岸坡土体物化改性下干湿、冻融交替力学试验研究

2022-02-16朱伟崇张秀如

水科学与工程技术 2022年6期

朱伟崇，张秀如

（1.广东伟胜环境工程有限公司，广东佛山 528308；2.广东金松建设集团股份有限公司，广东佛山 528308）

1 试验概况

1.1 试验背景

作为佛山地区重要防洪工程，佛山东平河联圩工程乃是地区内重要控水、排涝的综合性水利枢纽，其建设长度从佛山市北江辖段直至东平河出流段，控制流域面积超500km2，干堤总长超30km，亦是佛山、中山地区中顺大围的重要组成部分。中顺大围枢纽工程始建于20 世纪50 年代，干堤总长度超过120km，包括有小榄围、均安围等小型联圩工程，从佛山均安镇金沙滩至中山市东河水闸沿线，其堤防主体为佛山东平河联圩工程，干堤顶最高处为8.5m，设计桩号为K0+0.000～K48+630，堤防高程分布为3.5～8.5m，最高处位于东河水闸所在堤段，迎、背水侧坡度分别为1/3、1/2.25，堤面宽度经过一、二期联圩工程加固后，目前可通行两车道，宽度约6～7m。根据对东平河联圩工程所在堤段分析得知，该地区堤防工程采用分层堆筑形式，堆筑料以砂土、粉土为主，该联圩工程K6+355处北侧堤防剖面示意图如图1，该堤段堤防由于位于城区，因而其堤顶进行了粉质砂土加筑，加高后堤顶高程6.2m，堆筑料中沉降变形较大属粉土与细砾石，且细砾石含水率较高，渗透系数较大。在中顺大围联圩工程中，堤防的安全稳定性决定了防洪、排涝能力，但同时也对各联圩枢纽水利设施产生影响，在东河水闸处，其最大过闸流量为900m3/s，设计闸室内、外侧水位分别为0.5、2.97m，具有六孔泄流设计，总净宽为25m，是东平河堤防排涝的重要水利设施。但在实际运营中，如2020年夏季台风灾害中，东河水闸无法有效排涝，闸内、外侧水位均处于满负荷状态，通流量仅为设计值的23%，造成了堤防迎水侧水位不稳定性。根据运营分析，东河水闸所在堤段出现岸坡滑移风险，有限元模拟获得了该堤段滑坡面分布，如图2，最大滑移面长度达20m，分布范围占下游背水侧65%，分析失稳发生的内因，为岸坡内粉土在活跃渗流状况下承载骨架受损，影响该堤段内东河水闸运营状态，导致防洪排涝受限。为此，联圩工程管理部门针对东平河联圩工程重点堤段的粉土进行改性治理，提升堤防运营安全。

图1 K6+355处北侧堤防剖面

图2 堤段滑坡面分布

1.2 试验介绍

为确保东平河联圩工程堤防岸坡改性土良好稳定性，考虑采用物化改良方法，在各个重点堤段进行物化剂注浆，确保改性土承载提升。本文基于此，设计了石灰、类米浆剂两种物化改性剂，分别针对此两种改性剂的改良效果开展力学试验研究。本试验采用GE0-TAC三轴加载试验装置进行。该实验装置配置有中控系统、加载装置及数据采集处理装置，其中加载装置内配置有100kN的力学传感器，测量波幅不超过1%，加载台可满足三轴不同类型剪切试验；数据采集装置配置有8通道的LVDT与应变片两种测量方式，LVDT量程为-20～20mm，本文应变分析采用LVDT数据，以应变片数据作为辅助参考作用。另一方面，从实际堤防运营工程环境考虑，所有堤段岸坡土体需考虑水位升降带来的干湿交替作用，而地区内冬季气温虽未跌破零度，但不可忽视气温升降过程中产生的冻融交替作用。因而，两种改性土均需开展冻融、干湿两种物理耦合作用下的三轴剪切力学试验。

根据对东平河联圩工程地勘分析，其塑性指数表明，堤段粉土与K6+355处北侧堤防土性一致，本试验中以该桩号堤段粉土为研究对象，所有试验样品均取自该堤段同一剖面。在室内经过重塑后，所有改性剂配置掺量均统一为4%，重塑后土体加工制成含水率为16%～17%的试样，采用环刀法制备改性土［1，2］。

各品种改性土均需完成相应的干湿、冻融交替物理实验，干湿过程采用半浸水方式，只留试样顶、底部接触水体，放置在饱和真空仪中完成24h浸水，后取出在自然风干状态焖封12h，完成干燥。冻融交替借助低温冷冻箱开展冻结试验，样品在低温-15℃下12h完成冻结，后在常温下完成融化，此为1次交替。本试验中两种物理作用分别设定有相应的交替次数，其中干湿作用设定有0～5次，方案递增阶次为1次，冻融交替方案设定为0～10次，阶次为2次。试验围压设定为50，100，150，200kPa，在两种物化剂改性土的基础上增设一组原状粉土对照组，试验方案各组参数如表1。基于上述不同类型改性土的物理耦合作用的三轴力学试验，探讨最适配堤防岸坡土体的改性剂，为堤防加固提供依据。

表1 试验因素

2 物理作用下改性土力学特征

2.1 干湿交替

基于改性土力学试验数据处理，获得了干湿物理作用下改性土的力学影响变化特性，如图3。从图中可知，任意干湿交替方案中，两种改性土承载能力均高于原状土，在干湿交替1次方案下，石灰改性土（A类）、类米浆剂改性土（B类）抗剪强度分别为948.9，731.8kPa，而原状土在该干湿方案下强度较前两者分别减少了40.9%、23.4%，当干湿方案为4次时，原状土与两改性土试样间强度差幅达45.6%、28.5%；分析表明，干湿作用增强后，改性土提升承载效果更显著，原状土受干湿物理损伤作用，强度损耗较严重，而改性土通过改性剂与粉土颗粒的物化作用，强化了颗粒骨架稳定性，在干湿作用下具有更强的抗损伤能力。但不可忽视，随着干湿交替增多，两改性土承载应力水平均有损耗，如A类试样在无干湿作用时应变4%下承载偏应力为920.5kPa，而交替增长至1，4，5次后，相应的偏应力较之分别减少了12.9%，52.5%，71.8%；从抗剪强度对比来看亦可知，在无干湿作用下B类改性土强度为803.3kPa，而随交替方案每阶次1次增长，则其强度平均损耗12.1%，同理在A类试样中强度随交替阶次方案的损耗幅度为8.6%，而原状土更甚者，其在干湿作用下，每阶次导致强度减少了14.3%。由此说明，原状土受干湿作用影响敏感度最高，而两种改性土抗干湿损伤效应较强，在干湿工程环境下更为适配［2］。

图3 干湿作用下改良土应力应变特征

分析改性土变形特征可知，无干湿作用下试样峰值应变更低，而干湿作用愈强，试样延性变形能力增强，应变增大，B类试样无干湿作用下峰值应变为6.2%，而交替4，5次下峰值应变分别增大至7.4%，7.9%。不论是原状土亦或是改性土，其弹性模量与交替次数均为负相关关系，原状土交替0次时弹性模量为134.2kPa，而交替1次、5次方案下模量值较之分别减少了19.8%，66.1%，其他两种改性土亦是如此。对比改性土与原状土间变形特征差异可知，在相同交替次数下峰值应变基本接近，特别是干湿作用较弱时，在无干湿作用下原状土与A类试样的峰值应变分别为6.7%，6.6%；分析认为，改性剂的存在，在低干湿物理损伤作用下［3］，对土体试样变形影响较弱，而在干湿损伤作用较强时，改性剂对土体变形影响差异才更显著。

2.2 冻融交替

图4为冻融物理作用下的改性土力学试验特征。从图中可知，冻融作用对改性土承载能力亦是损伤效应，在无冻融下A类试样抗剪强度为890.6kPa，而随冻融方案每阶次增大2次，则其强度平均降低10.6%；B类试样与原状土试样亦是如此，抗剪强度分别具有损耗13.8%，15.6%。对比两种改性土与原状土试样间强度损耗可知，B类改性土受干湿影响降幅接近原状土，而A类改性土抗冻融损伤能力最强［4］。对比相同冻融交替方案下承载应力也可知，在交替2次方案下应变5%时原状土、B类改性土偏应力分别为360.3，504.2kPa，而A类改性土较之分别增大了1.26倍、61.7%，在各冻融交替方案中，较之B类试样、原状土，A 类试样强度较之增幅分别为1.11～1.46 倍、51.6%～68.4%。分析认为，在冻融作用下，B类改性土掺加的改性剂作为一种近液态材料，在冻融作用下，更易造成土颗粒骨架内部孔隙的胀大破坏，影响试样承载稳定性，故该试样受冻融作用影响敏感度更高。

图4 冻融作用下改良土应力应变特征

观察改性土应变特征可知，当冻融交替次数愈高时，试样均趋于延性变形特征，峰值应力后降幅较低，A、B 类试样在交替10 次方案下降幅分别为12.6%，18.5%，而原状土在各冻融方案中峰值应力后均有较长阶段的延性变形，表明改性剂的存在，会改变土体试样脆延性变形特征。

3 物理作用下改性土抗剪强度特征

两种物理作用下改性土抗剪特性均有所差异，在抗剪强度特征参数的体现上更为显著，由于两抗剪特征参数影响变化具有一致性，因而本文分别给出干湿作用下黏聚力参数与冻融作用下内摩擦角参数变化特征，如图5。

图5 抗剪特征参数受掺量影响变化

从图中可知，干湿、冻融作用与抗剪特征参数均为负相关关系，A类改性土在干湿0次时黏聚力为47.6kPa，而交替阶次每增长1次时，该类型试样的黏聚力平均减少1.9%，同样B类、原状土也会分别减少4.7%、9.2%；A类试样黏聚力不仅受影响敏感度最低，其黏聚力水平也是3种试样中最高［5］，在交替2次下B类、原状土试样的黏聚力较之A类试样减少了11.8%，26.1%，特别是在干湿交替次数愈高的方案中，差距更为显著。相比黏聚力参数，在冻融作用下内摩擦角参数影响降幅较小，在冻融每2阶次下，A、B类试样与改性土试样内摩擦角参数分别平均减少了1.5%，2.6%，4.5%，特别是在冻融4，5次后，A、B类试样内摩擦角参数降幅较小，分别仅为0.6%，1.1%。分析表明，在高冻融交替方案中，A、B类试样内摩擦角参数受影响敏感度降低。