秦淮河河道堆积黏土体三轴剪切与土水特征试验研究

2021-09-07罗坤，顾冬，马力

水科学与工程技术 2021年4期

罗坤，顾冬，马力

（南京市水利规划设计院股份有限公司，南京 210000）

水利工程中岩土体材料的稳定性与工程设计安全性密切相关，在地基处理［1］、坝体堆筑［2］、河道整治［3］及防渗设计［4］等工程中均起着重要参数佐证作用，不可忽视基础物理力学参数在工程设计中的参考价值。戴健健等［5］、陈玲［6］、朱炳等［7］根据岩土体材料颗粒流计算理论，利用离散元仿真平台建立颗粒流计算模型，对模型开展压缩、拉伸、剪切等模拟试验，研究颗粒流模型在不同荷载条件下模型参数、试验条件等对力学稳定性影响，为工程设计提供重要依据。当然，在工程现场可以利用旁压试验［8］、触探［9］等方式完成原位试验，获得地基土体材料地基承载力及变形特征，预判工程场地级别及稳定性。室内试验精度较高，结果可靠性较好，贺登芳等［10］、张钟毓等［11］、冯延云等［12］利用室内力学加载设备完成了单轴压缩、三轴剪切、渗透试验等，获得了岩土体材料的力学特征与渗透特性，探讨了工程运营中岩土体材料的基本状态特征，推动工程设计水平。本文根据秦淮河河道整治工程中河坡堆积黏土体剪切力学与土水特征，设计开展三轴剪切与土水试验，分析黏土体试验结果，丰富工程对岩土体基本物理力学状态的认知成果。

1 试验概况

1.1 工程背景

为提升秦淮河河道输水能力，使之成为南京市区防洪排涝重要载体，拟对部分淤积河道进行整治疏浚，第一阶段河道整治全长为18km，该河段内泥沙含量较高，水文监测资料表明在部分河坡底部淤积有较严重泥沙，达9.5kg/m3，淤积厚度超过1.5m。秦淮河该区段内包括有定淮门桥、清凉门桥等重点通行桥梁设施，设置有10余座中小型水闸设施，目前考虑采用围堰法进行河道疏浚施工，整治工程包括有防洪堤坝改造、河道清淤、水闸泄洪能力提升等。改良后堤坝设置有防洪墙，堤顶加宽1～1.5m，高度增大2～2.5m，防洪标准提升至百年一遇洪水位，可承担较大水位的上游泄洪，堤坝底部对泥沙进行清淤，确保坝基坐落在基岩上，另对坝基设置有防渗垫层，确保整体防洪堤坝结构稳定与渗流稳定。水闸目前最大泄流能力达1050m3/s，平均过流量为485m3/s，所有水闸均以混凝土浇注形式，部分水闸底板厚度可达1.5m，且设置有承重墙结构；工程考虑对水闸上、下游进行改进提升，以液压式启闭机作为流量控制设施，且开度控制精确，水闸整体最大沉降控制在5～8mm，水闸目前主要问题乃是下游河坡堆积土体过厚，影响水闸满功率泄洪，造成泄流能力降低，上游水头压力较低，无法产生较大泄流水头差，故水闸整治的重点乃是下游河坡堆积土体的清理。为方便围岩导流施工，对河道边坡设置水工预制拼装式挡土墙结构，最大高度可达8.5m，具备箱涵结构，可完成土压力衬砌与河坡堆积土开挖过程中的支护，顶、底板厚度分别为1.8，1.2m，经室内模拟施工验算得知经水工挡土墙支护后土体最大沉降变形不超过10mm，渗透坡降稳定在0.2～0.25，但由于开挖后土体局部应力发生扰动，土体剪切变形及含水特征发生较大影响，对堰顶具有滑坡威胁。为保障工程围堰顺利施工及水闸下游泄洪能力提升，在工程施工前对河坡堆积土体进行三轴剪切与土水特征试验，基于试验结果对工程设计施工进行改进，提升河道整治工程设计水平。

1.2 试验介绍

本试验采用土体三轴剪切仪完成剪切试验，该试验系统包括有加载设备、数据采集处理系统及中控系统，如图1。加载设备中包括有垂直与围压加载，最大垂荷载可达50kN，精度可达0.001N，以液压程序式控制，而围压最大可达5MPa，可采用正、反向式体积压力控制方式，荷载压力波动幅度均不超过0.5%，满足稳定荷载试验要求。数据采集系统包括有外接设备与内置数据采集设备，各类数据采集间距可控制在0.5～30s，可获得试验样品全过程变形、荷载及细观裂纹扩展等特征，所使用的数据采集传感器在试验前均已进行误差补偿和标定，确保最大误差控制在试验允许范畴，其中LVDT传感器最大量程可达15mm，误差在0.3%RO。所有数据实时传回至中控系统进行后处理，可初步得到试样全过程全方位力学-变形演变特征，中控系统可完成包括荷载控制、试验终止等关键步骤，程序精确度较高，本试验中剪切变形速率控制在0.01mm/min。土水特征试验采用非饱和土压力板仪完成，可获得土体不同吸力状态下的含水率等参数变化，该试验仪器吸力量程为0.1～1500kPa，试验样品尺寸可控制直径在90～140mm，最大高度为150mm，数据采集误差不超过0.1%，该试验系统如图2。

图1 土体三轴剪切仪

图2 非饱和土压力板仪

对秦淮河河道河坡堆积黏土体现场取样，钻孔取样控制在间隔50m以上，经现场原位试验测试得知黏土体最优含水率16%，地基承载力在80～120kPa。为避免含水率对土体剪切力学影响特性，室内试验样品含水率均控制在16%左右，围压设定为100，200，300，400kPa，所有试样在室内精加工制成直径、高度分别为75，150mm［13，14］；土水特征试验设定土体基质吸力分别为20，40，60，80，100，140，180kPa，进而获得试样的水土变化特征，各组试样具体试验参数方案如表1。

表1 各组试样试验参数

2 土体三轴剪切试验结果

2.1 应力应变特征

根据对不同围压下土体三轴剪切试验数据进行处理，获得围压影响下土体剪切应力应变曲线，如图3。从图3可知，围压愈大，则试样峰值剪切应力愈大，即围压可促进黏土体抗剪切能力；在基质吸力180kPa试验组中，围压100kPa下黏土体试样峰值应力为505.36kPa，而围压为200，400kPa后黏土体峰值应力较前者分别增长了97.6%、1.98倍，从整体增幅可知，围压每增大100kPa，平均可促进试样峰值应力增幅47.9%；当基质吸力减小至20kPa后，虽整体加载应力水平不及前一基质吸力试验组，但围压效应依然显著，且围压促进峰值应力平均增幅为35.7%，表明基质吸力减小，围压对强度促进幅度有所减弱。笔者认为，当围压增大后，在三轴剪切试验中实质上为增强了侧向裂纹约束力，对纵向裂纹的扩展、延伸均具有抑制作用，使土体内部颗粒骨架孔隙的贯通无法顺利进行，表现在加载应力上即是峰值应力提高的现象；当基质吸力增大后，土体内部孔隙中含有较多水分子易被挤出，水分子所在的孔隙软弱结构面占比减小，因而整体加载应力水平有所增高，而围压对试样的强度促进效应受孔隙减少影响，幅度高于低基质吸力组。

图3 围压影响下土体剪切应力应变曲线

从各试样变形特征可看出，剪切过程可分为“线弹性增长-持续塑性变形”两阶段，部分试样由于围压较高，试样变形测量值超过量程，仅以最大应变15%为最终值；在围压100kPa下试样基本均出现了峰值应力与应力下跌阶段，当围压超过200kPa后，黏土体试样基本长期处于塑性变形阶段，应力硬化效应显著，表明土体三轴剪切应力下黏土体变形以塑性大变形为主，线弹性变形较少。基质吸力20kPa 试验组中围压100kPa 的线弹性模量为85.8kPa，而围压300，400kPa试样的线弹性模量较之增长了1.44倍、4.1倍，整体上线弹性模量均较小，但从围压影响线弹性模量可知，其与线弹性模量参数具有正相关。

2.2 抗剪参数特征

基于剪切试验获得抗剪应力随基质吸力变化特征，如图4。从图4可知，同一围压下，基质吸力愈大，则黏土体试样抗剪切能力愈强，围压200kPa下基质吸力20kPa试样的峰值抗剪切应力为596.1kPa，而基质吸力增大至60，180kPa较之分别增长了26.7%，67.5%，基质吸力增长20kPa，黏土体试样峰值剪切应力增幅达10.4%。围压增大后，基质吸力对峰值剪切应力促进效应有所增强，围压300，400kPa下平均增幅分别达11.3%，13.6%，表明控制基质吸力，可提升黏土体试样抗剪切性能。

图4 峰值抗剪应力与基质吸力关系

由三轴剪切试验可获得黏土体试样抗剪特征参数，图5为两抗剪特征参数随基质吸力变化关系。从图5可知，黏聚力随基质吸力递增，两者具有二次函数关系，基质吸力20kPa下的黏聚力为16.5kPa，而在基质吸力100kPa前，黏聚力平均增幅可达52.2%，而在基质吸力100～180kPa内，黏聚力增幅仅11.6%，表明黏聚力随基质吸力增长效应在100kPa后逐步减弱。内摩擦角随基质吸力变化幅度较小，基质吸力180kPa下内摩擦角较之吸力20，40kPa下分别增长了12.7%，9.8%，各基质吸力试验组中内摩擦角分布为26.8°～30.2°，表明内摩擦角受基质吸力影响敏感程度不及黏聚力。

图5 抗剪特征参数随基质吸力变化关系

3 土体土水特征试验结果

根据土水特征试验获得不同围压下土水特征曲线，如图6。从图中可看出，随基质吸力增大，黏土体试样含水率递减，围压100kPa下，基质吸力20kPa时试样含水率为0.313，而基质吸力60，100，180kPa下含水率较前者分别为0283，0.183，0146，从整体含水率降幅可知，基质吸力增长20kPa，黏土体试样含水率平均下降12.4%。分析认为，黏土体试样内部孔隙乃是随基质吸力增大的过程中而被逐渐打开，内部所含孔隙水排出，进而呈现基质吸力与含水率为负相关特征［15，16］。从基质吸力影响黏黏土含水率变化可知，在基质吸力20，40kPa下试样含水率处于不变状态，此现象在3个特征围压下均为一致，围压300kPa下含水率稳定在0.396，含水率的下降趋势在基质吸力超过40kPa后才具显著，表明基质吸力对黏土体含水率影响只有超过一定界限后才具显著。笔者认为，黏土类土体内部孔隙的打开乃是必须达到一定节点的基质吸力后，才可出现孔隙水排出，当低于该节点后，基质吸力对闭合孔隙的影响较低，孔隙水排出难度较大，故含水率变化较小。当围压增大为300，400kPa后，基质吸力与含水率变化关系基本一致，且吸力每增长20kPa，黏土体试样含水率分别平均下降6.8%，4.6%。相比围压100kPa 下，围压300，400kPa下体积含水率均高于前者，相同吸力80kPa下，试样在围压100kPa体积含水率为0.21，而围压300，400kPa下含水率比前者高了56%，107.1%，整体上看，围压400kPa下各基质吸力时的含水率分布在0.276～0.487，即围压愈大，黏土体试样内部含水率愈多，基质吸力对含水率影响愈小。分析表明，从力的作用方向来看，吸力与围压为反方向，当围压愈大，此时基质吸力会受限于围压约束影响，内部孔隙的打开受较强围压约束作用，无法较易排出孔隙水，形成试样内部含水率较高的现象。