低液限粉土力學(xué)特性及其在渠道工程中的應(yīng)用

于忠豪

（新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 伊犁 835000）

0 前言

新疆YL河北岸干渠設(shè)計(jì)總灌溉面積206.59萬(wàn)畝，為大(1)型工程，根據(jù)渠道填筑料使用要求，該工程104+715～110+767.607段土方填筑土料缺34.21萬(wàn)m3，需進(jìn)行土料回填。為測(cè)試選用料場(chǎng)土體基本物理力學(xué)特性，在選取料場(chǎng)中每200m左右處每1m深度取一組原狀土樣進(jìn)行天然含水率測(cè)定。每200m處采用挖掘機(jī)開挖探坑，進(jìn)行天然干密度試驗(yàn)，每個(gè)探坑均采用刻槽法取混合土樣進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，選擇具有代表性的探坑取土樣進(jìn)行界限含水率及顆粒分析等試驗(yàn)。結(jié)果表明，整個(gè)土料場(chǎng)土質(zhì)均勻，最優(yōu)含水量在13.8%～16.7%，平均15.3%；最大干密度在 1.66～1.70 g/cm3，平均 1.68 g/cm3，液限 ωL=28.9%，塑限ωp=16.2%，塑性指數(shù)IP=12.7。根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程[1]SL237-1999可分類定名為低液限粉土（ML）。

低液限粉土具有液限低強(qiáng)度差等特點(diǎn)，在我國(guó)西北部地區(qū)分布廣泛，是一種劣質(zhì)填料[2-5]，主要表現(xiàn)為碾壓困難和強(qiáng)度弱化，碾壓困難是指土體在欠壓及過(guò)壓條件下均難以達(dá)到設(shè)計(jì)壓實(shí)度，強(qiáng)度弱化是指對(duì)驗(yàn)收合格碾壓土體若未及時(shí)覆蓋再次檢測(cè)時(shí)其壓實(shí)度又達(dá)不到要求。按壓實(shí)度控制低液限粉土填筑渠道，工程質(zhì)量難以保證，因此有必要對(duì)不同壓實(shí)度低液限粉土物理力學(xué)特性進(jìn)行研究。本文以新疆YL河北岸干渠為依托，采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)合的方式研究了不同壓實(shí)度低液限粉土的強(qiáng)度變形特性和不同壓實(shí)度低液限粉土渠道的沉降特性。

1 試驗(yàn)材料與程序

試驗(yàn)土料取自新疆YL河北岸干渠十標(biāo)段填料場(chǎng)，為低液限粉土，其級(jí)配曲線如圖1所示。采用輕型擊實(shí)儀確定土樣最優(yōu)含水率為15.1%，最大干密度為1.65 g/cm3。三軸壓縮試樣按壓實(shí)度 0.85、0.9、0.92、0.95和 0.98確定試樣制樣干密度為1.40 g/cm3、1.49 g/cm3、1.52 g/cm3、1.57 g/cm3和 1.62 g/cm3，試樣尺寸Φ×H=39.1mm×100mm，按控制干密度計(jì)算不同壓實(shí)度下試樣所需土體質(zhì)量，按最優(yōu)含水率15.1%配制試驗(yàn)土料，土料配制好后置于塑料袋中密封24 h以保證土體水分均勻擴(kuò)散，在土顆粒間形成薄膜水[6]，土體分3層制樣，采用擊實(shí)錘將土體擊實(shí)并量測(cè)每層土體高度，保證每層高度一致，每層土擊實(shí)后需刮毛保證試樣的均一性。將制備好的試樣置于真空缸中抽氣飽和，抽氣時(shí)間大于2 h，抽氣后缸內(nèi)水面應(yīng)高于試樣頂部至少5 cm，將飽和后試樣裝于應(yīng)變控制式三軸壓縮儀上，并進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)壓力分別為 100 kPa、200 kPa、300 kPa和 400 kPa，固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為體變管讀數(shù)在5 min內(nèi)基本保持不變，試樣固結(jié)完成后關(guān)閉上下排水閥進(jìn)行剪切，土體剪切速率為0.0768mm/min，軸向應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)，停止試驗(yàn)。

圖1 級(jí)配曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 強(qiáng)度

取軸向應(yīng)變?yōu)?5%試樣破壞，不同干密度下低液限粉土破壞強(qiáng)度qf與壓實(shí)度關(guān)系曲線如圖2所示，可知隨圍壓增大，低液限粉土破壞強(qiáng)度增大；不同圍壓下，隨壓實(shí)度增大，低液限粉土破壞強(qiáng)度均逐漸增大，圍壓為100~400 kPa，壓實(shí)度為0.85時(shí)其破壞強(qiáng)度較壓實(shí)度為0.98時(shí)分別降低了51.3%、46.9%、43.6%和41.0%，可以看出，隨圍壓增大，壓實(shí)度對(duì)低液限粉土強(qiáng)度影響逐漸減小，這是由于圍壓較高時(shí)，土體固結(jié)過(guò)程土體被壓密。

圖2 破壞強(qiáng)度與壓實(shí)度關(guān)系曲線

2.2 孔壓

低液限粉土破壞時(shí)孔壓與壓實(shí)度關(guān)系曲線如圖3所示，可知隨壓實(shí)度增大，低液限粉土孔壓逐漸減小，這是由于壓實(shí)度越大，顆粒接觸越緊密，剪切過(guò)程中，顆粒翻越過(guò)程中，顆粒仍然是接觸的，原本由顆粒承擔(dān)的壓力仍然基本由原有的顆粒承擔(dān)，顆粒傳給孔隙水的壓力很小，孔隙水壓力越小；隨圍壓增大，孔隙水壓力增大，然而孔隙水壓力比（孔隙水壓力與圍壓比值）逐漸減小，這是由于，圍壓越大，土體抗剪強(qiáng)度越大，土體破壞時(shí)強(qiáng)度越大，相當(dāng)于土體破壞時(shí)承受了更大的荷載作用，孔隙水承擔(dān)的荷載越大，孔隙水壓力越大，而由于圍壓越大，土體固結(jié)過(guò)程中土體壓密作用越明顯，限制了孔隙水壓力的增長(zhǎng)，故隨圍壓增大孔隙水壓力比逐漸減小。

圖3 孔壓與壓實(shí)度關(guān)系曲線

3 渠道沉降數(shù)值計(jì)算

為分析壓實(shí)度對(duì)低液限粉土渠道沉降特性影響，基于FLAC3D對(duì)低液限粉土渠道進(jìn)行三維有限差分計(jì)算，F(xiàn)LAC3D是由美國(guó)Itasca集團(tuán)公司開發(fā)的一款專業(yè)巖土工程分析大型商業(yè)軟件，其基本原理即是采用拉格朗日差分法來(lái)分析有限變形問(wèn)題，該軟件目前已在全球八十多個(gè)國(guó)家應(yīng)用，并得到廣泛的認(rèn)可。

不同壓實(shí)度下渠道計(jì)算模型如圖4所示，模型尺寸長(zhǎng)×寬×高=5m×5m×10m，渠道尺寸為長(zhǎng)×寬×高=2m×2m×1.5m，約束條件為固定模型底部x、y和z方向，左右兩側(cè)水平x方向位移約束，y方向位移全約束，頂部為自由邊界，將渠道滲流設(shè)為自由出流邊界。計(jì)算采用Mohr-Coulomb模型，計(jì)算參數(shù)如表1所示l。

圖4 計(jì)算模型

表1 計(jì)算參數(shù)

不同壓實(shí)度下低液限粉土渠道最大沉降量與壓實(shí)度關(guān)系曲線如圖5所示?？芍S壓實(shí)度增大，低液限粉土渠道最大沉降量逐漸減小，最大沉降量與壓實(shí)度呈指數(shù)關(guān)系，由此可知，壓實(shí)度0.95與壓實(shí)度0.98低液限粉土渠道最大沉降量相差不明顯，而當(dāng)壓實(shí)度降低至0.85時(shí)，渠道最大沉降量增大明顯，因此渠道施工需要合理控制施工質(zhì)量。

低液限粉土粘聚性差，需借助水潤(rùn)滑作用才能達(dá)到設(shè)計(jì)壓實(shí)。此外，低液限粉土保水性差，施工過(guò)程中容易失水而出現(xiàn)強(qiáng)度弱化。因此在施工過(guò)程中需做好保濕工作，盡量采用連續(xù)方式施工，對(duì)暫時(shí)不使用的土要用帆布蓋住，減少其水分損失，夏季施工水分損失嚴(yán)重時(shí)可適量增大土體含水量。

圖5 沉降量與壓實(shí)度關(guān)系曲線

4 結(jié)論

依托新疆某河北岸干渠，采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式分析了壓實(shí)度對(duì)低液限粉土強(qiáng)度、孔壓和渠道沉降特性的影響，主要結(jié)論如下：

（1）隨壓實(shí)度增大，顆粒接觸越緊密，顆粒翻越、重排列越困難，低液限粉土強(qiáng)度逐漸增大；

（2）隨壓實(shí)度逐漸增大，低液限粉土孔壓逐漸減小，隨圍壓增大，孔隙水壓力增大，然而孔隙水壓力比逐漸減??；

（3）隨壓實(shí)度增大，低液限粉土渠道最大沉降量逐漸減小，最大沉降量與壓實(shí)度呈指數(shù)關(guān)系。

[1]中華人民共和國(guó)水利部.SL237-1999土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:中水利水電出版社,1999.

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