冻融条件下水工建筑地基复合土力学特性分析研究

陈 晶，华 中

（淮安市淮河水利建设工程有限公司，江苏 涟水 223400）

1 引言

水工建筑建设过程中必须考虑地基承载力设计要求，当天然地基土体性能欠佳，势必需要对地基进行人工处理或土体改良，以确保地基土体性能良好，因而，研究人工改良复合土力学性质对水利设计具有重要指导意义[1,2]。但不可忽视，天然地基无法满足建筑要求，一些工程中经常采用复合地基，包括桩基础在内的多类型基础设计，提升地基承载力水平，为工程建设提供保障[3,4]。而对于人工改良土体的研究主要集中在室内试验与模拟仿真计算两种方法，利用精密室内土工仪器，设计开展土体力学性质以及渗透特性研究，为工程设计提供重要试验参数[5,6]。当然，也有包括陈玲[7]、黎柳坤[8]在内的许多专家与学者根据复合土颗粒流特性，设计采用颗粒流仿真计算手段，研究单轴压缩或三向荷载下土体力学性质变化，为探讨土体力学影响特性提供支持。本文设计开展复合土力学特征影响性分析，为工程建设及设计提供参数支持。

2 试验概况

2.1 工程背景

淮安地区拟建一抽水泵站水资源中转调度枢纽工程，该水工枢纽工程设计运营年限较长，目前，考虑工程场地上部结构安全性，特别是水闸及拦污栅设置有6根闸墩，对地基承载力要求较高，但根据现场原位测试数据表明，砂土无法满足水工建筑承载力要求。考虑此，对该水工建筑场地地基土体开展人工处理很有必要，工程设计部门根据对现场钻孔取样砂土分析得知，粒径超过4.75 mm的占比达60%以上，但保水性较差，含水量较低，根据土体改良方法设计采用化学纤维与土体搅拌混合，形成承载力较高、保水性好的人工复合地基土体。

2.2 试验介绍

本试验采用GDS非饱和土三轴试验系统开展力学试验，该试验系统由多个功能部分组成，如图1所示。测试力学传感器均在试验前完成精度测试、标定工作，确保测量试验误差不超过0.1%；采用的冻融试验箱完成冻、融温度为-20 ℃、20 ℃的循环试验。

图1 GDS非饱和土三轴试验系统

本试验主要分析冻融条件、化学纤维含量对复合土力学性质影响，并加以原装砂土为对比，获得各因素对复合土三轴力学性质影响规律。为此，笔者设定冻融次数分别为0、2、4、6、8、10、12次，设定纤维含量分别为1%、3%、5%、7%，围压设定为50 kPa、100 kPa，并设置有原状砂土对照组。

2.3 击实试验

试验前将原状砂土击碎搅拌，并分多次喷洒土体，后分多次添加相应的化学纤维，确保总加入的纤维含量是目标值，后继续喷洒水质混合料，搅拌均匀后放置恒温恒湿环境中养护24 h，完成制样。在进行三轴试验前对各纤维含量复合土体开展击实试验，获得复合土体击实特征参数与纤维含量关系，如图2所示。由击实试验两特征参数受纤维含量影响特征可知，最优含水量随纤维含量为先增后减，而最大干密度与之为负相关，以纤维含量3%时最优含水量最高，达8.4%，而纤维含量7%时最优含水量为前者的85.5%；纤维含量1%时最大干密度为2.006 g/cm3，而随纤维含量增长2%，最大干密度平均降低1.6%。

图2 复合土体击实特征参数与纤维含量关系

3 化学纤维对复合土力学特性影响

3.1 应力应变

根据不同化学纤维含量下复合土体三轴力学试验，获得两围压下纤维含量影响下复合土应力应变特征，如图3所示。从图中可知，两围压下复合土体应力应变阶段可分为“线性上升-稳步下降或稳定不变”两阶段特征，其中围压50 kPa下第二阶段为稳步下降，此与复合土脆性破坏导致的应力下跌有关，围压50 kPa下纤维含量3%试样峰值应力后应力下跌幅度为27.5%，而相同含量试样在围压100 kPa下峰值应力后仅有0.53%波动。从复合土应力水平受纤维含量影响可知，纤维含量愈高，则复合土体加载应力水平愈大，围压50 kPa下应变2%时纤维含量1%试样加载应力为29.2 kPa，而相同应变对应的纤维含量3%、7%试样加载应力相比前者分别增大了11.8%、68.2%，表明纤维成分的存在，对复合土承载应力具有提升效应。当围压为100 kPa时，前述相同应变下纤维含量3%、7%试样加载应力相比含量1%下乃是分别增大了14.5%、76.9%，即加载应力差异幅度增大。分析认为，当原状砂土与化学纤维混合后，纤维微细及流动性强的特点可在原状砂土内部颗粒骨架起着重要作用，一方面可填充骨架孔隙，降低复合土体孔隙率，另一方面纤维作为保水性与连接性强的人工合成材料，其可提升颗粒骨架整体粘结性与咬合度，进而表现复合土体加载应力水平较高。当围压增大，纤维含量在侧向应力作用下，对复合土内部孔隙的填充以及颗粒间的粘结、咬合，更具密实性，复合土体表现加载应力差异幅度亦愈大[9,10]。

图3 纤维含量影响下复合土应力应变特征

从变形特征来看，相同围压下复合土体线弹性模量表现相同，围压50 kPa下线弹性模量为16.5 kPa，而围压100 kPa下线弹性模量相比前者升高了12.5%，围压可改变试样线弹性变形能力，而纤维含量对试样线弹性变形阶段影响较小。

3.2 强度破坏特征

为分析复合土强度破坏特征受纤维含量影响，给出各纤维含量试样三轴抗压强度与纤维含量关系，如图4所示。根据强度变化特征可知，纤维含量与复合土三轴抗压强度为正相关，且两者呈线性函数关系，围压50 kPa下纤维含量增长2%，复合土三轴抗压强度平均可增大19.2%；而在围压100 kPa下时，该强度幅度为27.5%，即围压增大，强度受纤维含量促进幅度亦增长。

图4 试样三轴抗压强度与纤维含量关系

4 冻融循环对复合土力学特性影响

4.1 应力应变

根据对不同冻融次数下复合土体三轴力学数据处理，获得冻融循环影响下复合土体应力应变特征，如图5。从图中可看出，冻融循环对复合土承载应力影响具有阶段性变化，当循环次数在0～9次时，循环次数与复合土加载应力为负相关，在应变2%时循环3次、9次复合土体试样的加载应力相比循环0次下降低了18.5%、35.1%；当循环次数为9～15次时，加载应力水平随循环次数递增，应变2%时循环15次与9次试样加载应力相差40.5%。当纤维含量增大至7%时，在冻融9次后，加载应力间幅度差异愈显著，应变2%时循环3次、9次试样加载应力相比循环0次减小了23.2%、39.5%，说明纤维含量增大，可进一步提升冻融循环正向促进复合土强度作用。

图5 冻融循环影响下复合土体应力应变特征

线弹性变形阶段中冻融次数愈低的试样线弹性模量愈大，特别是无冻融下纤维含量3%试样线弹性模量达8.1 kPa，以冻融循环9次线弹性模量最低，其仅为前者的80%左右，而冻融15次试样线弹性模量相比9次时提升了35.1%。从峰值应变来看，各冻融循环试样的峰值应变基本接近，纤维含量5%试验组中峰值应变稳定在6%左右，而含量20%组中峰值应变又稳定在5.8%～6%，表明冻融循环对峰值应变影响较弱。

4.2 强度特征

为分析冻融循环对复合土强度特征影响，计算获得各复合土体三轴抗压强度变化特征，如图6所示。根据图中强度变化首先可看出，复合土强度与冻融次数具有二次函数关系，此拟合后关系式见图6，可用工程中初步估算土体承载强度指标。从复合土体抗压强度变化特征可知，在冻融0～9次内，冻融次数增多3次，则试样强度平均损失7.5%，反之在冻融9～15次内，试样强度可提升10.8%。当纤维含量增大至7%后，在冻融9次前、后区间内，试样强度分别平均损失13.8%与增大22.8%，幅度差异均高于纤维含量1%试验组中，表明纤维含量有加大试样强度受冻融次数影响效应的作用。

图6 复合土体三轴抗压强度变化特征

5 结论

（1）击实试验表明复合土最优含水量随纤维含量为先增后减变化，最大干密度随之为递减，随纤维含量增长2%，最大干密度平均降低1.6%。

（2）围压可提升复合土线弹性模量，两围压下线弹性模量差异12.5%，纤维含量愈高，复合土体强度愈大，且围压愈大，纤维含量对强度影响差异幅度愈显著，纤维含量增长2%，围压50 kPa、100 kPa下土体强度分别平均可增大19.2%、27.5%。

（3）冻融循环对复合土应力影响以冻融9次为阶段节点，在冻融0～9次与9～15次两区间内分别为负相关、正相关特征；冻融次数与复合土强度具有二次函数关系，冻融次数增多3次，纤维含量1%试验组中冻融9次前、后两区间内试样强度分别平均损失7.5%与增大10.8%，纤维含量增大，冻融循环对强度影响幅度差异愈大。