水利枢纽工程场地土料掺金属离子状态下三轴力学试验研究

黄健华

(广东省源天工程有限公司，广东 广州 511340)

1 概述

水利设计中常常需要考虑工程土体力学特征，为水工结构长期安全稳定运行提供重要参考，因此，水利工程领域势必需要研究土体力学特征，从而为水利设计提供具体参数服务[1-3]。张榜等[4]、李可宇[5]、程升等[6]根据岩土材料的仿真计算原理，利用离散元仿真模拟平台等，设计不同荷载条件，为研究土体力学特征提供了重要计算依据。还有一些专家学者认为土体材料破坏过程可采用监测或实时观测的手段，研究土体微观条件下内部骨架特征，从而为研究土体失稳破坏的内在因素提供细观机理[7-9]。基于这些研究原理，在一些水利工程中安装有微震系统等其他监测设备，可对水利工程的安全运营开展实时监测，获取土体力学数据，为提前预判与土体相关的水利工程破坏提供重要参考[10-11]。实质上，利用室内精密试验仪器，可较快速获得土体材料力学特征、渗透特性，在水利设计之初获取到土体材料的试验力学特性，更加准确为水利设计提供试验参数[12-14]。本文采用压缩渗透仪器设计开展三轴力学试验，分析不同因素下土体力学特征变化规律，为水利工程设计提供参考。

2 试验设计

2.1 工程背景

粤北地区为提升区域内水资源安全保障效率，考虑设计一水利枢纽工程。该水利枢纽工程上部结构设计安全性较高，但不可忽视所有的水利结构均需以地面土体为承载层，因而该水利结构运营可靠性、设计安全性、整体协调性均与场地下卧图层息息相关，故本文研究重点乃是该水利枢纽工程场地覆盖土层与下卧承载层。根据地勘资料可知，下卧土层为粉质壤土，含水量中等，室内测试最佳含水量为18%，承载力较好，颗粒骨架结构填充有其他晶体颗粒，根据物理化学成分测试表明，局部夹有晶体颗粒乃是铜、铁矿离子，分析认为此与区域内铜矿开采长久性影响渗流路径而导致土层污染形成的，为此，设计开展掺金属离子土料的三轴力学试验。

2.2 试验概况

为确保试验结果准确性，本试验采用土体压缩渗透试验仪器，不仅可完成常规三轴力学试验，亦可完成土体渗透固结测试分析(如图1所示)。该试验系统包括有加载系统、围压系统、渗透测试系统、数据采集系统、控制系统等5部分，其中试验围压最大可为5 MPa，孔隙水压力最大可达2 MPa，轴向荷载可根据不同试样更换传感器量程，可变换采用变形控制与应力控制加载，其中变形控制加载速率范围可在0.002～4 mm/min内设定，力控加载速率最大可达5 kN/s，所有加载速率最大波动不超过1%，试样尺寸保持为径高比1：2均可完成试验，本文试验中所有土体试样直径、高度尺寸均为36 mm、72 mm，试验轴向变形传感器最大可达20 mm，环向变形监测采用链条精准控制测试，最大环向变形值可达10 mm，传感器误差不超过0.5%，数据采集间隔控制在0.5 s内，可实时监测获取加载系统中试样应力应变状态。

图1 土体压缩渗透试验仪器示意

根据工程现场金属离子含量探测可知分布浓度约为10～60 g/L，为此本文试验中离子含量设定为20 g/L、40 g/L、60g/L，并设定离子含量0 g/L土体作为对比试样(原状土)，掺金属土体均采用固定含量的化学溶液与原状土拌制重塑形成，其中化学溶液中含有Fe3+、Cu2+等金属离子，所有土体均采用固结状态后土体，土体含水量为18%，试验围压根据土料覆盖土层历史应力最大为400 kPa，因而本试验中三轴围压设定为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，本试验中各试验方案组见表1。

表1 各组试样试验围压与金属离子含量

采用土体压缩渗透试验仪器，按照以下步骤进行土体三轴试验。

1) 制样：将原状土击碎多次碾压，后将土颗粒烘干保存，将碎土颗粒与配置好的金属离子含量溶液进行搅拌，溶液应分多次与土体捣拌，拌合好的土样在恒温恒湿环境中养护48 h，确保金属离子渗入土样内，养护好的试样经击实后获得试验所用土样；

2) 关闭试验系统内部的渗透压装置，土体完成固结击实试验，在养护箱内完成48 h静压养护，确保试样内部初始状态一致性；

3) 安装试样至试验系统中，并按照既定实验方案设定好围压等参数，安装变形监测等传感器，施加目标围压值后，开始轴向压缩加载，采用变形控制加载，速率为0.06 mm/min，直至系统判定试样发生失稳破坏，停止加载；

4) 结束试验，保存试验数据，卸除轴向荷载与围压后，更换其他组试样重复试验。

3 土体应力应变特征影响性分析

3.1 离子含量影响

经三轴试验获得土料掺金属不同含量下应力应变曲线(如图2所示)。从图2中可知，土体在相同加载应变下对应的偏应力水平与金属离子含量关系并无一致性关系，而是具有显著的阶段性特征，且应力水平在塑性变形阶段才更显著，当应变为8%时，原状土对应的加载偏应力为425.2 kPa，而金属离子含量为10 g/L、20 g/L的试样相同条件下偏应力相比前者分别增大了10.6%、15.4%；同样的条件下，金属离子含量为40 g/L、60 g/L的试样偏应力又相比含量20 g/L时分别降低了4.8%、9.2%；从整体加载应力与金属离子含量变化关系态势可知，以金属离子含量20 g/L为土样加载应力水平变化拐点，在0～20 g/L含量范围内，土体加载应力水平与离子含量具有正相关，而金属离子含量超过20 g/L后，两者呈负相关关系。笔者分析认为，当金属离子含量控制在较小的范围时，金属离子进入粉质类粘性土体，具有吸附性的粘性矿物颗粒会与金属离子相贴附，导致土体内部粘性矿物颗粒彼此间距离减小，增大了颗粒间粘结性，从而表现在加载应力水平上升的现象；但不可忽视，粘性矿物颗粒对金属离子的吸附作用终究是有限的，而土体内部金属离子含量的增大，会导致更多的金属离子进入土体内部颗粒骨架，而存有部分金属离子无法与粘性矿物颗粒相联系，多余的金属离子会在土颗粒内部游离导致土骨架胶结物受化学侵蚀破坏[15-16]，进而降低了土体骨架稳定性，呈现加载应力水平降低的态势。

图2 土料掺金属不同含量下应力应变曲线示意

另一方面，金属离子含量对土体变形能力亦有显著影响，从整体上看，不论是原状土亦或是掺金属离子试样，土体三轴应力应变曲线均为“线弹性压缩变形—塑性硬化扩容变形”两阶段特征，而不同金属离子含量试样在两阶段变形转折拐点具有差异，金属离子含量为0、10 g/L、20 g/L、40 g/L、60 g/L 5个试样的变形转折拐点对应的应变分别为1.95%、2.57%、3.71%、5.13%、6.85%，即金属离子含量愈高，则变形转折拐点愈靠后，表明土体内部金属离子的存在，可滞后土体进入塑性扩容阶段。从5个试样的线弹性变形阶段可看出，原状土试样的线弹性模量为385.3 kPa，而金属离子含量为10 g/L、40 g/L、60 g/L试样的线弹性模量相比前者分别减少了32.4%、66.7%、74.8%，即金属离子在土体内部存在，一方面可抑制线弹性变形增长能力，另一方面迟缓土体试样进入塑性变形扩容阶段的发展。

3.2 试验围压影响

与金属离子含量对土体三轴力学特性分析类似，给出不同围压下土体应力应变曲线(如图3所示)。从图3中可看出，围压愈大，土体加载应力水平显著较大，金属离子含量30 g/L组中，在相同应变6%下围压100 kPa的偏应力为361 kPa，而围压200 kPa、400 kPa相同条件下的偏应力相比前者分别增大了8.1%、27.1%，围压对土体加载应力水平促进效应主要来自于侧向变形约束能力，降低了土体内部裂隙发生贯通的延续性。从变形特征来看，线弹性变形阶段各围压下保持一致，线弹性模量基本接近，3个围压下原状土的线弹性模量稳定在265.1 kPa，而在塑性变形扩容阶段，试样塑性变形发展态势亦保持一致，仅应力水平存在显著上差异，原状土在塑性变形扩容阶段应力应变保持稳定不变状态，而对于离子含量为30 g/L试验组，在塑性变形扩容阶段，3个围压试样的应力应变均为递增态势，变形模量亦保持一致，为12 kPa。综上分析表明，围压对掺金属离子土体的影响主要限于应力特征，具有正向促进效应，而对于土体变形特征影响较小，线弹性变形阶段无影响，塑性变形扩容阶段仅存在应力水平差异。

(a)原状土

4 土体三轴强度影响变化分析

为分析掺金属土体三轴强度与金属离子含量、围压关系，给出图4所示关系曲线。从图4中可知，相同金属离子含量组中围压与土体强度具有正相关关系，在离子含量为10 g/L试验组中，围压100 kPa下土体强度为423 kPa，而围压为200 kPa、400 kPa下土体强度相比前者增大了25.5%、55%，受围压侧向束缚力影响下土体强度增长显著；当离子含量增大至20 g/L后，3个围压之间强度幅度差异又为24.8%、54.8%，且在离子含量60 g/L组中，强度幅度差异基本与前两个离子含量组中接近，表明离子含量增大，并不影响围压对土体强度的影响幅度。而在相同围压试验条件下，金属离子含量20 g/L试样的强度最大，围压200 kPa下该含量下试样三轴强度为580 kPa，其中离子含量0～20 g/L区间内，强度递增态势，当离子含量增大10 g/L，三轴强度平均增长10.3%，而在20～60 g/L区间内，强度递减发展，离子含量增大20 g/L，强度平均损耗了10.2%，3个围压试验组中，金属离子含量与三轴强度关系均是如此。

图4 三轴强度与土体金属离子含量、围压关系示意

5 结语

1) 金属离子含量对土体应力应变影响具有阶段性特征，以离子含量20 g/L下加载应力为最大，含量超过20 g/L后土体应力水平为递减；土体呈“线弹性压缩变形-塑性硬化扩容变形”两阶段特征，金属离子含量愈大，愈迟缓进入塑性变形阶段，且线弹性变形能力受之抑制，离子含量为10 g/L、40 g/L、60 g/L试样的线弹性模量相比原状土下分别减少了32.4%、66.7%、74.8%。

2) 围压对土体力学特性影响主要限于应力特征，各围压试样在线弹性变形阶段均保持一致，各围压下原状土线弹性模量均为265.1 kPa，而在塑性变形阶段仅有应力水平差异，离子含量增大，可改变各围压试样在塑性变形阶段应力发展态势。

3) 离子含量增大，对各围压下土体强度幅度差异无显著影响，在各离子含量组中围压200 kPa、400 kPa下土体强度相比围压100 kPa下的幅度差异均为25.5%、55%；在离子含量0～20 g/L区间内，土体强度递增，含量增大10 g/L，强度平均增长10.3%，含量20～60 g/L区间内，强度递减，含量增大20 g/L，土体强度平均损耗10.2%。