PS加固坎兒井井壁黃土的工程特性試驗(yàn)研究

安 鵬， 朱石磊， 強(qiáng)城成， 王松鶴， 徐 強(qiáng)

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院， 陜西 西安 710054； 2.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

坎兒井是一種適應(yīng)干旱山前地形地貌的古老而先進(jìn)的水利工程[1]。在我國其主要分布在吐魯番盆地，是“一帶一路”沿線重要的歷史文化遺址，因規(guī)模宏大，被譽(yù)為中國古代三大工程之一[2-3]。其主要原理是截取盆地山前地下水，并通過暗渠將水引至綠洲盆地，供盆地中央的灌溉、人畜飲水，并形成了吐魯番盆地獨(dú)特的綠洲文化[4-5]。但近40年來，對(duì)機(jī)電井的過度依賴使得地下水開采過度[6]，加上坎兒井管理不善等因素使得其數(shù)量大幅衰減[7]。

暗渠與豎井的剝落坍塌是其破壞的主要原因之一[8]，其中井壁與豎井坍塌導(dǎo)致坎兒井隧洞破壞(約占坎兒井總數(shù)的20%)，暗渠淤堵現(xiàn)象嚴(yán)重，已經(jīng)影響到了正常出水[9]。根據(jù)坎兒井地層特點(diǎn)可將其分為“土質(zhì)坎兒井”、“沙質(zhì)坎兒井”[9]。研究發(fā)現(xiàn)沙質(zhì)坎兒井受冬季水汽與溫度影響不大[10]，而土質(zhì)坎兒井的出口段土樣在經(jīng)歷凍融、干濕循環(huán)后其強(qiáng)度參數(shù)與彈模變化劣化顯著[11]。井壁含水率分布、土的凍脹性評(píng)價(jià)以及暗渠破壞形態(tài)調(diào)研分析表明，凍融循環(huán)導(dǎo)致的井壁剝落是土坎破壞的主要原因和初始破壞階段[12]。

當(dāng)前暗渠常見的加固措施包括拱形漿砌石、預(yù)制混凝土板、卵形涵、錨桿掛網(wǎng)混凝土噴漿等[12]。因坎兒井隧洞空間狹小、斷面不規(guī)則等使得在上述措施實(shí)施時(shí)存在建材運(yùn)輸難、作業(yè)難、井壁需鑿除或回填、無法保留文物原貌等問題，同時(shí)暗渠長(zhǎng)達(dá)上千米、十幾千米不等，加固長(zhǎng)度無依據(jù)。文獻(xiàn)[12]根據(jù)冬季隧洞負(fù)溫段深度提出了局部防滲加固方案，在保持其歷史原貌的同時(shí)，可將井壁含水率降至起始凍脹含水率以下，弱化了土體剝落破壞。

坎兒井井壁始終處于潮濕環(huán)境，除凍融破壞外，動(dòng)植物、重力、風(fēng)力侵蝕不可避免。目前，最大限度保護(hù)土遺址原貌的加固方法尚屬表面噴灑與鉆孔注漿，但是表面噴灑無法達(dá)到足夠加固深度[13]，對(duì)井壁加固效果有限。當(dāng)前土遺址原位注漿加固主要包括3種材料，即有機(jī)高分子材料(丙烯酸樹脂和環(huán)氧樹脂等)、無機(jī)類材料(如硅酸鉀、氫氧化鈣和硅酸鈉等)、無機(jī)有機(jī)復(fù)合材料(如硅酸乙酯)等[14]。多數(shù)材料僅能在短期內(nèi)獲取良好的加固效果，其中無機(jī)材料在潮濕環(huán)境下易引起土層溶脹收縮，可溶鹽遷移等問題[15]，如氫氧化鈣在加固潮濕軟土遺址后，易因溶解度低、滲透性差等導(dǎo)致表面層狀脫落[16]，有機(jī)高分子材料和無機(jī)有機(jī)復(fù)合材料加固后易出現(xiàn)裂紋、起甲、剝落[15]、微生物滋生[17]、耐老化能力差[18]與土顆粒相容性差等問題[19]。針對(duì)干旱區(qū)土遺址風(fēng)化問題，敦煌研究院研制的高模數(shù)硅酸鉀[20-21](high modulus potassium silicate，以下簡(jiǎn)稱“PS”)可大幅提高遺址土強(qiáng)度和抗風(fēng)蝕能力[22]，且會(huì)降低土的導(dǎo)熱系數(shù)來削弱溫差引起的物理風(fēng)化和裂隙，適用于交河、高昌故城的遺址土[21]。吐魯番坎兒井與交河、高昌故城距離相近，氣候與土質(zhì)相同，不同的是坎兒井屬于吐魯番鮮有的潮濕環(huán)境，針對(duì)潮濕凍融環(huán)境下井壁黃土，確定合理的PS摻量，通過注漿加固提高井壁強(qiáng)度與抗凍脹性是加固坎兒井井壁急需解決的關(guān)鍵問題。

因此，本文擬選擇PS作為加固材料，通過制備黃土重塑樣，進(jìn)行16次凍融循環(huán)，研究PS摻量對(duì)土體凍脹量的影響規(guī)律，評(píng)價(jià)PS加固土體的抗凍脹性能，揭示其抗凍脹機(jī)理；隨后通過凍融循環(huán)后直接剪切試驗(yàn)，驗(yàn)證加固多年后坎兒井井壁強(qiáng)度特性，分析PS摻量對(duì)剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系、強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律。研究成果將為吐魯番坎兒井井壁注漿加固方案的選擇提供依據(jù)。

2 材料參數(shù)

本文以吐魯番艾丁湖鄉(xiāng)阿洪坎兒井為例，通過井壁取樣進(jìn)行基本物理性質(zhì)試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 坎兒井井壁黃土土樣基本物理指標(biāo)

高模數(shù)硅酸鉀的化學(xué)結(jié)構(gòu)式可用K2O·mSiO2表示，其中m為SiO2與K2O的摩爾比。摩爾比越大，越難溶于水，SiO2含量越高，黏度和內(nèi)聚力越大。本研究所用PS的模數(shù)為3.3，即K2O·3.3 SiO2。這種材料具有很強(qiáng)的抗風(fēng)化和抗老化能力，價(jià)格低廉，對(duì)土遺址的外觀影響小[23]。

3 試樣制備

因坎兒井保護(hù)需要，無法獲得足夠多的原狀土樣，為此選擇重塑土樣進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)節(jié)包括PS添加(模擬井壁注漿)、凍融循環(huán)(模擬實(shí)際運(yùn)行環(huán)境)、凍脹量實(shí)測(cè)(驗(yàn)證抗凍脹效果)，以及凍融循環(huán)后的剪切試驗(yàn)(驗(yàn)證多年運(yùn)行后的強(qiáng)度特征)等。鑒于每個(gè)土樣均需經(jīng)歷上述環(huán)節(jié)，為此選擇試驗(yàn)尺寸相同的普通環(huán)刀樣。

重塑土中加入3種質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0、3%和5%)的PS。為使PS能均勻膠結(jié)于土中，配制質(zhì)量濃度為10%的PS溶液，利用滴管對(duì)試樣通過水膜轉(zhuǎn)移法反復(fù)添加，直至滿足摻量要求。隨后用塑料薄膜包裹土樣，防止水分散失，并養(yǎng)護(hù)固化30 d后備用。

4 黃土凍融循環(huán)前后的凍脹試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

土樣在凍融循環(huán)后的抗凍脹性是評(píng)價(jià)PS對(duì)井壁加固效果的一個(gè)重要指標(biāo)，為此進(jìn)行3個(gè)PS摻量土樣的凍融循環(huán)試驗(yàn)。首先將養(yǎng)護(hù)完成的土樣含水率調(diào)整至目標(biāo)值，即10%、15%、20%和25%。隨后采用塑料薄膜包裹密封樣品，阻止其與外界水分交換。最后將土樣放入脹縮變形儀，并整體放入環(huán)境箱進(jìn)行封閉系統(tǒng)下的側(cè)限凍融循環(huán)試驗(yàn)。凍融循環(huán)次數(shù)為16次，即N=16。通過百分表實(shí)測(cè)每個(gè)循環(huán)后的豎向變形。其中凍結(jié)、解凍溫度分別設(shè)置為-18、25 ℃，持續(xù)時(shí)間均為12 h。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

現(xiàn)將不同PS摻量土樣未經(jīng)歷凍融循環(huán)(N=0)的首次凍脹量與凍融循環(huán)15次(N=15)之后的凍脹變形實(shí)測(cè)如圖1所示。

圖1 不同PS摻量的坎兒井黃土土樣含水率與凍脹變形的關(guān)系

由圖1可知，試樣變形隨含水率的增大而增大，呈現(xiàn)由凍縮向凍脹發(fā)展。首次凍脹曲線與凍融循環(huán)15次后凍脹量存在差別，但差別不大。無PS摻量土樣與3%PS摻量土樣存在凍縮，5%PS摻量土樣不存在凍縮現(xiàn)象。相同含水率下3%PS摻量土樣凍脹量均小于無PS摻量和5%PS摻量土樣的凍脹量，且脹縮性顯著小于無PS摻量?；诓逯捣▽⒆冃螢?時(shí)的含水率定義為起始凍脹含水率wi，得出PS對(duì)坎兒井黃土起始凍脹含水率wi的影響，如表2所示。

表2 PS對(duì)坎兒井黃土起始凍脹含水率wi的影響

由圖2可知，首次凍脹時(shí)3%PS摻量土樣wi為15.80%，比無PS摻量土樣提高了28.4%，15次凍融循環(huán)(N=15)后，wi提高了40.5%?？梢奝S可大幅提高土體的wi，即PS摻入提高了凍脹的門檻值。相同PS摻量的wi在凍融循環(huán)前后差別不大，表明凍融循環(huán)對(duì)wi影響不大。為評(píng)價(jià)PS摻量對(duì)凍脹變形的抑制作用，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[24]，現(xiàn)將w=25%時(shí)不同PS摻量土樣的凍脹類別進(jìn)行評(píng)價(jià)，如表3所示。

表3 不同PS摻量水平下25%含水率土樣凍脹性評(píng)價(jià)表

由表3可知，摻入PS后土樣凍脹量與凍脹率大幅度減小，土樣由強(qiáng)凍脹性變?yōu)槿鮾雒浶?，其?%和5%PS摻量土樣的凍脹率分別降低了79.7%和75.3 %。說明PS對(duì)土體凍脹抑制作用顯著，且基本不受凍融循環(huán)影響，加固后可保證井壁長(zhǎng)期抗凍脹作用。然而，凍脹量并未隨PS摻量的增加而降低，其中5%PS摻量的土樣凍脹量反而大于3%PS摻量，因此，3%PS摻量抑制凍脹的效果更好。

4.3 摻PS土樣的抗凍脹機(jī)理分析

由凍脹試驗(yàn)結(jié)果可知，土樣凍脹量并非隨著PS摻量的增多而減小。為分析PS抑制黃土的凍脹機(jī)理，建立了相同含水率w0下不同PS摻量土樣的微觀結(jié)構(gòu)概念模型示意圖，如圖2所示。

圖2 相同含水率不同PS摻量土樣的微觀結(jié)構(gòu)概念模型圖

由圖2可看出，摻入PS后，土體孔隙比與相同含水率w0下的飽和度均出現(xiàn)了變化。PS越多，PS膠體對(duì)顆粒的包裹程度越高，并以膠體形式存在于顆粒表面和粒間孔隙。其中，就孔隙比而言，e0%>e3%>e5%, 相應(yīng)的，氣體體積：V0%>V3%>V5%，黏聚力：c5%>c3%>c0%(見5.3小節(jié))。

為進(jìn)一步分析，可將黃土孔隙分為鑲嵌孔隙和粒間孔隙。非飽和土封閉系統(tǒng)凍脹過程中兩類孔隙發(fā)揮著不同的作用。非飽和狀態(tài)孔隙水優(yōu)先聚集于粒間孔隙，以結(jié)合水與少量自由水為主，含水率增大后，孔隙水才占據(jù)部分鑲嵌孔隙，氣泡多集中于鑲嵌孔隙。持續(xù)負(fù)溫下，鑲嵌孔隙自由水優(yōu)先凍脹，氣泡為鑲嵌孔隙水原位凍脹提供空間，隨后粒間孔隙中的結(jié)合水和少量自由水發(fā)生凍脹，但因氣泡較少，只能通過克服粒間膠結(jié)擠開粒間距獲取凍脹所需空間。而無PS摻量的土粒間僅為普通膠結(jié)，黏聚力低，故而其凍脹量最大。

摻入PS使土體獲取了增強(qiáng)的黏聚力，黏粒依附于大顆粒形成凝塊導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)了如下變化：(1)凝塊的產(chǎn)生導(dǎo)致鑲嵌孔隙體積增大；(2)非飽和狀態(tài)下相同含水率時(shí)自由水含量增多，且多占據(jù)鑲嵌孔隙，因PS膠體多占據(jù)粒間孔隙使得水分可楔入的粒間孔隙數(shù)量減少；(3)氣體體積相應(yīng)減少。亦即PS膠體對(duì)粒間孔隙的占據(jù)導(dǎo)致水分聚集位置發(fā)生了變化。因此，孔隙水凍結(jié)依靠壓縮氣泡獲得自由空間，但黏聚力的增強(qiáng)使得其比無PS摻量土樣的凍脹量小得多。但PS含量越多，氣體體積越小，自由水含量越多，凍脹所需體積越大，使得5%PS摻量土樣的凍脹量稍大于3%PS摻量土樣。

5 凍融循環(huán)后直接剪切試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)材料與方法

PS加固坎兒井井壁經(jīng)歷多年運(yùn)行后的強(qiáng)度參數(shù)也是評(píng)價(jià)其加固效果的關(guān)鍵性指標(biāo)。同時(shí)，鑒于坎兒井井壁主要發(fā)生低圍壓下的剝落與坍塌破壞，為此將經(jīng)歷16次凍融循環(huán)的土樣進(jìn)行3個(gè)PS摻量水平(0，3%，5%)、3個(gè)含水率水平(w=15%，w=20%，w=25%)、3個(gè)豎向應(yīng)力水平(100 kPa，200 kPa，400 kPa)下的直剪試驗(yàn)，研究含水率與PS摻量對(duì)剪應(yīng)力-剪切位移曲線特征及強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律。

5.2 剪應(yīng)力與剪切位移特征分析

在不同豎向應(yīng)力水平和含水率下，各PS摻量重塑土樣凍融循環(huán)后的剪應(yīng)力-剪切位移曲線如圖3～5所示。分析圖3～5可知：無PS摻量土樣的含水率越大，其剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線的非線性程度越強(qiáng)，均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型；3%PS摻量土樣在正應(yīng)力較大時(shí)，曲線為應(yīng)變硬化型，正應(yīng)力較小時(shí)，曲線為應(yīng)變軟化型，并隨著正應(yīng)力的增大存在由硬化向軟化過渡的現(xiàn)象；5%PS摻量土樣基本均為應(yīng)變軟化型，即脆性破壞。對(duì)于同一含水率，隨著PS含量的增大，軟化特征更明顯，剪應(yīng)力-剪切位移曲線由硬化向軟化過渡，非線性程度更高。

圖3 不同豎向應(yīng)力和含水率下無PS摻量重塑土樣凍融循環(huán)后剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

圖4 不同豎向應(yīng)力和含水率下3%PS摻量重塑土樣凍融循環(huán)后剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

圖5 不同豎向應(yīng)力和含水率下5%PS摻量重塑土樣凍融循環(huán)后剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

坎兒井暗渠出口段上覆土層薄，壓力小，在綜合分析上述曲線在100～200 kPa范圍內(nèi)的類型與規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合其峰值對(duì)其概化，繪制剪應(yīng)力-剪切位移曲線概化示意圖(如圖6所示)，并就其特征進(jìn)行分析。

圖6 PS加固土剪應(yīng)力-剪切位移曲線概化示意圖

由圖6可知，5%PS摻量土樣均為應(yīng)變強(qiáng)軟化型，3%PS摻量土樣在200 kPa壓力以下為應(yīng)變?nèi)踯浕停瑹oPS摻量土樣均為應(yīng)變硬化型。

依據(jù)曲線特征可將其分為屈服前變形段(Ⅰ)、屈服后剪應(yīng)力衰減段(Ⅱ)和殘余變形段(Ⅲ)。無PS摻量的重塑土樣僅包括階段Ⅰ和階段Ⅲ。階段Ⅰ僅依靠顆粒間普通膠結(jié)實(shí)現(xiàn)低應(yīng)力下以彈性為主的變形，曲線在階段Ⅰ呈現(xiàn)顯著的“上凸”特征，即剪切模量不斷減小。3%PS摻量下，PS以膠體形式廣泛存在于顆粒表面，特別是粒間接觸面，形成較多團(tuán)粒凝塊。剪切過程中PS膠體與普通膠結(jié)物共同作用，抵抗剪切變形，階段Ⅰ表現(xiàn)出良好的線性相關(guān)，剪切模量屈服前變化不大。5%摻量下PS膠體分布于粒間接觸面的同時(shí)，還大量填充于鑲嵌孔隙中，使土樣呈現(xiàn)從“摩擦型材料”向“凝聚型材料”轉(zhuǎn)化的特征，屈服前剪切模量呈現(xiàn)略增大的趨勢(shì)，即階段Ⅰ表現(xiàn)為“下凸”特征。因此，屈服前剪應(yīng)力-剪切位移曲線隨著PS摻量的增加，呈現(xiàn)由“上凸-近似線性-下凸”的過渡特征。

5.3 強(qiáng)度參數(shù)隨含水率變化規(guī)律

針對(duì)應(yīng)變硬化曲線，依規(guī)范選取剪切位移4 mm對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力作為剪切強(qiáng)度，對(duì)于應(yīng)變軟化曲線，以峰值點(diǎn)的剪應(yīng)力作為剪切強(qiáng)度，并通過摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則得到強(qiáng)度參數(shù)。繪制不同PS摻量加固土樣強(qiáng)度的參數(shù)(黏聚力、內(nèi)摩擦角)隨含水率的變化過程，并以線性擬合曲線的斜率絕對(duì)值作為相應(yīng)參數(shù)的衰減比來反映強(qiáng)度參數(shù)隨含水率的衰減程度，如圖7所示。

圖7 不同PS摻量的加固土樣強(qiáng)度參數(shù)隨含水率的變化

由圖7(a)可知：不同PS摻量土樣的黏聚力均隨含水率的增加而降低。同一含水率下，土樣黏聚力隨著PS摻量的增加而增大，5%摻量與3%摻量土樣遠(yuǎn)大于無摻量土樣。且無摻量土樣的黏聚力隨含水率的衰減比為2.70，遠(yuǎn)大于3%(1.50)與5%(1.02)摻量的土樣。說明無PS摻量的土樣顆粒間被水膜楔入程度較高，而摻入PS后，水分只楔入未被完全包裹膠結(jié)的顆粒間，大部分粒間水分無法楔入，增加的水分多聚積在鑲嵌孔隙中(參見圖2)，故仍保持較高的黏聚力，且對(duì)含水率變化沒有無摻量土樣敏感。說明PS可以大幅提高土體的黏聚力。

由圖7(b)可知：不同PS摻量土樣的內(nèi)摩擦角均隨含水率的增加而降低，其中無摻量的內(nèi)摩擦角衰減比為0.420，遠(yuǎn)大于3%摻量的0.020及5%摻量的0.084。無PS摻量土樣的內(nèi)摩擦角大幅降低與水膜楔入后粒間摩擦系數(shù)變小有關(guān)。但對(duì)摻入PS的土樣而言，內(nèi)摩擦角隨含水率的變幅不大，可認(rèn)為不受含水率影響，原因是顆粒表面包裹的PS薄膜使粒間接觸由棱角分明的礦物接觸變?yōu)槔饨遣惶置鞯腜S膠體薄膜接觸，這使得摻入PS土樣的內(nèi)摩擦角較小，且隨著PS摻量的增加，其對(duì)顆粒的包裹程度越強(qiáng)，內(nèi)摩擦角越小。

因此，PS加固土體的主要機(jī)理在于大幅提高了黏聚力。黏聚力增大對(duì)于抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)足以抵消內(nèi)摩擦角降低引起的抗剪強(qiáng)度的衰減。對(duì)坎兒井井壁土體而言，在剪切屈服前，抗剪強(qiáng)度主要由黏聚力提供。綜合不同PS摻量的抗凍脹性、強(qiáng)度特征和工程造價(jià)，以3%PS摻量加固坎兒井出口段井壁是合適的。

本文目前僅研究了不同PS摻量土的特性，后期將選擇坎兒井試驗(yàn)段，通過暗渠防滲抗凍脹與井壁凍脹范圍內(nèi)微鉆孔PS溶液注漿的方式實(shí)現(xiàn)坎兒井井壁的加固。

6 結(jié) 論

(1)PS改良坎兒井黃土可顯著提高起始凍脹含水率，并大幅度削弱土體凍脹量，但凍脹量并非隨著PS摻量的增大而降低，其中5%PS摻量土樣較3%PS摻量土樣的凍脹量更大，且不存在凍縮現(xiàn)象，造成這種現(xiàn)象的原因是PS過多時(shí)占據(jù)了土粒間的孔隙，相同含水率時(shí)，水分多集中在鑲嵌孔隙，而可吸收凍脹變形的氣泡體積反而減少，從而造成凍脹量的顯著增大。亦即PS在提高土粒間黏聚力的同時(shí)，PS膠體對(duì)土粒間孔隙的占據(jù)導(dǎo)致水分聚集位置發(fā)生了變化。

(2)PS會(huì)顯著改變剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線特征，其中在200 kPa豎向應(yīng)力作用下，無PS摻量的重塑土樣均為應(yīng)變硬化型，5%PS摻量土樣均為應(yīng)變強(qiáng)軟化型，3%PS摻量土樣為應(yīng)變?nèi)踯浕汀ｋS著PS摻量的增大，屈服前曲線呈現(xiàn)“上凸-近似線性-下凸”的過渡特征，說明土體逐漸由摩擦型向凝聚型材料轉(zhuǎn)變。

(3)摻入PS可大幅提高土體的峰值強(qiáng)度，其中黏聚力隨著PS摻量的增大而增大，摻入PS的土樣黏聚力隨著含水率增加而降低。但內(nèi)摩擦角隨PS摻量的增大而減小，相同PS摻量土樣的內(nèi)摩擦角不隨含水率而變化，其主要原因是摻入PS后，顆粒由“礦物”接觸變成了“PS薄膜”接觸。

(4)采用PS注漿加固可大幅提高土體的黏聚力，其中3%PS摻量對(duì)于提高土體強(qiáng)度和抗凍脹性更合適，且更為經(jīng)濟(jì)。但PS無法徹底消除井壁凍脹，因此可考慮暗渠防滲與井壁注漿聯(lián)合進(jìn)行。同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步研究PS加固后土體抵抗風(fēng)蝕的性能。