河道整治工程中掺合料土体单轴压缩破坏特性试验研究

2020-12-14张磊

水利技术监督 2020年6期

张磊

(塔里木河流域干流管理局，新疆库尔勒 841000)

水利工程设计施工与土体力学特性息息相关，探讨土体材料力学特征对推动水利设计水平具有重要意义[1- 3]；单轴压缩破坏试验是揭示岩土体材料等强度变形特征的重要手段，基于土体单轴压缩破坏实验，可获得土体材料基础力学数据，分析土体基础力学数据之间变化关系，提供水利工程重要设计参数[4- 6]。已有较多学者利用室内试验仪器，设计开展土体渗流、抗剪以及压缩破坏特性试验研究，极大丰富了水利工程中土体力学特性研究成果[7- 9]。由于水利工程中特殊环境，研究高寒地区土体冻融循环作用下，其力学特征影响特性，有助于提升工程安全设计及施工质量[10- 12]。本文考虑结合冻融循环损伤作用，利用单轴压缩破坏实验，开展研究不同因素影响下掺合料土体力学特征变化，为实际水利工程设计提供重要试验基础参考。

1 试验概况

1.1 试验背景与仪器

某河道工程设计需新拓宽3m，为此需对原河道开展整治开挖，原河床断面为半圆形，河底部高程为58.5m，需整治河道长度约为1.5km，起止桩号为1+252—2+752，现河道工程中所遇一岸坡，该岸坡由于水土流失较严重，河道整治开挖岸坡一定程度会削弱其安全稳定性。设计部门考虑结合冻融循环试验开展岸坡土体单轴破坏力学试验研究，为河道岸坡开挖设计提供试验依据。

试验采用GS-RA型三轴剪切仪，该实验系统包括有数据采集系统与加载系统，其中加载系统分为侧向围压与竖向荷载两部分加载子系统，最大竖向荷载可达200kN，围压最大可加载至50MPa，数据采集系统可实时查看数据，采集间隔为0.5s，力传感器以及位移传感器均在实验前均已标定。本试验各实验组围压均为0kPa。冻融循环试验利用高低温试验箱完成，其中每次冻、融持续时长均控制在24h，冻、融温度分别为-20、20℃[13- 14]。

1.2 试验方案

由现场钻孔获得试验土样，为粉质壤土，图1为现场击实试验所获得的最佳含水量为18%，根据室内初步物理参数测试得知，该土样天然含水量约为8.5%，土颗粒中以0.005～0.075mm为主，占比超过80%。为研究重塑土体掺加糯米浆后无侧限压缩力学性质差异，本文采用的不同干密度掺合料土体试样，分别为1.6、1.8、2g/cm3；以土糯比(糯米浆质量占比)参数作为制备掺糯米浆土体材料的指标，配置重塑制备出掺合料土体，糯米浆含量设定分别为0%(A方案)、5%(B方案)、10%(C方案)、15%(D方案)；冻融循环试验按照0次(Ⅰ方案)、5次(Ⅱ方案)、10次(Ⅲ方案)、15次(Ⅳ方案)设计；表1为各实验方案具体组合表。试样制备利用固定尺寸的制备容器，分5层，逐层压实，保证试样内部晶体颗粒受力均匀，制作出满足实验要求的试样，后养护24h，试样制备好形态，如图2所示。

表1 各实验方案具体组合表

图1 击实曲线

图2 土体试样形态

试验步骤简介如下：

(1)经养护箱静置24h的试样取出，测定土样物理参数后，放入冻融循环箱内完成一个周期内冻、融试验，依据目标冻融循环次数，完成冻融试验[15- 16]。

(2)将试样从冻融箱内取出，安装至三轴剪切试验系统围压舱内中，力传感器清零，位移传感器调整至合适量程，不需放下压力舱，直接在试样两端安装位移传感器，后开始竖向加载，观测实时应力应变曲线，直至试样失稳破坏，停止试验。

(3)结束数据采集后，卸掉残余竖向荷载，更换试样，继续试验。

2 掺合料土体单轴力学特征影响特性分析

2.1 土体干密度

基于掺合料土体单轴压缩加载破坏试验，获得了土体干密度因素影响下土体破坏力学特征，限于篇幅，本文以冻融循环0次下开展该因素的影响特征分析，图3即为加载过程中应力应变曲线。从图中可看出，各糯米浆含量下掺合料土体加载过程中应力水平与土体干密度为正相关，相同糯米浆含量均为5%下，干密度1.6g/cm3的峰值应力为141.1kPa，而干密度1.8、2g/cm3相比前者分别增大了19%、39.5%；另一方面，当糯米浆含量增大至15%时，干密度1.8、2、1.6g/cm3之间的差异幅度分别为17.8%、40.2%，即糯米浆含量改变，并不影响土体干密度试样之间的应力水平差异。分析认为，土体干密度是直接反应掺合料土体的物理特征参数，关乎着土体物理性质状态，当干密度较大时，则一定程度上可反映土体内部晶体结构稳定性更佳，而糯米浆含量改变，则为土体组成结构差异改变，此对各试样力学特性影响具有各向同性，故而呈现各糯米浆含量下的不同土体干密度试样间峰值应力相差幅度一致。另从各试样变形特征可知，初期弹性变形阶段不同干密度试样应力应变基本一致，发生应力应变差异主要出现在弹性最大压密点；相同应力水平下，以干密度较低者试样的应变更大，糯米浆含量0%下，3个试样单轴加载应力均为90kPa时，干密度1.6、1.8、2g/cm3相对应的应变分别为1.88%、1.2%、1.1%；即干密度愈大，则愈限制试样塑性变形发展。

2.2 糯米浆含量

图4为典型冻融循环次数糯米浆含量对掺合料土体力学特征影响特性。从图4中可知，相同干密度土体试样中加载过程应力水平以糯米浆含量5%为最大，在干密度为1.6g/cm3、冻融循环5次时糯米浆含量5%峰值应力相比含量10%、15%分别增大了24.3%、41.3%，即糯米浆含量与土体加载应力为负相关，且掺合料土体应力均高于纯土体(糯米浆含量0%)，在同一干密度与冻融循环次数下，纯土体的峰值应力为81.96kPa，而糯米浆含量15%、10%、5%的试样峰值应力相比前者分别增大了11.4%、26.6%、57.4%。分析认为，糯米浆自身的粘结性可促使细小土颗粒填充在颗粒骨架的孔隙内，从而保证颗粒骨架整体稳固性，进而产生掺合料土体单轴应力水平总高于纯土体；但当糯米浆含量增多时，由于糯米浆自身还具有润滑特性，会削弱土颗粒相互间、土颗粒与糯米浆之间的摩擦力，增大土颗粒滑动能力，产生糯米浆含量过高时抑制掺合料土体应力水平增长效应。另对比冻融循环0次时，相同干密度1.6g/cm3下糯米浆含量5%与含量10%、15%之间差异幅度分别为25.6%、41.6%，即各冻融循环次数下糯米浆含量之间幅度差异基本一致。对比糯米浆含量试样之间变形差异可知，糯米浆含量影响特性往往都出现在塑性变形阶段，即接近峰值应力点，分析表明，土体干密度以及糯米浆含量均对试样的塑性变形产生显著差异性影响，而弹性变形阶段影响较弱。

图3 掺合料土体加载应力应变曲线(干密度影响)

图4 掺合料土体加载应力应变曲线(从左至右图分别为干密度1.6、1.8、2g/cm3)

图5为强度特征曲线。从图中可知，糯米浆含量、冻融循环次数均对抗压强度有抑制效应，而土体干密度为促进作用；冻融循环10次、干密度1.8g/cm3时，糯米浆含量5%的抗压强度为130.3kPa，而含量10%、15%相比前者分别降低了12.5%、28.2%，而在相同冻融循环次数下，但土体干密度增大至2g/cm3时，相差幅度分别为12.8%、29.8%，即土体干密度增大，对糯米浆抑制抗压强度增长效应并无改观。

2.3 冻融循环次数

图6为土体干密度1.8g/cm3下冻融循环次数对土体力学特征影响特性。从图中可看出，加载过程中应力水平均以低循环次数为最大，在糯米浆含量0%、相同应变1.5%下，冻融循环0次对应的应力为107.1kPa，而循环5、10、15次相对前者分别降低了25.3%、29%、55.2%；分析认为冻融循环次数愈多，对土体材料物理损伤作用愈强，削弱了土体整体骨架结构稳定性，进而产生加载过程中应力水平较低的现象。另同一应力水平下，冻融循环次数愈高者试样，应变较大，在糯米浆含量10%，加载应力同为90kPa下，冻融循环0、5、10、15次分别对应的应变为1%、1.12%、1.24%、1.55%，冻融循环次数较高时，则试样软化程度愈大，土体弹塑性变形能力均会得到较大增长。

图7为单轴抗压强度受冻融循环次数影响特征曲线，从图中可知，抗压强度随冻融循环次数递减，在干密度1.6g/cm3、糯米浆含量10%下，冻融循环5、10、15次试样抗压强度相比循环0次分别降低了8.4%、25.1%、38.7%；当相同糯米浆含量下，干密度增大至1.8g/cm3时，则冻融循环5、10、15次试样降低幅度分别为8.1%、24.9%、38.1%，分析认为，虽干密度增大可促进抗压强度增长，但并不影响冻融循环次数之间抗压强度差异，即土体干密度不影响冻融循环物理损伤效应。

图5 掺合料土体单轴抗压强度特征曲线(不同冻融循环次数)

图6 掺合料土体加载应力应变曲线(冻融循环次数影响)

图7 掺合料土体单轴抗压强度特征曲线(冻融循环次数影响)

3 冻融循环物理损伤作用分析

为准确评估掺合料土体受冻融循环损伤作用，本文提出以抗压强度损耗率参数来衡量土体物理损伤效应，损耗率参数η求解公式为：

(1)

式中，σw、σ0—无冻融、冻融循环时单轴抗压强度。

结合单轴压缩加载破坏试验数据，并基于式(1)即可计算获得不同干密度、糯米浆含量下试样抗压强度损耗率，如图8所示。从图中可看出，强度损耗率随冻融循环次数递增；在土体干密度1.6g/cm3、糯米浆含量15%时，冻融循环15次强度损耗率达44.44%，而冻融循环5次损耗率仅为8.33%。强度损耗率与糯米浆含量亦为正相关，前述相同干密度与冻融循环15次下，糯米浆含量5%的损耗率为31.07%；但另一方面，纯土体的强度损耗率均高于掺合料土体，相同干密度与冻融循环次数下，纯土体(糯米浆含量0%)的强度损耗率为58.91%。分析认为，当糯米浆含量存在时，一定程度可填充土体试样孔隙，减少由于冻融循环次数对土孔隙内冻胀破坏，因而损耗率低于纯土体，但不可忽视糯米浆含量过大时，其自身所具备的润滑性实质上含有较多水分子，可发生固结作用，因而影响土颗粒骨架整体粘结性，造成强度损耗，即强度损耗率随糯米浆含量增大。土体干密度在1.6、1.8g/cm3时强度损耗率基本一致，但当干密度增大至2g/cm3时，大部分试样强度损耗率有一定增长，笔者认为土体干密度对强度损耗率影响并无较显著关系。