东鱼河道堤防粉质壤土蠕变力学特性试验研究

2024-02-01何昭宽

海河水利 2024年1期

何昭宽

（水发技术集团有限公司，山东济宁 272000）

蠕变是各类工程中岩土体材料常会出现的力学问题，研究蠕变力学特性有助于推动对岩土体蠕变特征的认知[1，2]，对各类工程的耐久性、承载稳定性研究均具有参考意义。岩土体材料的蠕变力学特征与自身矿物成分、含水量以及工程环境等密切相关[3，4]，改变相关因素势必会对材料蠕变力学特性产生影响。王立壮[5]、曾寅等[6]为研究盐岩、砂岩等岩石类材料蠕变力学特性，设计开展了长持时的恒定单荷载蠕变试验，甚至进行了长达1 a 的蠕变进程，分析了各阶段蠕变特性，为实际相关岩石工程应用提供了基础依据。胡惠华等[7]、蒋成等[8]从理论模型的建立入手，分析蠕变加速阶段出现的节点，探讨相关蠕变模型在各类岩土体材料中的应用，为工程蠕变失稳预警提供理论支撑。针对岩土体蠕变特性，张俊文等[9]、宁行乐等[10]通过分级加载等蠕变试验方法，从试验结果探讨了试样蠕变进程，并构建起与之相匹配的蠕变本构模型，从数学方法角度评价蠕变力学演化特征。本文为研究东鱼河道堤防粉质壤土的蠕变力学影响特性，设计开展了含水率、压实度以及改性剂掺量等影响下的试验研究，丰富了实际工程建设参考成果。

1 蠕变试验介绍

1.1 工程概况

东鱼河为山东省西部最大人工河流，是山东引黄灌溉的重要河道，通流后是淮河流域微山湖重要供水通道，全长超过174 km，多个支流与之交汇，地表径流量较为活跃，承担起济宁、菏泽等市农业生产用水任务，据估算东鱼河干流及各支流年均可供农业用水超过1 500 万m3，极大缓解了鲁西南地区用水紧张问题。东鱼河水系内支流有胜利河、新冲小河、惠河、东沟、南渠河等，其中流域面积在1 000 km2以上的有3 条、超过300 km2的近10 条。由此可见，东鱼河乃是地区重要地表输水通道以及蓄供水枢纽，其流域内水系分布如图1 所示。根据水文调查得知，东鱼河设计防洪水位最大为55.2 m，沿线设置有多个水利枢纽工程。如，成武水利节制闸，控制着东鱼河北支河与干流的交汇，对上游菏泽地区过量的挟沙水流进行排沙、降沙。根据调查得知，目前成武闸枢纽改造成闸泵站一体式系统，具有排涝、防洪以及泄流水位调节作用，设计最大排涝流量可达200 m3/s，防洪流量为182 m3/s。但由于运营年限以及北支河夹沙水流影响，在东鱼河济宁段形成了较严重的堤防冲刷，部分堤防岸坡坡面冲蚀厚度超过8 cm，与原护坡厚度相比下降了42.5%，部分河段坡脚处空蚀严重，监测部分区段坡面流速超过2.5 m/s，对岸坡稳定性挑战较大。同时，根据成武泵闸枢纽运营数据得知，济宁段东鱼河道泥沙淤积更为严重，部分沉沙、排沙设施出现“罢工”，在无人工干预情况下，河道泥沙淤积厚度将以每年0.35 m速度递增，这将会进一步加剧岸坡失稳。根据济宁“十四五”水利事业规划，针对性解决河道堤防滑移问题是重中之重，需对东鱼河部分河道堤防进行加固，满足城区防洪排涝需求。为此，工程部门以济宁东鱼河道肖云大桥—张小楼村为示范治理区段，河道直线距离全长3.6 km，两侧堤防均以粉质壤土为堆筑层，经夯实后逐层压实形成长达5.2 km 的河道堤防。作为河道治理区段内重要岩土体，粉质壤土的工程力学特性对堤防加固设计很有参考价值。为此，本文以桩号3+235段岸坡粉质壤土为研究对象，开展粉质壤土的蠕变力学试验研究，壤土所在岸坡立面如图2所示。

图1 东鱼河流域内水系分布

图2 桩号3+235段岸坡立面

1.2 试验方法

河道堤防岸坡中粉质壤土的变形实质上是一个长期过程，传统室内力学试验仅能描述出土体瞬时荷载下强度变形破坏特征，而对土体变形的时间效应无法准确描述[6]。蠕变表征了岩土体等材料在恒定荷载下位移随时间变化的一种力学关系，土体蠕变特征的研究有助于衡量土体工程力学特性。本文采用土体侧向力学试验仪开展蠕变力学试验，该试验设备如图3 所示，具有多通道传输、强稳定性、低振频、高精度特点，所配备的试验数据采集仪可实现24 h 全过程数据采集，并通过6～8 个通道数据进行位移、荷载等参数校验。该试验系统轴向荷载最大可达200 kN，位移数据监测包括有机器自配位移感应系统和LVDT 数据装置，后者传感器量程为-20～20 mm，蠕变数据采集间隔为2 s。开始试验前，所有装置均需完成误差清零和标定，确保试样间不存在机器误差，且所有数据需实时传输至中控系统，实现试验过程可视化与可变性。由于蠕变试验历时长，因而所有数据传感器需在48～72 h 内不能有超过0.01 Hz 波频，且试验设备配置有停电保护系统，可避免其他试验无关因素对试验结果的影响。

图3 蠕变试验设备

从桩号3+235 段岸坡内多个孔段钻取土样，获得含水率、孔隙率各有差异的粉质壤土。根据物理力学参数测量可知，该岸坡内壤土含水率分布为12%～20%，孔隙率受填筑料压实度影响，分布有压实度为0.75～0.95 的粉质壤土，相应孔隙率分布为5%～25%。经钻孔取样后，在实验室开展试样加工处理，按照原状壤土与重塑壤土分别制作试样，原状壤土试样直接通过环刀法取样，获得径高分别为50、100 mm 试样。重塑壤土试样需经过颗粒过筛，与相应掺量的地聚物拌合后，并采用喷洒水分方式达到试样目标含水率，而试样压实度通过压样器制备获得。经环刀法取样后的试样需在恒温恒湿环境下养护24 h，重塑壤土过筛、制样过程如图4所示。不论是原状壤土或重塑壤土试样，每个目标含水率、相应掺量的地聚物以及压实度试样至少制备5～6个试样。

图4 壤土重塑、制样过程

根据粉质壤土蠕变力学试验目的，设置有含水率、压实度以及地聚物掺量3个不同类型的试验组。按照岸坡内含水率分布，含水率试验组设定有12%、16%、20%各5 组试样；压实度按照压样器制作条件与工程实际，设定有0.75、0.8、0.85、0.9、0.95；另为研究粉质壤土物化改良下效果，在确保地聚物改性剂掺量不超过3%的前提下，设定掺量为0（原状壤土）、0.5%、0.75%、1%、1.25%、1.5%。各组试验设计参数，详见表1。

表1 试验参数

在考虑粉质壤土抗压强度的前提下，蠕变荷载梯级分别为100、200、300、500、800、1 200 kPa[1，11]。基于粉质壤土蠕变力学试验，探讨土体工程蠕变力学特征。

2 粉质壤土蠕变力学特征

2.1 含水率影响

基于不同含水率下粉质壤土分级加载蠕变试验，获得蠕变曲线，如图5所示。

图5 不同含水率下试样蠕变特征

分析各含水率下粉质壤土蠕变特征可知，不论含水率水平高低，在各级荷载施加下的蠕变过程均呈“倒L”特征，即在荷载施加初期具有变形递增期，后变形速率减小，变形趋稳定。当试样含水率一致时，施加荷载愈大则试样蠕变应变愈大，如含水率12%试样在荷载100 kPa 下蠕变应变稳定在0.016，而荷载200、500 kPa 下蠕变应变分别稳定在0.029、0.087。不仅如此，在试样含水率一致下，蠕变荷载愈大，各级荷载蠕变初期变形递增段时间愈长，在含水率16%试样中荷载100 kPa 下达到蠕变初期递增时间为7 h，而荷载200、800 kPa 下递增时间分别为12、32 h。分析表明，施加荷载愈高，试样颗粒骨架受荷载压缩作用发生滑移的倾向性愈大，颗粒间产生的松动更明显，因而蠕变应变愈高；同时，荷载愈大，会导致试样内部颗粒骨架重新达到应力平衡所需时间也更长。比较不同含水率下蠕变特征可知，试样含水率愈高则蠕变应变愈大，在荷载300 kPa 下，含水率12%、16%、20%下3 个试样的蠕变稳定段应变分别为0.052、0.059、0.065，即粉质壤土颗粒含水愈多则试样内部颗粒骨架孔隙愈多，在分级蠕变荷载下试样颗粒骨架滑动位移愈大，宏观上表现蠕变应变值愈高[12，13]。

2.2 压实度影响

基于不同压实度组蠕变试验，获得了粉质壤土压实度影响下的蠕变特征，如图6所示。依据图6蠕变应变可知，压实度愈大总体上蠕变应变愈小，在蠕变荷载100 kPa 时压实度0.75 试样蠕变稳定段应变为0.02，而压实度0.85、0.95 时稳定蠕变应变分别为0.015、0.013，当压实度每增大0.05，则试样蠕变应变平均可下降10.1%。当蠕变荷载分别增大至200、500 kPa后，试样蠕变应变随压实度变化引起的平均降幅分别为8.5%、6.2%。由此可知，试样压实度增大，不仅可以降低蠕变变形量，同时愈大的蠕变荷载对其蠕变应变影响也会减弱。对比蠕变初期变形速率减小阶段可知，压实度0.75 试样在蠕变荷载100 kPa 下蠕变速率为0.002 h-1，而变形递增时间为13 h；压实度0.85、0.95 下相应的蠕变速率分别为0.001 4、0.001 h-1，而蠕变初期递增时间分别为8、3 h，即压实度愈大蠕变初期递增段有所缩短，且蠕变速率降低。分析认为，当粉质壤土压实度提高时，则试样内部颗粒骨架密实性得到加强，整体承载能力以及抗荷载损伤能力均得到提高[3，14]，在分级蠕变荷载下，试样的蠕变应变、蠕变速率以及递增时间均会减小。

3 改性粉质壤土蠕变力学特征

通过掺加地聚物改性剂改良粉质壤土力学特征，获得改性粉质壤土蠕变特征，如图7所示。从图7 蠕变曲线可知，总体上蠕变曲线与前文分析一致，均呈“倒L”形，即改性剂掺量不影响粉质壤土的蠕变曲线变化特征。但从蠕变应变特征对比来看，改性剂掺量愈多，总体上粉质壤土的蠕变应变愈小，当荷载为第一级100 kPa，改性剂掺量0.5%的试样蠕变应变为0.02，而递增段蠕变速率、初期蠕变递增时间分别为0.002 2 h-1、13 h，当改性剂掺量增大至1%、1.5%后，蠕变应变分别减小至0.015 5、0.014，蠕变速率也分别降低至0.001 6、0.001 2 h-1，而初期递增时间分别为7、4 h。分析表明，改性剂成分的存在有助于试样内部颗粒骨架的整体稳定性，有助于提高粉质壤土抗恒定荷载蠕变损伤作用。但从总体来看，实质上改性剂掺量对蠕变曲线的影响逐渐减弱，掺量0.5%降至1%时试样蠕变应变平均降低了12.2%，蠕变时间分别为13、9、7 h，而掺量1.25%～1.5%时试样蠕变应变平均降幅为4.3%，较之前一掺量阶段影响效应显著减弱。目前认为，改性剂成分的存在应在合理区间，粉质壤土试样内部能够与改性剂结合的成分终究是有限的，控制改性剂掺量有助于提高粉质壤土的整体承载稳定性[15，16]，同时有利于节约工程成本。