岸坡土體物化改性下干濕、凍融交替力學(xué)試驗(yàn)研究

朱偉崇，張秀如

（1.廣東偉勝環(huán)境工程有限公司，廣東 佛山 528308；2.廣東金松建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，廣東 佛山 528308）

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)背景

作為佛山地區(qū)重要防洪工程， 佛山東平河聯(lián)圩工程乃是地區(qū)內(nèi)重要控水、排澇的綜合性水利樞紐，其建設(shè)長(zhǎng)度從佛山市北江轄段直至東平河出流段，控制流域面積超500km2， 干堤總長(zhǎng)超30km， 亦是佛山、中山地區(qū)中順大圍的重要組成部分。中順大圍樞紐工程始建于20 世紀(jì)50 年代， 干堤總長(zhǎng)度超過(guò)120km，包括有小欖圍、均安圍等小型聯(lián)圩工程，從佛山均安鎮(zhèn)金沙灘至中山市東河水閘沿線， 其堤防主體為佛山東平河聯(lián)圩工程，干堤頂最高處為8.5m，設(shè)計(jì)樁號(hào)為K0+0.000～K48+630， 堤防高程分布為3.5～8.5m，最高處位于東河水閘所在堤段，迎、背水側(cè)坡度分別為1/3、1/2.25，堤面寬度經(jīng)過(guò)一、二期聯(lián)圩工程加固后，目前可通行兩車道，寬度約6～7m。 根據(jù)對(duì)東平河聯(lián)圩工程所在堤段分析得知， 該地區(qū)堤防工程采用分層堆筑形式，堆筑料以砂土、粉土為主，該聯(lián)圩工程K6+355處北側(cè)堤防剖面示意圖如圖1，該堤段堤防由于位于城區(qū)， 因而其堤頂進(jìn)行了粉質(zhì)砂土加筑，加高后堤頂高程6.2m，堆筑料中沉降變形較大屬粉土與細(xì)礫石，且細(xì)礫石含水率較高，滲透系數(shù)較大。在中順大圍聯(lián)圩工程中，堤防的安全穩(wěn)定性決定了防洪、排澇能力，但同時(shí)也對(duì)各聯(lián)圩樞紐水利設(shè)施產(chǎn)生影響，在東河水閘處，其最大過(guò)閘流量為900m3/s，設(shè)計(jì)閘室內(nèi)、外側(cè)水位分別為0.5、2.97m，具有六孔泄流設(shè)計(jì)，總凈寬為25m，是東平河堤防排澇的重要水利設(shè)施。 但在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中， 如2020年夏季臺(tái)風(fēng)災(zāi)害中，東河水閘無(wú)法有效排澇，閘內(nèi)、外側(cè)水位均處于滿負(fù)荷狀態(tài)，通流量?jī)H為設(shè)計(jì)值的23%，造成了堤防迎水側(cè)水位不穩(wěn)定性。根據(jù)運(yùn)營(yíng)分析，東河水閘所在堤段出現(xiàn)岸坡滑移風(fēng)險(xiǎn)， 有限元模擬獲得了該堤段滑坡面分布，如圖2，最大滑移面長(zhǎng)度達(dá)20m，分布范圍占下游背水側(cè)65%，分析失穩(wěn)發(fā)生的內(nèi)因，為岸坡內(nèi)粉土在活躍滲流狀況下承載骨架受損， 影響該堤段內(nèi)東河水閘運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，導(dǎo)致防洪排澇受限。 為此，聯(lián)圩工程管理部門(mén)針對(duì)東平河聯(lián)圩工程重點(diǎn)堤段的粉土進(jìn)行改性治理，提升堤防運(yùn)營(yíng)安全。

圖1 K6+355處北側(cè)堤防剖面

圖2 堤段滑坡面分布

1.2 試驗(yàn)介紹

為確保東平河聯(lián)圩工程堤防岸坡改性土良好穩(wěn)定性，考慮采用物化改良方法，在各個(gè)重點(diǎn)堤段進(jìn)行物化劑注漿，確保改性土承載提升。 本文基于此，設(shè)計(jì)了石灰、類米漿劑兩種物化改性劑，分別針對(duì)此兩種改性劑的改良效果開(kāi)展力學(xué)試驗(yàn)研究。 本試驗(yàn)采用GE0-TAC三軸加載試驗(yàn)裝置進(jìn)行。 該實(shí)驗(yàn)裝置配置有中控系統(tǒng)、加載裝置及數(shù)據(jù)采集處理裝置，其中加載裝置內(nèi)配置有100kN的力學(xué)傳感器，測(cè)量波幅不超過(guò)1%，加載臺(tái)可滿足三軸不同類型剪切試驗(yàn)；數(shù)據(jù)采集裝置配置有8通道的LVDT與應(yīng)變片兩種測(cè)量方式，LVDT量程為-20～20mm，本文應(yīng)變分析采用LVDT數(shù)據(jù)，以應(yīng)變片數(shù)據(jù)作為輔助參考作用。 另一方面，從實(shí)際堤防運(yùn)營(yíng)工程環(huán)境考慮， 所有堤段岸坡土體需考慮水位升降帶來(lái)的干濕交替作用， 而地區(qū)內(nèi)冬季氣溫雖未跌破零度， 但不可忽視氣溫升降過(guò)程中產(chǎn)生的凍融交替作用。 因而，兩種改性土均需開(kāi)展凍融、干濕兩種物理耦合作用下的三軸剪切力學(xué)試驗(yàn)。

根據(jù)對(duì)東平河聯(lián)圩工程地勘分析，其塑性指數(shù)表明，堤段粉土與K6+355處北側(cè)堤防土性一致，本試驗(yàn)中以該樁號(hào)堤段粉土為研究對(duì)象，所有試驗(yàn)樣品均取自該堤段同一剖面。 在室內(nèi)經(jīng)過(guò)重塑后，所有改性劑配置摻量均統(tǒng)一為4%， 重塑后土體加工制成含水率為16%～17%的試樣，采用環(huán)刀法制備改性土［1，2］。

各品種改性土均需完成相應(yīng)的干濕、 凍融交替物理實(shí)驗(yàn)，干濕過(guò)程采用半浸水方式，只留試樣頂、底部接觸水體， 放置在飽和真空儀中完成24h浸水，后取出在自然風(fēng)干狀態(tài)燜封12h，完成干燥。 凍融交替借助低溫冷凍箱開(kāi)展凍結(jié)試驗(yàn)，樣品在低溫-15℃下12h完成凍結(jié)， 后在常溫下完成融化， 此為1次交替。 本試驗(yàn)中兩種物理作用分別設(shè)定有相應(yīng)的交替次數(shù)，其中干濕作用設(shè)定有0～5次，方案遞增階次為1次，凍融交替方案設(shè)定為0～10次，階次為2次。試驗(yàn)圍壓設(shè)定為50，100，150，200kPa，在兩種物化劑改性土的基礎(chǔ)上增設(shè)一組原狀粉土對(duì)照組， 試驗(yàn)方案各組參數(shù)如表1?；谏鲜霾煌愋透男酝恋奈锢眈詈献饔玫娜S力學(xué)試驗(yàn)， 探討最適配堤防岸坡土體的改性劑，為堤防加固提供依據(jù)。

表1 試驗(yàn)因素

2 物理作用下改性土力學(xué)特征

2.1 干濕交替

基于改性土力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理， 獲得了干濕物理作用下改性土的力學(xué)影響變化特性，如圖3。 從圖中可知，任意干濕交替方案中，兩種改性土承載能力均高于原狀土，在干濕交替1次方案下，石灰改性土（A類）、 類米漿劑改性土 （B類） 抗剪強(qiáng)度分別為948.9，731.8kPa，而原狀土在該干濕方案下強(qiáng)度較前兩者分別減少了40.9%、23.4%，當(dāng)干濕方案為4次時(shí)，原狀土與兩改性土試樣間強(qiáng)度差幅達(dá)45.6%、28.5%；分析表明，干濕作用增強(qiáng)后，改性土提升承載效果更顯著， 原狀土受干濕物理?yè)p傷作用， 強(qiáng)度損耗較嚴(yán)重，而改性土通過(guò)改性劑與粉土顆粒的物化作用，強(qiáng)化了顆粒骨架穩(wěn)定性， 在干濕作用下具有更強(qiáng)的抗損傷能力。 但不可忽視，隨著干濕交替增多，兩改性土承載應(yīng)力水平均有損耗，如A類試樣在無(wú)干濕作用時(shí)應(yīng)變4%下承載偏應(yīng)力為920.5kPa， 而交替增長(zhǎng)至1，4，5次后， 相應(yīng)的偏應(yīng)力較之分別減少了12.9%，52.5%，71.8%；從抗剪強(qiáng)度對(duì)比來(lái)看亦可知，在無(wú)干濕作用下B類改性土強(qiáng)度為803.3kPa，而隨交替方案每階次1次增長(zhǎng)，則其強(qiáng)度平均損耗12.1%，同理在A類試樣中強(qiáng)度隨交替階次方案的損耗幅度為8.6%，而原狀土更甚者，其在干濕作用下，每階次導(dǎo)致強(qiáng)度減少了14.3%。 由此說(shuō)明，原狀土受干濕作用影響敏感度最高，而兩種改性土抗干濕損傷效應(yīng)較強(qiáng)，在干濕工程環(huán)境下更為適配［2］。

圖3 干濕作用下改良土應(yīng)力應(yīng)變特征

分析改性土變形特征可知， 無(wú)干濕作用下試樣峰值應(yīng)變更低，而干濕作用愈強(qiáng)，試樣延性變形能力增強(qiáng)， 應(yīng)變?cè)龃?，B類試樣無(wú)干濕作用下峰值應(yīng)變?yōu)?.2%， 而交替4，5次下峰值應(yīng)變分別增大至7.4%，7.9%。不論是原狀土亦或是改性土，其彈性模量與交替次數(shù)均為負(fù)相關(guān)關(guān)系，原狀土交替0次時(shí)彈性模量為134.2kPa， 而交替1次、5次方案下模量值較之分別減少了19.8%，66.1%，其他兩種改性土亦是如此。 對(duì)比改性土與原狀土間變形特征差異可知， 在相同交替次數(shù)下峰值應(yīng)變基本接近， 特別是干濕作用較弱時(shí)，在無(wú)干濕作用下原狀土與A類試樣的峰值應(yīng)變分別為6.7%，6.6%；分析認(rèn)為，改性劑的存在，在低干濕物理?yè)p傷作用下［3］，對(duì)土體試樣變形影響較弱，而在干濕損傷作用較強(qiáng)時(shí)， 改性劑對(duì)土體變形影響差異才更顯著。

2.2 凍融交替

圖4為凍融物理作用下的改性土力學(xué)試驗(yàn)特征。從圖中可知， 凍融作用對(duì)改性土承載能力亦是損傷效應(yīng)， 在無(wú)凍融下A類試樣抗剪強(qiáng)度為890.6kPa，而隨凍融方案每階次增大2次， 則其強(qiáng)度平均降低10.6%；B類試樣與原狀土試樣亦是如此，抗剪強(qiáng)度分別具有損耗13.8%，15.6%。對(duì)比兩種改性土與原狀土試樣間強(qiáng)度損耗可知，B類改性土受干濕影響降幅接近原狀土，而A類改性土抗凍融損傷能力最強(qiáng)［4］。 對(duì)比相同凍融交替方案下承載應(yīng)力也可知，在交替2次方案下應(yīng)變5%時(shí)原狀土、B類改性土偏應(yīng)力分別為360.3，504.2kPa， 而A類改性土較之分別增大了1.26倍、61.7%，在各凍融交替方案中，較之B類試樣、原狀土，A 類 試 樣 強(qiáng) 度 較 之 增 幅 分 別 為1.11～1.46 倍、51.6%～68.4%。 分析認(rèn)為，在凍融作用下，B類改性土摻加的改性劑作為一種近液態(tài)材料，在凍融作用下，更易造成土顆粒骨架內(nèi)部孔隙的脹大破壞， 影響試樣承載穩(wěn)定性，故該試樣受凍融作用影響敏感度更高。

圖4 凍融作用下改良土應(yīng)力應(yīng)變特征

觀察改性土應(yīng)變特征可知， 當(dāng)凍融交替次數(shù)愈高時(shí)，試樣均趨于延性變形特征，峰值應(yīng)力后降幅較低，A、B 類試樣在交替10 次方案下降幅分別為12.6%，18.5%，而原狀土在各凍融方案中峰值應(yīng)力后均有較長(zhǎng)階段的延性變形，表明改性劑的存在，會(huì)改變土體試樣脆延性變形特征。

3 物理作用下改性土抗剪強(qiáng)度特征

兩種物理作用下改性土抗剪特性均有所差異，在抗剪強(qiáng)度特征參數(shù)的體現(xiàn)上更為顯著， 由于兩抗剪特征參數(shù)影響變化具有一致性， 因而本文分別給出干濕作用下黏聚力參數(shù)與凍融作用下內(nèi)摩擦角參數(shù)變化特征，如圖5。

圖5 抗剪特征參數(shù)受摻量影響變化

從圖中可知，干濕、凍融作用與抗剪特征參數(shù)均為負(fù)相關(guān)關(guān)系，A類改性土在干濕0次時(shí)黏聚力為47.6kPa，而交替階次每增長(zhǎng)1次時(shí)，該類型試樣的黏聚力平均減少1.9%，同樣B類、原狀土也會(huì)分別減少4.7%、9.2%；A類試樣黏聚力不僅受影響敏感度最低，其黏聚力水平也是3種試樣中最高［5］，在交替2次下B類、 原狀土試樣的黏聚力較之A類試樣減少了11.8%，26.1%， 特別是在干濕交替次數(shù)愈高的方案中，差距更為顯著。 相比黏聚力參數(shù)，在凍融作用下內(nèi)摩擦角參數(shù)影響降幅較小， 在凍融每2階次下，A、B類試樣與改性土試樣內(nèi)摩擦角參數(shù)分別平均減少了1.5%，2.6%，4.5%， 特別是在凍融4，5次后，A、B類試樣內(nèi)摩擦角參數(shù)降幅較小， 分別僅為0.6%，1.1%。分析表明，在高凍融交替方案中，A、B類試樣內(nèi)摩擦角參數(shù)受影響敏感度降低。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）改性土承載能力均高于原狀土；干濕作用對(duì)土體承載能力均有損傷效應(yīng)，隨交替階次增長(zhǎng)，A、B類、 原狀土試樣抗剪強(qiáng)度的平均損耗幅度分別為8.6%，12.1%，14.3%；干濕作用愈強(qiáng)，土體延性變形增大，且改性劑對(duì)土體變形影響差異更為顯著。

（2）凍融作用對(duì)改性土承載能力為損傷效應(yīng)，但以A類改性土抗凍融損傷作用最強(qiáng)；每2階次作用下，A、B類、 原狀土試樣抗剪強(qiáng)度的平均損耗幅度分別為10.6%，13.8%，15.6%；改性劑會(huì)影響凍融作用下土體三軸脆延性變形特征。

（3）干濕、凍融作用與抗剪特征參數(shù)均為負(fù)相關(guān)關(guān)系，干濕交替每階次下，A、B類改性土試樣黏聚力分別平均減少1.9%，4.7%， 而凍融交替2階次下兩試樣內(nèi)摩擦角參數(shù)分別減少了1.5%，2.6%；A類試樣抗剪特征參數(shù)受影響敏感度最低。

（4）對(duì)比改性后土體力學(xué)特征，認(rèn)為適配堤防岸坡加固的改性劑為石灰。