場地填土料污染狀態(tài)下剪切力學(xué)特性分析研究

張瑞霞

(呂梁市水利工程建筑總隊，山西 呂梁 033000)

由于我國經(jīng)濟發(fā)展與生產(chǎn)力提高，部分水利工程中常遇到受污染狀態(tài)下的巖土體，其對水利工程結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性以及滲流狀態(tài)影響性均是不可估量的，分析評價污染物對巖土體力學(xué)特性影響具有重要意義[1-3]。王曉雷[4]、馮榮[5]、韓曉東[6]利用聲發(fā)射以及宏、細(xì)觀監(jiān)測手段，研究巖土體材料在污染狀態(tài)下失穩(wěn)破壞特征，為及時預(yù)判工程破壞提供重要前兆參數(shù)。當(dāng)然也有黎柳坤[7]、劉大洲[8]、王雅婷等[9]專家學(xué)者利用巖土體材料的顆粒離散性，借助離散元仿真手段建立巖土體數(shù)值模型，加以工程實際荷載工況模擬，獲得仿真模型在失穩(wěn)破壞過程中力學(xué)特征變化，為實際工程參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化提供重要計算參考。當(dāng)然，室內(nèi)試驗作為一種可靠研究手段，許多專家設(shè)計有土體滲流、三軸加載、直剪試驗等[10-13]，研究了土體試樣試驗力學(xué)特性，極大豐富了土體力學(xué)研究成果，為認(rèn)知土體材料在工程中實際應(yīng)用提供重要依據(jù)。本文利用剪切試驗儀器設(shè)計開展水利工程中污染狀態(tài)下土體剪切力學(xué)特征研究，為工程中認(rèn)知土體剪切力學(xué)特征提供設(shè)計參數(shù)參考。

1 試驗概況

1.1 試驗背景

為提升晉中地區(qū)農(nóng)田水利資源輸送效率，考慮在呂梁市境內(nèi)設(shè)計一中轉(zhuǎn)水利樞紐設(shè)施，該水利樞紐工程包括有抽水泵站、上游閘門設(shè)施、承重墩等水利結(jié)構(gòu)。其中抽水泵站設(shè)計通行水流量為0.85 m3/s；采用弧型鋼閘門作為控水設(shè)施，在最大輸水流量下得開度可為0.9，閘室地基鋪設(shè)有防滲墊層，降低水資源消耗，墊層厚度為0.35 cm，采用鉆孔灌注樁作為閘室基礎(chǔ)，極大改善了地區(qū)內(nèi)由于下臥黏土層沉降對閘室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響；結(jié)構(gòu)墩共有8根，每根墩直徑為0.6 m，設(shè)計有橫、縱連系梁，降低由于結(jié)構(gòu)張拉應(yīng)力變化對體系滲流、力學(xué)安全性影響。目前該水利樞紐工程已完成初步設(shè)計，并對場地內(nèi)表面風(fēng)化第四系渣土進行填土壓實，但由于閘室以及抽水泵站對地基承載力要求較高，因而需考慮該水利樞紐工程場地填土料對工程結(jié)構(gòu)承載安全性影響。根據(jù)工程設(shè)計部門地質(zhì)踏勘發(fā)現(xiàn)，該場地內(nèi)下臥土層中受到水利滲流動力影響，局部表面填土層中含有金屬污染物，其中檢測發(fā)現(xiàn)以Fe3+含量為最顯著，由此分析場地填土料力學(xué)特性之時勢必需要考慮污染物含量對其影響。為此，工程設(shè)計部門考慮設(shè)計對場地填土料取樣開展污染狀態(tài)下剪切力學(xué)試驗，為準(zhǔn)確分析填土料剪切力學(xué)特性提供重要數(shù)據(jù)支持。

1.2 試驗方法

本試驗采用TT-DDS20型直剪儀開展填土料剪切力學(xué)實驗，該試驗儀器包括有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、剪切箱、加載系統(tǒng)及力學(xué)傳感器等四部分，如圖1所示。其中剪切箱內(nèi)可完成不同尺寸及不同截面形態(tài)試樣，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)間隔0.25～1 s進行數(shù)據(jù)采集，并可在電腦控制系統(tǒng)中實時觀測試樣剪切力學(xué)特征變化。加載系統(tǒng)可完成法向與水平方向加載，加載波動幅度不超過2%，其中法向加載系統(tǒng)范圍為0～2000 kPa，水平向加載范圍為0～1800 kPa，水平剪切速度可根據(jù)實驗進程自主控制，速率范圍可為0.001～2.400 mm/min。另該試驗系統(tǒng)耦合有氣壓加載裝置，可實現(xiàn)氣壓狀態(tài)下直剪試驗，其中空襲氣壓可為0～300 kPa。力學(xué)傳感器包括有剪切荷載傳感器，最大量程為300 kN，位移傳感器最大量程可為±10 mm，所有傳感器均在試驗前進行標(biāo)定，確保試驗位移測試數(shù)據(jù)誤差不超過5‰。

圖1 TT-DDS20型直剪儀試驗設(shè)備

試樣均取自水利樞紐工程現(xiàn)場，在室內(nèi)按照填土料最大干密度1.71 g/cm3標(biāo)準(zhǔn)制作試驗土樣，直徑高度分別為60 mm、20 mm，并根據(jù)本試驗中污染物Fe3+含量分別設(shè)計有三種不同溶液濃度0 g/L、15 g/L、30 g/L、45 g/L、60 g/L、75 g/L，將制作好的試樣放置入污染物溶液中浸泡養(yǎng)護36 h，使試樣中進入有相應(yīng)的污染物離子；另為模擬不同工程荷載狀態(tài)下填土料剪切力學(xué)差異，設(shè)計以法向應(yīng)力為代表試驗參數(shù)分析其對填土料力學(xué)影響，法向應(yīng)力分別有100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，具體實驗方案中各參數(shù)如表1所示。

表1 試驗方案具體參數(shù)表

剪切試驗步驟簡要介紹如下：

(1)完成污染物溶液養(yǎng)護的試樣安裝至試驗系統(tǒng)剪切箱中，并確保剪切方向與試樣中心一致，檢查加載裝置與試樣同向?qū)R，安裝好位移傳感器并清零。

(2)設(shè)置法向應(yīng)力、剪切速率等試驗參數(shù)，開始剪切加載，觀測電腦數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中實時剪切力學(xué)數(shù)據(jù)，直至試樣發(fā)生剪切破壞。

(3)停止試驗，卸除剪切荷載與傳感器，更換其他組試樣重復(fù)進行上述試驗步驟。

2 試驗參數(shù)對填土料力學(xué)特性影響

2.1 應(yīng)力位移

根據(jù)前述剪切試驗獲得數(shù)據(jù)后處理，獲得以法向應(yīng)力為代表的試驗參數(shù)影響下填土料剪切應(yīng)力位移特性，如圖2所示。從圖中可看出，法向應(yīng)力愈大，填土料剪切應(yīng)力水平愈高，在相同剪切位移3 mm時，法向應(yīng)力100 kPa下試樣剪切力為178.5 kPa，而相同位移下的法向應(yīng)力200 kPa、400 kPa下試樣剪切力相比前者分別增大了27.0%、64.7%；從剪切力與法向應(yīng)力關(guān)系分析可知，當(dāng)試驗加載裝置中法向應(yīng)力愈大，則試樣法向裂紋擴展受到較大約束影響，內(nèi)部裂隙的產(chǎn)生亦受到一定抑制作用，因而進一步提升了試樣抗剪切特性。

圖2 不同法向應(yīng)力試驗參數(shù)下填土料試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

從單個試樣應(yīng)力位移變化特征來看，試樣剪切力發(fā)展分為“線性增長-平穩(wěn)變化”兩個階段，在線性增長階段，試樣剪切力大幅度增長，而位移并未發(fā)生較大改變，特別是當(dāng)法向應(yīng)力愈大，線性增長速率愈大，即剪切線彈性模量愈高，其中法向應(yīng)力100 kPa試樣的線彈性模量為93.1 kPa，而法向應(yīng)力200 kPa、400 kPa下試樣線彈性模量相比前者分別增大了11.1%、135.6%，由此表明法向應(yīng)力對填土料剪切線彈性模量亦有正向促進影響。在填土料剪切應(yīng)力位移“平穩(wěn)變化”階段中，部分低法向應(yīng)力試樣發(fā)生剪切力小幅下跌現(xiàn)象，法向應(yīng)力100 kPa試樣峰值剪切應(yīng)力后期應(yīng)力下跌幅度為17.2%，即填土料試樣在峰值剪切應(yīng)力后期出現(xiàn)脆性變形特征，而高法向應(yīng)力試樣在后期持續(xù)處于剪切力平穩(wěn)狀態(tài)，法向應(yīng)力400 kPa試樣在該階段內(nèi)剪切力最大波動不超過5 kPa。對比四個試樣兩個階段變化特征拐點處位移可知，分別為2.38 mm、2.43 mm、2.37 mm、2.46 mm，即剪切力發(fā)展階段節(jié)點位移均為一致，表明法向應(yīng)力對填土料剪切位移影響較小。

2.2 抗剪強度

在剪切力學(xué)分析中，研究試樣抗剪強度對工程設(shè)計參數(shù)具有重要指導(dǎo)意義，因而給出法向應(yīng)力參數(shù)與填土料抗剪強度關(guān)系特征，如圖3所示。從圖中可看出，法向應(yīng)力愈大，填土料抗剪強度愈高，且兩者具有線性函數(shù)關(guān)系，法向應(yīng)力100 kPa時對應(yīng)的填土料抗剪強度為180.8 kPa，而法向應(yīng)力為300 kPa、400 kPa的填土料試樣抗剪強度乃是前者的1.48倍、1.66倍，當(dāng)法向應(yīng)力增大100 kPa時，在無污染狀態(tài)下的填土料抗剪強度平均增長18.6%，工程設(shè)計部門可依據(jù)此對水利樞紐工程中承重結(jié)構(gòu)材料參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

圖3 不同法向應(yīng)力參數(shù)下抗剪強度變化曲線

3 污染物含量對填土料力學(xué)特性影響

3.1 應(yīng)力位移

根據(jù)不同污染物溶液養(yǎng)護后試樣剪切力學(xué)試驗，獲得污染物含量影響下填土料剪切力學(xué)特性，圖4為各污染物含量下試樣剪切應(yīng)力位移曲線。從圖中可看出，污染物含量對填土料并無顯著一致性影響規(guī)律，剪切力水平受污染物含量呈階段性影響變化，在污染物含量0～30 g/L養(yǎng)護下試樣剪切力水平隨污染物含量為遞增態(tài)勢，特別是污染物含量為0 g/L，即無污染狀態(tài)下剪切位移1.5 mm 時的剪切力為209.5 kPa，而相同條件下含量15 g/L、30 g/L試樣的剪切力相比前者分別增大了23.7%、42.7%，表明含量愈高的污染物浸泡后對填土料抗剪能力有所提高作用。當(dāng)污染物含量超過30 g/L時，剪切力水平隨污染物含量為遞減態(tài)勢，且降低幅度較大，在相同剪切位移1.5 mm 時，污染物含量45 g/L、75 g/L試樣的剪切力相比30 g/L含量中試樣降低了13.5%、36.5%，相同剪切位移條件下，污染物含量每15 g/L 增大，導(dǎo)致了剪切力22.3%幅度的下降，表明污染物含量超過一定界限后，極大削弱了填土料抗剪性能。筆者認(rèn)為，當(dāng)污染物Fe3+含量處于一定界限區(qū)間范圍時，填土料試樣在該污染物溶液中養(yǎng)護浸泡后，F(xiàn)e3+可與填土料試樣內(nèi)部黏土礦物相結(jié)合，并吸附在礦物顆粒表明，拉近了各個礦物顆粒之間距離，形成顆粒間“粘結(jié)劑”增強了填土料晶體顆粒黏結(jié)性與顆粒咬合摩擦度，可較好改善填土料抗剪能力，因而宏觀上展現(xiàn)了填土料剪切力水平隨污染物含量遞增的現(xiàn)象[14-15]。但不可忽視，當(dāng)污染物含量超過“安全”界限后，此時填土料內(nèi)部黏土礦物可吸附的表面積逐步減小，而大量的Fe3+存在，達(dá)到與填土料內(nèi)部水分子發(fā)生中和反應(yīng)的條件后，極大改變了填土料顆粒間物理結(jié)構(gòu)，降低了顆粒骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，污染物Fe3+離子對顆粒結(jié)構(gòu)的侵蝕作用在污染物含量上升的過程中逐步加強，呈現(xiàn)填土料剪切力水平大幅下降的態(tài)勢，抗剪性能顯著降低。

圖4 不同污染物含量下填土料試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

3.2 抗剪強度

與分析試驗參數(shù)對填土料抗剪強度影響類似，給出不同污染物含量影響下的填土料抗剪強度變化特征，如圖5所示。從圖中可看出，以污染物含量30 g/L為界限，在0～30 g/L區(qū)間內(nèi)填土料抗剪強度隨污染物含量遞增，在法向應(yīng)力200 kPa試驗條件下，污染物含量15 g/L、30 g/L試樣的抗剪強度相比無污染下試樣增長了8.4%、23.0%，平均污染物含量遞增15 g/L，填土料抗剪強度增長10.9%；在30～75 g/L含量內(nèi)，抗剪強度隨污染物含量大幅下降，且污染物含量遞增15 g/L，可帶動填土料抗剪強度8.4%的幅度下降。

圖5 不同污染物含量下抗剪強度變化曲線

當(dāng)法向應(yīng)力參數(shù)增大至300 kPa、400 kPa后，污染物含量0～30 g/L區(qū)間內(nèi)的填土料抗剪強度影響性幅度有所增大，在法向應(yīng)力參數(shù)為400 kPa時，污染物含量遞增15 g/L，填土料抗剪強度平均增長幅度可達(dá)29%，而相應(yīng)的污染物含量30～75 g/L區(qū)間內(nèi)，抗剪強度平均降低幅度又為4%。由此表明，當(dāng)法向應(yīng)力參數(shù)增大后，一方面可提升污染物含量對填土料抗剪性能的正向促進作用，另一方面又可削弱污染物Fe3+對填土料侵蝕作用，降低污染物對填土料抗剪強度的抑制作用。

4 結(jié) 論

(1)法向應(yīng)力愈大，填土料剪切力水平愈高，相同位移3 mm時的法向應(yīng)力200 kPa、400 kPa下試樣剪切力相比100 kPa下分別增大了27.0%、64.7%；填土料剪切力發(fā)展為“線性增長-平穩(wěn)變化”兩階段，法向應(yīng)力愈大，線性增長階段彈性模量愈大，低法向應(yīng)力填土料在平穩(wěn)變化階段具有小幅剪切力下跌現(xiàn)象。

(2)污染物含量對剪切力影響具有階段性特征，在含量0～30 g/L區(qū)間內(nèi)為遞增，而在此之后為降低；在相同剪切位移1.5 mm時，污染物含量15 g/L、30 g/L試樣的剪切力相比含量0 g/L下分別增大了23.7%、42.7%，而含量45 g/L、75 g/L試樣剪切力又相比30 g/L含量下降低了13.5%、36.5%。

(3)法向應(yīng)力與填土料抗剪強度具有線性正相關(guān)函數(shù)關(guān)系，當(dāng)法向應(yīng)力增大100 kPa時，無污染狀態(tài)下的填土料抗剪強度平均增長18.6%；以污染物含量30 g/L為界限，在0～30 g/L區(qū)間內(nèi)填土料抗剪強度遞增，在30～75 g/L含量內(nèi)，抗剪強度為下降，且法向應(yīng)力增大，既可提升污染物含量正向促進抗剪強度效應(yīng)，在污染物含量抑制強度區(qū)間內(nèi)，具有降低抑制作用。