洪渡河堤防工程粉质砂土循环加卸动荷载下动力特性研究

张秀英

(贵州省桐梓县燎原镇水务站，贵州 遵义 563200)

1 概 述

水利工程设计离不开对土体力学特性的认知，而土体力学特性又包括了静力学与动力学特性[1-2]，仅开展土静力学研究，无法满足工程实际需要，因此，探讨土动力学特性，对提高水工结构抗动力破坏能力具有较强的实际意义。顾浩宇等[3]、王然等[4]利用室内试验仪器设备，开展了静力学下的土体力学破坏研究，并对强度、变形等力学特征进行宏观分析，初步获得了土体宏观静力学特性与物理环境、掺量等因素的关联性。舒荣军等[5]、胡再强等[6]为探讨土动力学特性，设计开展了不同频率下土动荷载破坏试验，并对土体动力学特性、应力应变进行对比分析，对研究土动力学特性发展规律具有参照意义。针对原状土与改性土动力学特性，郭竟语等[7]、刘奇等[8]设计开展了循环动荷载下的土动力试验，并对土体的孔压特征、应力应变，乃至土动力特征参数进行了全面分析，揭示了土动力学特性影响变化。本文依托洪渡河堤防工程粉质砂土动荷载试验研究，进行了改性粉质砂土的动力学特性影响研究，旨在为工程建设提供设计依据。

2 工程概况

洪渡河是黔北地区重要的地表河流，全长为205km，控制流域面积超过3700km2，洪渡河有10余条支流，流经遵义多个县区，同时也是乌江上游重要水资源供应来源。根据对洪渡河沿线区域的调查，其河段流域区80%以上均位于山高密林地带，河流动水势能较高，监测到的流速最大可为3.2m/s，因此洪渡河上游适合建设水电站，为遵义地区发展提供清洁能源。在洪渡河上游已开发建设有3A级旅游景区，重点发展漂流、人文景观等，水利经济价值逐年提升。但不可忽视的是，洪渡河在遵义地区内的长度接近120km，涉及务川县、凤冈县、沿河县等，在部分河段内堤防水土流失较为严重，极易引起堤防失稳，特别是在务川县K8+530处，水土流失率高达52.8%，遵义段洪渡河中度水土流失面积为195.2km2，部分河段堤防坡脚已出现临空等现象，每年监测水土流失量接近343.9t。不难看出，洪渡河的开发利用复杂性显著，如何有效控制洪渡河堤防水土流失、堤防失稳等问题，是遵义城区防洪的关键。为此，水利部门调查了洪渡河在遵义城区的流态、流速以及沿线堤防设计特征，划定了遵义市洪渡河整治河段，项目区总面积为5.2hm2，其中堤防分布面积占比为65.5%，大多为中度水土流失，预计开挖土石方16.5万m3，工程引起水土流失量为205.6t。堤防整治采用格宾石笼、生态护坡结合的方式，在迎水坡1/1.5～1/2.5的河段内，浆砌石护底，混凝土坡面防冲刷，确保河段安全稳定。经河道堤防整治后，堤防迎水面防冲刷、固土防水效果比较显著。在多轮次设计方案验证时，发现堤防土层的粉质砂土常常出现渗水现象，且流动性明显，尤以较大洪峰过境时较为突出，因此，在加固堤防的同时，确保堤防粉质砂土抗液化、抗动力破坏能力不丧失也是重点。为此，堤防设计方案研究团队专门针对粉质砂土动力荷载下的动力学特性演变进行试验研究(见图1)。

图1 堤防K9+120处整治前、后堤防迎水面特征

3 试验设计

为确保试验研究结果的可靠性，在洪渡河遵义段整治工程K8+620处进行钻孔取样，测试表明，土样粒径0.25～0.075mm含量占比为24.5%，占比最多的为0.075～0.005mm颗粒(见图2)，级配参数计算表明级配不良，整体松散性较高，含水率为7.5%～8.2%，本次共钻6孔进行取样，土样平均含水率为7.75%，含水率整体差异性不大。土样经物化测试表明，液限为0.275，塑性指数为0.17，易溶性物测试结果为，有机物含量0.72mg/kg，易溶盐电导率105μS/cm，盐渍化较明显。试验前，六个钻孔的试样均需在室内实验室完成重塑制样，参照含水率7.75%制备，用环刀法进行制样打磨，由于洪渡河堤防工程加固设计时考虑了生态护坡，因此，试验中重塑土样加入有不同掺量的固化剂，该类型固化剂为有机物纤维物，在土样重塑、碾碎状态下混合制备，所制备的试样含水率差异不超过0.5%，试样制成后，依次进行烘干、密封、恒温恒湿养护等，制备的试样见图3，直径、高度分别为5cm、10cm。在正式进行动荷载试验前，均需在真空饱和箱内完成抽气饱和，同时土样加载前也需完成二次反压，确保加载平台上试样达到固结。

图2 土样颗粒级配曲线

图3 制备试样

为研究粉质砂土的动力学特性，设计以循环加卸载方式开展动力破坏试验，并监测土样破坏过程中动力特征参数的演变规律。GDS动荷载试验设备(见图4)可实现不同频率、不同动应力比、不同路径下动荷载试验，动荷载频率可设定为0.1～5Hz，荷载量程最大为50kN，该仪器设备具有反压饱和控制器，可在试验前完成土样固结测试。试验设备配置有数据采集模块、控制模块、加载模块等五个单元模块，各模块操作均集成于中控系统，确保土样动荷载试验过程可控、可测、可视。粉质砂土加载过程采用变形控制方式，速率为0.015mm/min，卸载过程同样也采用变形控制，速率为0.01mm/min。与传统静力三轴试验不同，土体动荷载试验中，其轴向应力、围压作用方向有所差异性，图4(b)所示为土样在动荷载条件下围压、轴向荷载的作用特征，其中轴向荷载满足正弦函数关系，频率为0.25Hz，土样45°斜面上剪切荷载形成的剪切角度为σ0+σd/2，其中σd为动荷载初始值，动应力比CSR设定为0.14[9]，本文试验监测也是围绕土样破坏过程中孔压、动力特征参数进行分析。

图4 动三轴试验设计

洪渡河堤防工程粉质砂土的动荷载试验中考虑了改性固化剂的影响，其掺量设定为0%(原状粉质砂土)、0.5%、1%、1.5%、2%，围压按照50kPa、80kPa、120kPa、170kPa设定(见表1)，基于不同组试样动荷载试验结果分析，探讨粉质砂土的动力特性，以作为堤防土体整治、加固设计的参照。

表1 各组试样试验参数

4 粉质砂土试样孔压发展特征

根据不同围压、不同改性固化剂掺量下试样循环加卸动荷载试验，经试验数据处理，获得了土样在各循环振次下孔压发展特征(见图5)。由图5可知，在不同固化剂掺量下，同围压组中粉质砂土试样的孔压变化呈现一致性，固化剂掺量不会直接改变同组围压下孔压演变历程。在50kPa围压下，各掺量土样孔压均呈“缓增—陡增—缓增”的变化态势，对应的循环振次节点基本接近，孔压第一阶段缓增终止于循环振次4次，而第三阶段缓增起始于振次38次。当围压增大至120kPa、170kPa后，同组围压下土样孔压发展曲线具有差异性，在120kPa围压下，孔压呈“缓增—快增—陡增”变化特征，其中在循环振次295次后，孔压上升曲线在各围压中具有最高增幅；在170kPa围压下，孔压变化具有降低段，位于循环振次573次后，且在循环振次9500次处，各掺量土样孔压值较为接近，即围压增大到一定幅值后，土样的大变形会导致土样内部结构发生失衡性变化，导致孔压出现“泄压”现象。综合分析来看，固化剂掺量不会从根本上改变土样内部颗粒结构，对土样孔压变化趋势影响较弱，而围压是直接改变土样内部颗粒结构状态的主要因素[10]，不同围压下土样孔压具有鲜明差异性。

图5 试样孔压演变特征

同一围压下，固化剂掺量愈多，土样孔压愈低，50kPa围压下，原状粉质砂土试样循环振次12～25次下，孔压分布于14.5～30.4kPa，而掺量为0.5%、1%、2%的三个试样孔压较之前者分别减少了17.5%、36.2%、70.6%；当围压增大至80kPa、170kPa后，掺量对试样孔压水平的影响减弱，80kPa围压下，掺量0.5%与2%的试样在循环振次82～134次下，彼此之间孔压平均差为5.6kPa，差幅为56.5%，而170kPa围压下为30.8%。当围压增大时，土样孔压同样会减小，围压作用不仅会限制固化剂掺量对土样孔压的影响，同样也会束缚土样内部孔压水平的发展。

5 粉质砂土试样动荷载下动力特征参数演变

循环加卸动荷载条件下，粉质砂土试样动力特性演变直接关乎着土样抗动力破坏能力，因此，本文引入动弹性模量、阻尼比两动力特征参数进行动力特性分析。动弹性模量、阻尼比定义及计算式如下[11]：

(1)

式中Ed——动弹性模量，Pa；

σd——动应力，Pa；

εd——应变；

σmax、σmin——一个加载周期内的最大、最小应力值，Pa；

εmax、εmin——一个加载周期内的最大、最小应变值。

(2)

式中λd——阻尼比；

ΔQ——一个加卸载周期内的能量损耗，J；

Q——荷载总能量，J；

A——一个加卸载应力闭环构成的图形面积；

A′——应力、应变曲线第一象限内的闭环图形面积。

5.1 动弹性模量

对各围压组下不同掺量试样计算动弹性模量，获得了土样动弹性模量随应变发展的变化特征(见图6)。由图6可知，同一围压下，不同掺量土样动弹性模量发展趋势基本相近，甚至在不同围压组中，动弹性模量演变过程也大多相似，即固化剂掺量以及围压作用，均不会改变粉质砂土试样动弹性模量的演变趋势。在各围压组中，动弹性模量均为“递减—稳定”变化，但不同掺量、不同围压下，试样进入动弹性模量的稳定段各有区别，如围压50kPa、掺量0.5%的试样在应变12.96%时进入稳定段，而同围压下掺量1.5%、2%的试样分别在应变11.8%、10.8%时进入稳定段。围压170kPa下，掺量0%、1%、2%的三个试样在应变12.99%、10.6%、9.7%之前均为递减特征，在该应变后，逐步达到稳定段，动弹性模量值也较为接近。由此可知，掺量愈大，粉质砂土试样进入动弹性模量的稳定期愈早，各围压下均是如此。

图6 粉质黏土试样动弹性模量发展特征

综合来看，固化剂掺量愈多，试样动弹性模量值愈小，但差异性以动弹性模量递减段更为显著[12]。围压愈大，试样动弹性模量愈高，同为掺量1%下，50kPa围压下，应变4.7%～7%区间内动弹性模量分布于9.37～6.23MPa，平均模量值为7.7MPa，而80kPa、170kPa围压下同为该应变区间内，平均模量分别提高了51.9%、84.4%。笔者认为，增大固化剂掺量，可减少土体动力响应水平，控制土样动力破坏危害，提高堤防工程抗动力、抗震能力。

5.2 阻尼比变化历程

同理，联系加卸载过程中土样应变特征，获得了土样阻尼比变化历程(见图7)。由图7可知，各围压、掺量下试样的阻尼比变化基本接近，均为“递增—稳定”状态，但不同试样进入阻尼比稳定段节点各有差异。50kPa围压下掺量0%、0.5%、2%的三个试样进入阻尼比稳定段节点应变分别为12.8%、11.4%、10.2%，而在170kPa围压下，上述三个试样稳定段节点应变分别为13.2%、12.4%、10.8%。不难看出，掺量愈大，则进入阻尼比稳定段的节点应变愈小，且掺量以及围压作用，均不会改变阻尼比宏观变化特征，只会影响变化节点。

图7 粉质黏土试样阻尼比演变特征

从阻尼比水平影响来看，掺量愈多，阻尼比愈大，而围压增大，阻尼比减小，总体上围压对土样阻尼比影响效应弱于掺量因素。50kPa围压下，掺量1%的试样阻尼比分布于0.07～0.26，而在120kPa、170kPa围压下阻尼比分别分布于0.06～0.2、0.04～0.19，三个围压之间，同掺量试样阻尼比差值较小。当同为120kPa围压时，掺量0%的试样在阻尼比稳定段为0.166，而掺量0.5%、1.5%、2%的三个试样阻尼比稳定值分别为0.18、0.23、0.28，即掺量对阻尼比水平影响幅度高于围压作用。从堤防工程加固设计考虑，粉质砂土有必要进行固化改性，这对约束土体动力响应水平以及控制堤防动荷载破坏具有正向价值。

6 结 论

围压作用会改变土样孔压变化历程，而掺量因素不会；固化剂掺量愈多，土样孔压愈低，同时围压增大，孔压也会减小，且围压作用会减弱掺量与孔压之间的关联性；围压作用与掺量因素均不会改变土样动弹性模量变化趋势，动弹性模量呈“递减—稳定”变化，但掺量因素会影响土样进入动弹性模量稳定期的应变节点；固化剂掺量愈多，试样动弹性模量值愈小，而围压对动弹性模量的影响则相反。

各围压、掺量下试样的阻尼比变化基本接近，均为“递增—稳定”状态，掺量愈大，进入阻尼比稳定段的节点应变愈小；掺量、围压对阻尼比的影响分别为正相关、负相关，总体上不同围压之间阻尼比值差幅较低。控制堤防工程粉质砂土的固化剂掺量，有助于约束土体动力响应水平，提高堤防抗动荷载破坏能力。