李 明,高金花*,張浩,孫方成,高銀哲
(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130012;2.吉林省水工程安全與災(zāi)害防治工程實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130012;3.吉林省松原灌區(qū)工程建設(shè)有限公司,吉林 松原 138000;4.松花江水力發(fā)電有限公司吉林白山發(fā)電廠,吉林 樺甸 132403)
【研究意義】傳統(tǒng)渠道襯砌材料以混凝土、漿砌石為主,隨著砂石等建筑材料開(kāi)采量的增加,傳統(tǒng)建材成本逐漸提高,新型建筑材料的研發(fā)成為研究重點(diǎn)。鹽漬土作為一種有溶陷[1-3]、鹽脹[4]等特殊力學(xué)性質(zhì)的土體,廣泛分布于吉林西部地區(qū),具有諸多不良的工程特性且利用價(jià)值極低。采用固化技術(shù)將鹽漬土作為渠道襯砌原材料,可有效解決鹽漬土地區(qū)無(wú)襯砌渠道產(chǎn)生的溶陷沖蝕破壞的問(wèn)題。吉林西部作為國(guó)家重要的商品糧生產(chǎn)基地,渠道襯砌的新型材料研發(fā)有助于防滲工程優(yōu)化,對(duì)水資源節(jié)約與糧食增產(chǎn)具有重要意義。【研究進(jìn)展】鹽漬土固化技術(shù)主要是將水泥、礦渣、生石灰、粉煤灰、水玻璃等材料[5-7]單一或復(fù)合混摻,形成固化劑,再與鹽漬土、水按照一定比例混合,通過(guò)各材料的化學(xué)反應(yīng)來(lái)提高鹽漬土自身的力學(xué)性能,以達(dá)到固化效果。在渠道襯砌結(jié)構(gòu)方面,U 形渠道防滲、抗凍性能較好。與其他結(jié)構(gòu)斷面相比,U形結(jié)構(gòu)斷面覆蓋性更優(yōu),每公里輸水損失率可減少3.7%[8],灌水均勻度在85%以上[9]。對(duì)于襯砌結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬,孫景路等[10]采用ABAQUS 軟件分析了矩形渠道在給定工況下的受力狀態(tài),對(duì)矩形渠道構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化,證明了優(yōu)化后構(gòu)件的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。張偉等[11]采用有限元軟件對(duì)拋物線(xiàn)形渠道構(gòu)件進(jìn)行了應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)分布規(guī)律的研究,但其模擬過(guò)程未考慮周?chē)馏w和動(dòng)力問(wèn)題。溫彤[12]采用ABAQUS 軟件對(duì)U 形渠道進(jìn)行凍脹模擬分析并建立了整體式U 形渠道混凝土襯砌凍脹數(shù)值模型,但未考慮凍土與構(gòu)件間的相互作用。
【切入點(diǎn)】目前,鹽漬土固化技術(shù)的研究主要集中在土壤改良及路基填料方面[13-14],將其應(yīng)用于渠道襯砌材料方面的研究甚少,且對(duì)渠道襯砌構(gòu)件的數(shù)值模擬缺乏實(shí)際復(fù)雜運(yùn)行條件下的深入探討?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】鑒于此,本研究通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、室內(nèi)凍融試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)確定最優(yōu)材料配比,并利用ABAQUS 軟件對(duì)該材料配比下的U 形斷面構(gòu)件在吊裝及不同運(yùn)行工況下的受力、位移情況進(jìn)行分析,探究將鹽漬土作為渠道構(gòu)件生產(chǎn)原材料的可行性,為固化鹽漬土U 形渠道的施工優(yōu)化提供技術(shù)支撐。
1)試驗(yàn)土料
試驗(yàn)用土料取自吉林省松原市乾安縣所字鎮(zhèn)圖字村東北方向2.7 km 處的漫灘地。該地區(qū)的鹽漬土主要為砂質(zhì)黏壤土,粒度成分以細(xì)粒為主。試驗(yàn)土樣的易溶鹽量為8.16 g/kg,pH 值為9.81,最優(yōu)含水率為16.8%。
2)固化劑
試驗(yàn)采用自主研發(fā)的蘇打鹽堿土抗凍裂型固化劑[15],主要成分為水泥、硅酸鈉、玄武巖纖維。
1)試樣制備
以固化劑摻量和初始含水率為影響因素進(jìn)行組合試驗(yàn),固化劑摻量設(shè)定在20%~45%,以梯度5%增加,每種固化劑摻量下的含水率設(shè)定在14%~20%,以梯度2%增加,試驗(yàn)共計(jì)24 組處理,記為D1—D24。依據(jù)《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ/T 233—2011),制備尺寸為70.7 mm 的立方體試件,用于抗壓強(qiáng)度和室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn),試件由自制壓塊機(jī)壓制成型。參照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL 237—1999),結(jié)合三軸剪切滲透儀參數(shù),制備直徑61.8 mm、高120 mm 的圓柱體試件,用于滲透系數(shù)的測(cè)定,試件采用三瓣膜分4層擊實(shí)制成,每層進(jìn)行鑿毛處理。試件干體積質(zhì)量控制為1.8 g/cm3。
2)試驗(yàn)測(cè)試指標(biāo)
無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn):采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),以150 N/s 的速率對(duì)試件進(jìn)行加載,測(cè)定試件在養(yǎng)護(hù)齡期分別為7、14、28、60、90 d 下的強(qiáng)度。同時(shí),試驗(yàn)記錄每個(gè)試件從抗壓初始到結(jié)構(gòu)破壞的應(yīng)變過(guò)程,由此得出不同齡期不同固化劑摻量試件的平均彈性模量E50,為后續(xù)有限元模擬提供參考。
強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn):參考《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(SL 18—2004)中對(duì)水泥土材料的相關(guān)規(guī)定,28 d齡期下,水泥土材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.5 MPa 即可滿(mǎn)足渠道運(yùn)行條件。
凍融循環(huán)試驗(yàn):采用室內(nèi)快速凍融法,試件養(yǎng)護(hù)齡期為28 d,中心試件溫度控制在(-15±2)~(5±2)℃;1 次凍融循環(huán)時(shí)間控制在3 h。測(cè)定試件凍融循環(huán)次數(shù)分別為3、5、10、15、25、50~200(后續(xù)每25 次進(jìn)行1 次測(cè)量)的質(zhì)量損失率與彈性模量。
抗凍性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn):參考《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009),質(zhì)量損失率超過(guò)5%或相對(duì)動(dòng)彈性模量小于60%即停止試驗(yàn)。
根據(jù)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)含水率為16%時(shí),固化土試件性能最好,因此抗?jié)B試件含水率控制為16%。待試件養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28 d,采用三軸剪切滲透試驗(yàn)儀測(cè)定不同圍壓(100、200、300、400 kPa)下的各固化劑摻量試件的滲透系數(shù)。
抗?jié)B性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn):參考《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(SL 18—2004),水泥土材料的渠道允許最大滲透量為0.17 m3/(m2·d)。
由圖1 可知,20%~45%固化劑摻量的試件抗壓強(qiáng)度在8.82~14.91 MPa 之間變化;隨著初始含水率的增加,試件抗壓強(qiáng)度呈先升高后降低的變化趨勢(shì);當(dāng)固化劑摻量為40%、初始含水率為16%時(shí),抗壓強(qiáng)度到達(dá)峰值。初始含水率為16%時(shí),不同固化劑摻量下的試件抗壓強(qiáng)度在10.93~14.91 MPa 之間變化,分別為14%初始含水率下試件抗壓強(qiáng)度的1.0~1.15 倍、18%初始含水率下試件抗壓強(qiáng)度的1.02~1.17 倍、20%初始含水率下試件抗壓強(qiáng)度的1.06~1.24 倍。固化劑摻量為40%時(shí),不同初始含水率對(duì)應(yīng)的試件抗壓強(qiáng)度在13.15~14.91 MPa 之間變化,分別為20%固化劑摻量下試件抗壓強(qiáng)度的1.36~1.50 倍、25%固化劑摻量下試件抗壓強(qiáng)度的1.3~1.37 倍、30%固化劑摻量下試件抗壓強(qiáng)度的1.1~1.19 倍、35%固化劑摻量下試件抗壓強(qiáng)度的1.07~1.13 倍、45%固化劑摻量下試件抗壓強(qiáng)度的1.0~1.04 倍。固化劑摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響顯著高于初始含水率。
圖1 固化劑摻量和初始含水率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of curing agent content and initial moisture content on compressive strength
由圖2 可知,試件抗壓強(qiáng)度與齡期呈正相關(guān)。0~28 d 齡期內(nèi),試件抗壓強(qiáng)度增幅顯著,但當(dāng)齡期超過(guò)28 d 時(shí),抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率逐漸趨于穩(wěn)定。齡期為90 d 時(shí),不同固化劑摻量下的試件抗壓強(qiáng)度在12.43~19.68 MPa 之間變化,相同固化劑摻量下,7 d齡期的抗壓強(qiáng)度已達(dá)到 90 d 齡期抗壓強(qiáng)度的49%~56%,28 d 齡期的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了90 d 齡期抗壓強(qiáng)度的76%~88%。
圖2 齡期對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of curing age on compressive strength
固化鹽漬土質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)、固化劑摻量之間的關(guān)系見(jiàn)圖3。經(jīng)150 次凍融循環(huán)后,D1—D12 處理下的質(zhì)量損失率超過(guò)了5%;當(dāng)固化劑摻量在35%~45%時(shí),經(jīng)200 次凍融循環(huán)后,試件平均質(zhì)量損失率均低于5%。綜合分析試件經(jīng)3~200 次的凍融循環(huán)結(jié)果,初始含水率為14%時(shí)的不同固化劑摻量下的試件平均質(zhì)量損失率在0.46%~4.76%之間變化;初始含水率為16%的不同固化劑摻量試件平均質(zhì)量損失率在0.15%~4.44%之間變化;初始含水率為18%的不同固化劑摻量試件平均質(zhì)量損失率在0.13%~4.78%之間變化;初始含水率為20%的不同固化劑摻量試件平均質(zhì)量損失率為0.12%~5%。初始含水率為16%的試件質(zhì)量損失率較低,抗凍性較好。
圖3 固化鹽漬土經(jīng)過(guò)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的質(zhì)量損失率Fig.3 The mass loss rate of solidified soil after n freeze-thaw cycles
固化鹽漬土相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)、固化劑摻量的關(guān)系見(jiàn)圖4。D3、D4 處理經(jīng)50 次凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為51.4%、42.9%,經(jīng)75次凍融循環(huán)試驗(yàn)的質(zhì)量損失率均超過(guò)5%??梢?jiàn),相對(duì)動(dòng)彈模量較質(zhì)量損失率先達(dá)到臨界破壞標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)200 次凍融循環(huán)試驗(yàn)后,僅D18、D22 處理的相對(duì)動(dòng)彈性模量在70%以上。
圖4 固化鹽漬土經(jīng)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量Fig.4 Relative dynamic elastic modulus of solidified saline soil after n freeze-thaw cycles
50 次凍融循環(huán)后試件的平均質(zhì)量損失率與不同初始含水率、固化劑摻量的關(guān)系曲線(xiàn)分別見(jiàn)圖5、圖6。初始含水率為16%、固化劑摻量為40%的試件抗凍性最好。
圖5 初始含水率與平均質(zhì)量損失率之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between initial moisture content and average mass loss
圖6 固化劑摻量與平均質(zhì)量損失率之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between curing agent content and average mass loss
為比較兩因素對(duì)固化鹽漬土抗凍性的影響,采用相對(duì)數(shù)值法對(duì)兩因素進(jìn)行歸一化處理[16],質(zhì)量損失率受不同因素影響的趨勢(shì)見(jiàn)圖7。與初始含水率相比,固化劑摻量對(duì)試件抗凍性的影響更為明顯。隨著固化劑摻量的增加,質(zhì)量損失率呈減小趨勢(shì)。質(zhì)量損失率與含水率的關(guān)系呈先減小后增大的趨勢(shì)。
圖7 固化土質(zhì)量損失率影響因素分析Fig.7 Analysis on influencing factors of mass loss rate of solidified soil
由圖8 可知,滲透系數(shù)與固化劑摻量呈線(xiàn)性負(fù)相關(guān)。固化劑摻量每增加5%,滲透系數(shù)平均降低15%;當(dāng)固化劑摻量超過(guò)40%時(shí),滲透系數(shù)由1×10-6cm/s降低到1×10-7cm/s??梢?jiàn),添加固化劑后試件滲透系數(shù)很小,可用作裝配式渠道的生產(chǎn)原材料。
圖8 滲透系數(shù)隨固化劑摻量的變化Fig.8 Relationship between permeability coefficient and curing agent content
2.4.1 斷面設(shè)計(jì)及材料選取
渠道構(gòu)件斷面半徑為0.56 m,壁厚為0.08 m,外傾角為8°,設(shè)計(jì)水深為0.64 m,安全超高為0.36 m。構(gòu)件材料采用固化鹽漬土,材料參數(shù)選取28 d 齡期室內(nèi)試驗(yàn)最優(yōu)配比(40%固化劑摻量,16%初始含水率)的數(shù)據(jù):彈性模量897 N/mm2,泊松比0.25,黏聚力753.35 kPa,內(nèi)摩擦角25.31°。
2.4.2 工況設(shè)計(jì)及模型建立
本次模擬設(shè)置3 種工況。工況1:考慮吊裝方式及吊點(diǎn)位置進(jìn)行設(shè)置,設(shè)計(jì)一點(diǎn)單側(cè)吊裝(U 形開(kāi)口與起吊方向一致,主渠底受力)、兩點(diǎn)雙側(cè)吊裝(U形開(kāi)口與起吊方向一致,主渠底受力;U 形開(kāi)口與起吊方向相反,主渠頂受力)3 種方案。設(shè)構(gòu)件總長(zhǎng)為l,吊點(diǎn)距端部距離為x,一點(diǎn)吊裝時(shí),吊點(diǎn)位置為x=0.293 l;兩點(diǎn)吊裝時(shí),吊點(diǎn)位置取x=0.207 l[17];工況2:考慮渠道構(gòu)件外側(cè)受填土壓力,U 形渠內(nèi)滿(mǎn)水運(yùn)行;工況3:考慮地基土溫度變化引起的凍脹力。
各工況模型尺寸及邊界條件如下:工況1 中模擬吊裝單節(jié)2 m 的U 形構(gòu)件。工況2 中模型選取雙節(jié)U形構(gòu)件,地基土體的寬度、高度均為3 倍渠寬;地基土為當(dāng)?shù)佧}堿土;構(gòu)件所受荷載為自重荷載、渠內(nèi)水壓力、渠兩側(cè)土壓力,模型底部為全約束,側(cè)邊為法向位移約束。工況3 中的幾何模型參照滿(mǎn)水工況模型建立,上邊界取松原地區(qū)平均最低溫度為15 ℃,下邊界取距渠頂2 m 處的溫度為0 ℃,左右邊界取1 倍渠道寬,模型下邊界采用全約束,上邊界認(rèn)為其自由凍脹不設(shè)置邊界條件,其余面不設(shè)置約束條件。
2.4.3 模擬結(jié)果分析
工況1 下的各方案最大主應(yīng)力分布見(jiàn)圖9,位移分布見(jiàn)圖10。3 種方案下的構(gòu)件整體上受力均呈對(duì)稱(chēng)分布;方案一最大主應(yīng)力出現(xiàn)在吊帶與構(gòu)件外壁渠頂接觸處,為504.7 kPa;方案二最大主應(yīng)力出現(xiàn)在吊帶與渠道渠頂外壁接觸處,為87.4 kPa;方案三最大主應(yīng)力出現(xiàn)在吊帶與構(gòu)件外壁接觸處,為59.6 kPa;相比雙側(cè)吊裝,單側(cè)吊裝受力更大,構(gòu)件更易產(chǎn)生斷裂破壞。單側(cè)構(gòu)件吊裝模擬位移遠(yuǎn)高于雙側(cè)吊裝模擬位移,其位移為1.17 mm,出現(xiàn)在遠(yuǎn)離吊點(diǎn)一側(cè)渠頂端點(diǎn)處,方案二、方案三最大位移分別為0.08、0.07 mm,均出現(xiàn)在兩吊點(diǎn)中間渠頂位置,且由渠頂向渠底呈降低趨勢(shì)。對(duì)比方案二、方案三2 種吊裝方式發(fā)現(xiàn),二者最大主應(yīng)力及最大位移值相差不大,若采用方案三進(jìn)行吊裝,在構(gòu)件的安裝過(guò)程中需對(duì)其進(jìn)行翻轉(zhuǎn),增加了現(xiàn)場(chǎng)施工難度,因此建議采用方案二進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件吊裝。
圖9 最大主應(yīng)力分布Fig.9 Cloud map of maximum principal stress distribution
圖10 位移分布Fig.10 Displacement distribution nephogram
工況二最大主應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖11、位移分布云圖見(jiàn)圖12。U 形斷面構(gòu)件受力沿渠底縱向呈對(duì)稱(chēng)分布,渠道承端內(nèi)壁縱向中線(xiàn)連接處受最大拉應(yīng)力為94.32 kPa。U 形斷面總位移最大值為2.85 mm,在整體荷載作用下,構(gòu)件有輕微向下沉降的趨勢(shì)。
圖11 最大主應(yīng)力分布Fig.11 Cloud map of maximum principal stress distribution
圖12 位移分布Fig.12 Displacement distribution nephogram
工況三條件下的最大主應(yīng)力分布見(jiàn)圖13,位移分布見(jiàn)圖14。工況三構(gòu)件承受應(yīng)力較大,最大拉應(yīng)力值為312 kPa,最大拉應(yīng)力發(fā)生在構(gòu)件底板位置,易產(chǎn)生凍脹破壞。因此,在構(gòu)件生產(chǎn)中,應(yīng)考慮適當(dāng)增加底板厚度以滿(mǎn)足構(gòu)件的結(jié)構(gòu)安全。最大凍脹變形發(fā)生在構(gòu)件接縫連接渠頂位置處,沿側(cè)壁向下逐漸減小,最大位移為17 mm,渠底板位置位移最小為7.98 mm。可見(jiàn),構(gòu)件會(huì)受凍脹影響在接縫位置產(chǎn)生縫隙,接縫位置最容易產(chǎn)生破壞。
圖13 最大主應(yīng)力分布Fig.13 Cloud map of maximum principal stress distribution
圖14 位移分布Fig.14 Displacement distribution ephogram
固化劑摻量與初始含水率對(duì)固化鹽漬土抗壓強(qiáng)度的提升起到了主要作用。在實(shí)際工程中可通過(guò)改變固化劑摻量及初始含水率調(diào)控抗壓強(qiáng)度。與初始含水率相比,固化劑摻量對(duì)試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響更顯著。高摻量固化劑與較大含水率不會(huì)提升固化鹽漬土的整體抗壓強(qiáng)度,原因在于過(guò)多水泥量無(wú)法充分反應(yīng),水化程度降低,同時(shí)水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量會(huì)使試件內(nèi)、外溫差過(guò)大,致使試件產(chǎn)生裂縫,從而導(dǎo)致試件抗壓強(qiáng)度降低。含水率增大,試件內(nèi)部的自由水量增多,稀釋了固化劑濃度,改變了水化環(huán)境,限制了化學(xué)反應(yīng),降低了土粒之間的黏聚力和摩擦力,從而弱化了固化效果。
本文對(duì)采用固化鹽漬土材料的U 形渠構(gòu)件進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。考慮到裝配式固化鹽漬土渠道構(gòu)件的主要材料為土體,內(nèi)部沒(méi)有鋼筋配置,會(huì)在吊裝過(guò)程中存在因自重產(chǎn)生斷裂破壞的問(wèn)題,因此需要研究不同吊點(diǎn)工況??紤]到滿(mǎn)水工況下與地基土的接觸力學(xué)行為以及寒區(qū)地基土凍脹給襯砌帶來(lái)的影響,以吉林松原灌區(qū)內(nèi)某支渠中1 條典型斗渠作為原型渠道,結(jié)合不同工況,對(duì)U 形渠道模型的應(yīng)力、位移進(jìn)行具體分析。通過(guò)數(shù)值模擬分析可以看出,U 形襯砌渠道整體上抬,兩側(cè)受到擠壓,這與文獻(xiàn)[12]的研究結(jié)論一致,驗(yàn)證了鹽漬土固化材料作為渠道襯砌施工材料的可行性。
在實(shí)際工程中,渠道凍脹破壞情況更為復(fù)雜,是溫度、應(yīng)力、水分相互作用的結(jié)果,是熱力學(xué)、力學(xué)、物理化學(xué)的綜合問(wèn)題。在建立模型時(shí),本文忽略了渠基土中水分遷移和補(bǔ)給對(duì)渠道凍脹的影響,未來(lái)還需進(jìn)行深入研究。
1)初始含水率為16%,固化劑摻量為40%時(shí),抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)峰值,為室內(nèi)試驗(yàn)最優(yōu)配比;材料具有早期強(qiáng)度高的特點(diǎn),28 d 齡期抗壓強(qiáng)度可達(dá)90 d 抗壓強(qiáng)度的75%以上。
2)室內(nèi)試驗(yàn)最優(yōu)配比試件可經(jīng)受200 次以上的室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn),耐久性良好;固化劑摻量每增加5%,滲透系數(shù)平均降低15%,最優(yōu)配比試件的滲透系數(shù)達(dá)到1×10-7cm/s,可作為渠道襯砌防滲材料。
3)滿(mǎn)水工況下,最大受力及最大位移發(fā)生在構(gòu)件底板接縫位置處;構(gòu)件受溫度引起的凍脹影響較大,在構(gòu)件接縫位置最大變形約為2 cm,為減少凍脹破壞帶來(lái)的影響,建議適量增加構(gòu)件長(zhǎng)度。
(作者聲明本文無(wú)實(shí)際或潛在的利益沖突)