袋裝膨脹土強度變形特性及其碾壓質(zhì)量控制與檢測

張勇敢，劉斯宏，魯 洋，方斌昕，廖 潔，張思鈺

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

膨脹土是一種易吸水膨脹、失水收縮的高塑性黏土，目前已在我國20多個省發(fā)現(xiàn)其分布[1]。由于國家基礎(chǔ)建設(shè)的需要，一大批長距離水利、交通工程不可避免地穿越了有“工程癌癥”和“攔路虎”之稱的膨脹土地段[2-5]。以南水北調(diào)中線工程為例，渠道干線全長超過1 400 km，其中膨脹土(巖)地段累計長度約387 km，約占輸水干線總長的27%[6]。為解決膨脹土地段的工程建設(shè)問題，全國多家科研、勘察、設(shè)計單位對膨脹土問題開展了深入研究，提出了土料換填[7]、土料改性(添加水泥或者固化劑)[8-9]和土料加筋(鋪設(shè)土工格柵以及添加纖維等)[10-11]等各種膨脹土處理方案。劉斯宏等[12-14]通過對膨脹土工程特性及其影響因素的分析，首先提出了采用土工袋處理膨脹土渠道邊坡的新思路，隨后采用室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗驗證了土工袋處理膨脹土渠道邊坡的有效性，并進一步提出了土工袋處理膨脹土渠道邊坡的穩(wěn)定性計算分析方法。

近年來土工袋技術(shù)已被應(yīng)用于膨脹土渠道邊坡的修復(fù)和保護[15-16]，但在施工期的質(zhì)量控制和檢測方面仍有以下3個關(guān)鍵問題未完全解決：①在工程設(shè)計階段，目前土工袋用于膨脹土的渠道邊坡填筑時仍選用壓實度作為控制指標，壓實度的大小一般參考相應(yīng)規(guī)范中土體碾壓時所需達到的壓實度(一般壓實度不小于0.95)[17]。事實上，袋裝膨脹土的強度遠超相同壓實度下的純膨脹土，而且土工袋用于處理膨脹土渠道邊坡時其穩(wěn)定性主要由堆疊袋體間的摩擦特性決定，受袋體的承載力影響較小[18-22]。因此，選取一個合適的施工質(zhì)量控制指標對于土工袋處理膨脹土渠道邊坡的填筑尤其重要。②土工袋處理膨脹土渠道邊坡的處理深度一般為1～2 m[15]，但目前膨脹土渠道邊坡修復(fù)時多數(shù)采用大型振動碾作為土工袋渠道邊坡的碾壓機械，考慮到工作面的大小和施工的便易性，選擇小型碾壓機械對袋裝膨脹土進行碾壓是值得探索的。③當(dāng)碾壓機械對袋裝膨脹土碾壓完成之后，施工質(zhì)量檢測一般采取壓實度檢測方法[16]，但是壓實度檢測耗時且需要大量人工操作，嚴重降低施工效率，尋找一種簡潔、快速和高效的袋裝膨脹土施工質(zhì)量檢測方法是迫切而必要的。

為解決以上問題，本文基于袋裝膨脹土的無側(cè)限抗壓強度試驗，研究袋裝膨脹土在外荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律，結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變曲線特點提出袋裝膨脹土填筑時的碾壓質(zhì)量控制指標，并進一步探討落錘式彎沉儀(FWD)用于袋裝膨脹土施工質(zhì)量檢測的可行性，提出可用于膨脹土渠道邊坡施工的袋裝膨脹土碾壓機械及其碾壓方案。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所用膨脹土取自南水北調(diào)中線工程葉縣段輸水渠道工程現(xiàn)場，土料密封保存運回實驗室后，依據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》開展膨脹土的基本物理特性試驗。試驗結(jié)果表明:該膨脹土的最大干密度為1.60 g/cm3，對應(yīng)的最優(yōu)含水率為21.7%；土料塑限含水率為26.3%，液限含水率為70.8%，塑性指數(shù)為44.5；土料自由膨脹率為59%，屬于弱膨脹土。此外，試驗選用以聚丙烯(PP)為原材料的黑色土工編織袋，袋體每平方米質(zhì)量為100 g，平鋪尺寸為85 cm×50 cm。袋體經(jīng)向抗拉強度為22.7 kN/m，極限伸長率為23.5%；緯向抗拉強度為17.2 kN/m，極限伸長率為22.1%。

1.2 試驗方案

1.2.1 無側(cè)限抗壓強度試驗

試驗在河海大學(xué)自主研發(fā)的大型液壓試驗機上進行，試驗裝置主要由加載系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分組成(圖1)。豎向加載系統(tǒng)最大荷載為1 000 kN，最大位移為1 000 mm，其中荷載傳感器精度為±0.01%，位移傳感器的精度為0.1 mm。試驗時采用應(yīng)力式加載方式，加載速率為1 kN/s。試驗前先將風(fēng)干膨脹土采用木槌適當(dāng)敲碎，然后將初步破碎的風(fēng)干土樣通過帶有2 mm篩網(wǎng)的粉碎機粉碎，土料粉碎后拌和均勻并采用保鮮膜包裹密封，靜置48 h后取出部分土樣測定其風(fēng)干含水率。根據(jù)試驗方案以及所得風(fēng)干含水率將風(fēng)干土料加水至試驗?zāi)繕撕剩S后裝入密封袋中悶料24 h備用。

圖1 無側(cè)限抗壓強度試驗Fig.1 Unconfined compressive strength test

考慮南水北調(diào)中線工程葉縣段輸水渠道工程現(xiàn)場的膨脹土中存在部分大小不一的礫石，同時考慮土料含水率對土工袋裝填難易程度和壓實性能的影響，設(shè)計了表1所示的試驗方案。其中，含水率21.7%為最優(yōu)含水率；摻入的礫石粒徑范圍為2～10 cm；為確保試驗結(jié)果的準確性，各試驗方案均開展3組平行試驗，合計制備36個土工袋試樣。僅選取最優(yōu)含水率和高于最優(yōu)含水率的土料開展無側(cè)限抗壓強度試驗主要是基于以下兩點考慮：①在渠道邊坡施工過程中，一般土料的含水率均控制在最優(yōu)含水率附近；②土工袋不但可以用于正常施工過程中膨脹土的處理，也可以用作膨脹土渠道邊坡滑坡破壞后的快速修復(fù)，而膨脹土渠道邊坡的滑坡破壞一般發(fā)生在降雨期，此時可用于裝填土工袋的土料其含水率明顯高于最優(yōu)含水率。此外，為減小加載板上、下剛性邊界對袋裝膨脹土強度變形特性的影響，每組試驗均堆放3層土工袋，這種堆疊方式雖然與實際工程中的交錯排列方式有一定的差異，但從土工袋單元體受力的角度來講，這種排列方式的差異對袋裝膨脹土抗壓強度的影響幾乎可以忽略，這是因為袋裝膨脹土的抗壓強度主要由袋內(nèi)土體強度以及袋體的抗拉強度(即袋體可發(fā)揮的張力)決定[12-13]。

表1 袋裝膨脹土無側(cè)限抗壓強度試驗方案

1.2.2 袋裝膨脹土碾壓質(zhì)量檢測

FWD是目前路面彎沉檢測的最先進設(shè)備之一，具有檢測速度快、精度高、無損等特點，因此在高速公路基層、土石壩等工程的施工質(zhì)量檢測中得到廣泛應(yīng)用[23]。本文采用FWD檢測袋裝膨脹土的碾壓質(zhì)量。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 無側(cè)限抗壓強度試驗

袋裝膨脹土在加載過程中，袋體與加載板之間的接觸面面積會發(fā)生變化，因此試樣加載過程中分別沿土工袋的長度和寬度方向布設(shè)了兩個環(huán)向拉線式位移傳感器，以實時監(jiān)測袋體長度和寬度兩個方向的周長變化。袋體加載過程中其豎向變形由加載裝置自帶的位移計實時記錄。試驗中的應(yīng)力由實測豎向力除以接觸面的實時校正面積所得，而應(yīng)變則由豎向變形除以袋體初始高度得到。其中，袋體與加載板之間的實時接觸面積基于以下兩個基本假定確定：①土工袋在壓縮過程中袋體始終保持長方體形態(tài)；②袋體沿長度和寬度兩個方向的變形是均勻的(從嚴格意義上來說，這種假定是不完全準確的，這是因為在加載過程中土工袋各部位的變形并非完全均勻，進而導(dǎo)致加載后袋體形態(tài)不能呈現(xiàn)標準的長方體；但本文試驗選用的土工袋尺寸較大，加載過程中土工袋側(cè)邊凸起和凹陷部位面積占加載接觸面總面積的比例較小，因此計算誤差可以滿足工程要求，同時計算結(jié)果的準確性也顯著優(yōu)于未校正接觸面面積)。實時接觸面積計算公式為

(1)

式中：S為土工袋與加載板之間的實時接觸面積；l1、l2分別為土工

袋長、寬方向的實時長度、寬度；C1、C2分別為土工袋長、寬方向的實時周長；h為土工袋實時高度。

圖2給出了不同試驗方案下袋裝膨脹土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，可以看出：①壓縮過程中，袋裝膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)上凹形態(tài)。加載初始階段曲線斜率(變形模量)顯著小于加載后期，這主要是因為加載初始階段袋內(nèi)土體的壓縮占優(yōu)勢，當(dāng)袋裝膨脹土壓縮到一定的變形后，土工袋張力的約束作用逐漸增強，導(dǎo)致袋體的變形模量增大；②在相同豎向應(yīng)力作用下，由于礫石的不可壓縮性，導(dǎo)致?lián)降[膨脹土土工袋的壓縮變形比純膨脹土土工袋要小，且袋內(nèi)膨脹土含水率越低這種現(xiàn)象越明顯；③袋內(nèi)膨脹土的含水率越低，礫石的加入對提高土工袋變形模量的效果越明顯，因此在施工時應(yīng)盡可能選擇含水率較低的土體。

圖2 袋裝膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.2 Stress-strain curves of soilbags filled with expansive soil

圖3為試驗加載結(jié)束時(對應(yīng)于圖2中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線結(jié)束點)各試驗方案下土工袋袋體的破壞形態(tài)，可知未摻礫膨脹土土工袋表面平整無損，但袋體側(cè)面出現(xiàn)脹裂，并且土體含水率越高其側(cè)面脹裂現(xiàn)象越明顯。此外，摻礫膨脹土土工袋除袋體側(cè)面脹裂外，表面袋體有局部被礫石頂破，并且土體含水率越高破損現(xiàn)象越嚴重。但從試驗結(jié)果(圖2)可以看出，即使袋體側(cè)面脹裂、表面有局部頂破，各試驗方案下袋裝膨脹土的豎向應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大仍然呈現(xiàn)出增長趨勢，也就是說，即使土工袋袋體出現(xiàn)局部破損，袋體仍然能夠?qū)Υ鼉?nèi)土體起到良好的加筋作用。

圖3 加載試驗結(jié)束時土工袋袋體破壞形態(tài)Fig.3 Failure pattern of soilbags at the end of loading

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線變形模量較低階段劃分示意圖Fig.4 Division diagram of lower deformation modulus stage in stress-strain curve

從圖2還可以看出，袋裝膨脹土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線存在一個顯著的變形模量“較低”階段(圖2中綠色方框部分，其劃分標準可參考圖4)，在這一階段，袋裝膨脹土的變形模量隨著應(yīng)變的快速增加而緩慢增大，這與方斌昕等[24-27]關(guān)于袋裝砂土、袋裝淤泥質(zhì)土和袋裝建渣的試驗結(jié)果有顯著的不同，主要原因是袋內(nèi)填料的物理力學(xué)特性不同。事實上，對于土工袋處理的膨脹土渠道邊坡，渠道邊坡的穩(wěn)定性受袋內(nèi)土體強度的影響不大，而是取決于袋體與袋體之間的摩擦特性[15,18-22]。此外，相對于無加筋的土體，不管土工袋加筋土體的初始壓實度如何，其抗壓強度可以輕易地超過1 MPa，甚至達到更高，并且強度的大小主要與袋體材料所能提供的最大張力有關(guān)[28-29]。因此，從保持膨脹土渠道邊坡穩(wěn)定性的角度來講，袋裝膨脹土在施工碾壓時并不需要使袋內(nèi)土體的壓實度達到0.95及以上。然而，考慮到渠道邊坡的使用功能，則要求袋裝膨脹土施工完成后不能產(chǎn)生過大變形和沉降。因此，從施工的便易性和經(jīng)濟性兩方面考慮，土工袋用于處理膨脹土渠道邊坡時只需要通過適當(dāng)碾壓消除應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線上初始變形模量“較低”的階段即可。

2.2 基于FWD的袋裝膨脹土碾壓質(zhì)量檢測

2.2.1 FWD用于袋裝膨脹土碾壓質(zhì)量檢測的可行性分析

FWD雖然已成功應(yīng)用于道路的施工質(zhì)量檢測，但在土工袋施工質(zhì)量檢測中尚未有使用先例。為驗證FWD用于土工袋施工質(zhì)量檢測的有效性，采用大型萬能試驗機對方案1的9個初始狀態(tài)相同的袋裝膨脹土試樣進行預(yù)壓，預(yù)壓應(yīng)力分別選取為20 kPa、40 kPa、80 kPa、120 kPa、180 kPa、250 kPa、400 kPa、600 kPa和800 kPa，隨后采用FWD測定其回彈模量，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，袋裝膨脹土的回彈模量隨著預(yù)壓應(yīng)力的增加而單調(diào)增大，二者之間存在一一對應(yīng)關(guān)系，因此可以采用回彈模量來表征袋裝膨脹土所承受的預(yù)壓應(yīng)力。此外，從圖2的試驗結(jié)果可知，當(dāng)預(yù)壓應(yīng)力達到400 kPa左右時，袋裝膨脹土初始變形較大階段(即圖2中變形模量“較低”階段)基本結(jié)束，對應(yīng)的由FWD檢測得到的回彈模量約為27 MPa(圖5)。綜合考慮袋裝膨脹土的強度變形特性以及回彈模量隨預(yù)壓應(yīng)力的變化規(guī)律，可以選取回彈模量27 MPa作為南水北調(diào)中線工程葉縣段渠道邊坡袋裝膨脹土現(xiàn)場施工的碾壓質(zhì)量控制指標。

圖5 袋裝膨脹土回彈模量與預(yù)壓應(yīng)力的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between resilient modulus and compression stress of soilbags filled with expansive soil

2.2.2 不同碾壓機械碾壓后袋裝膨脹土回彈模量分析

a.小型平板振動碾。在驗證了FWD可用于袋裝膨脹土的施工質(zhì)量檢測之后，采用小型平板振動碾(整機質(zhì)量80 kg，輸出功率5.5 kW，激振頻率60 Hz，激振力約16 kN)對初始狀態(tài)相同的袋裝膨脹土進行碾壓，碾壓時間分別為1 min、2 min和3 min，隨后采用FWD對碾壓后的袋裝膨脹土進行回彈模量檢測，得到碾壓1 min、2 min、3 min的袋裝膨脹土回彈模量分別為14.4 MPa、17.2 MPa和18.1 MPa?？梢姡S著碾壓時間的增加，袋裝膨脹土的回彈模量逐漸增大，但當(dāng)碾壓時間超過2 min后，回彈模量隨碾壓時間增加而增大的效果不再明顯，碾壓3 min后袋裝膨脹土回彈模量與消除袋裝膨脹土初始壓縮變形較大階段所需的回彈模量27 MPa仍存在一定差距。

b.小型滾筒振動碾。在確認小型平板振動碾并不能滿足碾壓要求后，改用小型滾筒振動碾(整機質(zhì)量640 kg，動力型號為常柴R180，激振力約30 kN)對袋裝膨脹土進行了碾壓，碾壓遍數(shù)為2遍、4遍和6遍，隨后采用FWD對碾壓后袋裝膨脹土的回彈模量進行檢測，得到碾壓2遍、4遍、6遍的袋裝膨脹土回彈模量分別為16.0 MPa、26.1 MPa和39.1 MPa?？梢?，當(dāng)小型滾筒振動碾的碾壓次數(shù)達到4遍后，袋裝膨脹土的回彈模量已經(jīng)接近27 MPa，碾壓6遍后超過了消除袋體壓縮過程中回彈模量較低階段所需的27 MPa。綜合考慮碾壓機械的效率和操作的便易性，建議膨脹土渠道施工過程中采用小型滾筒振動碾對袋裝膨脹土進行碾壓，碾壓遍數(shù)應(yīng)不低于4遍。

3 結(jié) 論

a.將土工袋用于處理膨脹土渠道邊坡時，施工碾壓時不需要使袋內(nèi)土體的壓實度達到0.95及以上，只需通過適當(dāng)碾壓消除應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線上初始變形模量“較低”的階段即可。

b.礫石的加入可以顯著提高袋裝膨脹土的變形模量，但是提高效果與袋內(nèi)土體的含水率密切相關(guān)。

c.FWD作為一種快速、簡單和無損的施工質(zhì)量檢測技術(shù)，可用于袋裝膨脹土的施工質(zhì)量檢測。

d.將土工袋用于處理膨脹土渠道邊坡時，建議施工過程中采用小型滾筒振動碾對袋裝膨脹土進行碾壓，碾壓遍數(shù)應(yīng)不低于4遍。