性。

1 试验材料与程序

试验土料取自新疆YL河北岸干渠十标段填料场，为低液限粉土，其级配曲线如图1所示。采用轻型击实仪确定土样最优含水率为15.1%，最大干密度为1.65 g/cm3。三轴压缩试样按压实度 0.85、0.9、0.92、0.95和 0.98确定试样制样干密度为1.40 g/cm3、1.49 g/cm3、1.52 g/cm3、1.57 g/cm3和 1.62 g/cm3，试样尺寸Φ×H=39.1mm×100mm，按控制干密度计算不同压实度下试样所需土体质量，按最优含水率15.1%配制试验土料，土料配制好后置于塑料袋中密封24 h以保证土体水分均匀扩散，在土颗粒间形成薄膜水[6]，土体分3层制样，采用击实锤将土体击实并量测每层土体高度，保证每层高度一致，每层土击实后需刮毛保证试样的均一性。将制备好的试样置于真空缸中抽气饱和，抽气时间大于2 h，抽气后缸内水面应高于试样顶部至少5 cm，将饱和后试样装于应变控制式三轴压缩仪上，并进行固结，固结压力分别为 100 kPa、200 kPa、300 kPa和 400 kPa，固结稳定标准为体变管读数在5 min内基本保持不变，试样固结完成后关闭上下排水阀进行剪切，土体剪切速率为0.0768mm/min，轴向应变为15%时，停止试验。

图1 级配曲线

2 试验结果与分析

2.1 强度

取轴向应变为15%试样破坏，不同干密度下低液限粉土破坏强度qf与压实度关系曲线如图2所示，可知随围压增大，低液限粉土破坏强度增大；不同围压下，随压实度增大，低液限粉土破坏强度均逐渐增大，围压为100~400 kPa，压实度为0.85时其破坏强度较压实度为0.98时分别降低了51.3%、46.9%、43.6%和41.0%，可以看出，随围压增大，压实度对低液限粉土强度影响逐渐减小，这是由于围压较高时，土体固结过程土体被压密。

图2 破坏强度与压实度关系曲线

2.2 孔压

低液限粉土破坏时孔压与压实度关系曲线如图3所示，可知随压实度增大，低液限粉土孔压逐渐减小，这是由于压实度越大，颗粒接触越紧密，剪切过程中，颗粒翻越过程中，颗粒仍然是接触的，原本由颗粒承担的压力仍然基本由原有的颗粒承担，颗粒传给孔隙水的压力很小，孔隙水压力越小；随围压增大，孔隙水压力增大，然而孔隙水压力比（孔隙水压力与围压比值）逐渐减小，这是由于，围压越大，土体抗剪强度越大，土体破坏时强度越大，相当于土体破坏时承受了更大的荷载作用，孔隙水承担的荷载越大，孔隙水压力越大，而由于围压越大，土体固结过程中土体压密作用越明显，限制了孔隙水压力的增长，故随围压增大孔隙水压力比逐渐减小。

图3 孔压与压实度关系曲线

3 渠道沉降数值计算

为分析压实度对低液限粉土渠道沉降特性影响，基于FLAC3D对低液限粉土渠道进行三维有限差分计算，FLAC3D是由美国Itasca集团公司开发的一款专业岩土工程分析大型商业软件，其基本原理即是采用拉格朗日差分法来分析有限变形问题，该软件目前已在全球八十多个国家应用，并得到广泛的认可。

不同压实度下渠道计算模型如图4所示，模型尺寸长×宽×高=5m×5m×10m，渠道尺寸为长×宽×高=2m×2m×1.5m，约束条件为固定模型底部x、y和z方向，左右两侧水平x方向位移约束，y方向位移全约束，顶部为自由边界，将渠道渗流设为自由出流边界。计算采用Mohr-Coulomb模型，计算参数如表1所示l。

图4 计算模型

表1 计算参数

不同压实度下低液限粉土渠道最大沉降量与压实度关系曲线如图5所示。可知，随压实度增大，低液限粉土渠道最大沉降量逐渐减小，最大沉降量与压实度呈指数关系，由此可知，压实度0.95与压实度0.98低液限粉土渠道最大沉降量相差不明显，而当压实度降低至0.85时，渠道最大沉降量增大明显，因此渠道施工需要合理控制施工质量。

低液限粉土粘聚性差，需借助水润滑作用才能达到设计压实。此外，低液限粉土保水性差，施工过程中容易失水而出现强度弱化。因此在施工过程中需做好保湿工作，尽量采用连续方式施工，对暂时不使用的土要用帆布盖住，减少其水分损失，夏季施工水分损失严重时可适量增大土体含水量。