洪渡河堤防工程粉質砂土循環(huán)加卸動荷載下動力特性研究

張秀英

(貴州省桐梓縣燎原鎮(zhèn)水務站，貴州 遵義 563200)

1 概 述

水利工程設計離不開對土體力學特性的認知，而土體力學特性又包括了靜力學與動力學特性[1-2]，僅開展土靜力學研究，無法滿足工程實際需要，因此，探討土動力學特性，對提高水工結構抗動力破壞能力具有較強的實際意義。顧浩宇等[3]、王然等[4]利用室內(nèi)試驗儀器設備，開展了靜力學下的土體力學破壞研究，并對強度、變形等力學特征進行宏觀分析，初步獲得了土體宏觀靜力學特性與物理環(huán)境、摻量等因素的關聯(lián)性。舒榮軍等[5]、胡再強等[6]為探討土動力學特性，設計開展了不同頻率下土動荷載破壞試驗，并對土體動力學特性、應力應變進行對比分析，對研究土動力學特性發(fā)展規(guī)律具有參照意義。針對原狀土與改性土動力學特性，郭竟語等[7]、劉奇等[8]設計開展了循環(huán)動荷載下的土動力試驗，并對土體的孔壓特征、應力應變，乃至土動力特征參數(shù)進行了全面分析，揭示了土動力學特性影響變化。本文依托洪渡河堤防工程粉質砂土動荷載試驗研究，進行了改性粉質砂土的動力學特性影響研究，旨在為工程建設提供設計依據(jù)。

2 工程概況

洪渡河是黔北地區(qū)重要的地表河流，全長為205km，控制流域面積超過3700km2，洪渡河有10余條支流，流經(jīng)遵義多個縣區(qū)，同時也是烏江上游重要水資源供應來源。根據(jù)對洪渡河沿線區(qū)域的調(diào)查，其河段流域區(qū)80%以上均位于山高密林地帶，河流動水勢能較高，監(jiān)測到的流速最大可為3.2m/s，因此洪渡河上游適合建設水電站，為遵義地區(qū)發(fā)展提供清潔能源。在洪渡河上游已開發(fā)建設有3A級旅游景區(qū)，重點發(fā)展漂流、人文景觀等，水利經(jīng)濟價值逐年提升。但不可忽視的是，洪渡河在遵義地區(qū)內(nèi)的長度接近120km，涉及務川縣、鳳岡縣、沿河縣等，在部分河段內(nèi)堤防水土流失較為嚴重，極易引起堤防失穩(wěn)，特別是在務川縣K8+530處，水土流失率高達52.8%，遵義段洪渡河中度水土流失面積為195.2km2，部分河段堤防坡腳已出現(xiàn)臨空等現(xiàn)象，每年監(jiān)測水土流失量接近343.9t。不難看出，洪渡河的開發(fā)利用復雜性顯著，如何有效控制洪渡河堤防水土流失、堤防失穩(wěn)等問題，是遵義城區(qū)防洪的關鍵。為此，水利部門調(diào)查了洪渡河在遵義城區(qū)的流態(tài)、流速以及沿線堤防設計特征，劃定了遵義市洪渡河整治河段，項目區(qū)總面積為5.2hm2，其中堤防分布面積占比為65.5%，大多為中度水土流失，預計開挖土石方16.5萬m3，工程引起水土流失量為205.6t。堤防整治采用格賓石籠、生態(tài)護坡結合的方式，在迎水坡1/1.5～1/2.5的河段內(nèi)，漿砌石護底，混凝土坡面防沖刷，確保河段安全穩(wěn)定。經(jīng)河道堤防整治后，堤防迎水面防沖刷、固土防水效果比較顯著。在多輪次設計方案驗證時，發(fā)現(xiàn)堤防土層的粉質砂土常常出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，且流動性明顯，尤以較大洪峰過境時較為突出，因此，在加固堤防的同時，確保堤防粉質砂土抗液化、抗動力破壞能力不喪失也是重點。為此，堤防設計方案研究團隊專門針對粉質砂土動力荷載下的動力學特性演變進行試驗研究(見圖1)。

圖1 堤防K9+120處整治前、后堤防迎水面特征

3 試驗設計

為確保試驗研究結果的可靠性，在洪渡河遵義段整治工程K8+620處進行鉆孔取樣，測試表明，土樣粒徑0.25～0.075mm含量占比為24.5%，占比最多的為0.075～0.005mm顆粒(見圖2)，級配參數(shù)計算表明級配不良，整體松散性較高，含水率為7.5%～8.2%，本次共鉆6孔進行取樣，土樣平均含水率為7.75%，含水率整體差異性不大。土樣經(jīng)物化測試表明，液限為0.275，塑性指數(shù)為0.17，易溶性物測試結果為，有機物含量0.72mg/kg，易溶鹽電導率105μS/cm，鹽漬化較明顯。試驗前，六個鉆孔的試樣均需在室內(nèi)實驗室完成重塑制樣，參照含水率7.75%制備，用環(huán)刀法進行制樣打磨，由于洪渡河堤防工程加固設計時考慮了生態(tài)護坡，因此，試驗中重塑土樣加入有不同摻量的固化劑，該類型固化劑為有機物纖維物，在土樣重塑、碾碎狀態(tài)下混合制備，所制備的試樣含水率差異不超過0.5%，試樣制成后，依次進行烘干、密封、恒溫恒濕養(yǎng)護等，制備的試樣見圖3，直徑、高度分別為5cm、10cm。在正式進行動荷載試驗前，均需在真空飽和箱內(nèi)完成抽氣飽和，同時土樣加載前也需完成二次反壓，確保加載平臺上試樣達到固結。

圖2 土樣顆粒級配曲線

圖3 制備試樣

為研究粉質砂土的動力學特性，設計以循環(huán)加卸載方式開展動力破壞試驗，并監(jiān)測土樣破壞過程中動力特征參數(shù)的演變規(guī)律。GDS動荷載試驗設備(見圖4)可實現(xiàn)不同頻率、不同動應力比、不同路徑下動荷載試驗，動荷載頻率可設定為0.1～5Hz，荷載量程最大為50kN，該儀器設備具有反壓飽和控制器，可在試驗前完成土樣固結測試。試驗設備配置有數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、加載模塊等五個單元模塊，各模塊操作均集成于中控系統(tǒng)，確保土樣動荷載試驗過程可控、可測、可視。粉質砂土加載過程采用變形控制方式，速率為0.015mm/min，卸載過程同樣也采用變形控制，速率為0.01mm/min。與傳統(tǒng)靜力三軸試驗不同，土體動荷載試驗中，其軸向應力、圍壓作用方向有所差異性，圖4(b)所示為土樣在動荷載條件下圍壓、軸向荷載的作用特征，其中軸向荷載滿足正弦函數(shù)關系，頻率為0.25Hz，土樣45°斜面上剪切荷載形成的剪切角度為σ0+σd/2，其中σd為動荷載初始值，動應力比CSR設定為0.14[9]，本文試驗監(jiān)測也是圍繞土樣破壞過程中孔壓、動力特征參數(shù)進行分析。

圖4 動三軸試驗設計

洪渡河堤防工程粉質砂土的動荷載試驗中考慮了改性固化劑的影響，其摻量設定為0%(原狀粉質砂土)、0.5%、1%、1.5%、2%，圍壓按照50kPa、80kPa、120kPa、170kPa設定(見表1)，基于不同組試樣動荷載試驗結果分析，探討粉質砂土的動力特性，以作為堤防土體整治、加固設計的參照。

表1 各組試樣試驗參數(shù)

4 粉質砂土試樣孔壓發(fā)展特征

根據(jù)不同圍壓、不同改性固化劑摻量下試樣循環(huán)加卸動荷載試驗，經(jīng)試驗數(shù)據(jù)處理，獲得了土樣在各循環(huán)振次下孔壓發(fā)展特征(見圖5)。由圖5可知，在不同固化劑摻量下，同圍壓組中粉質砂土試樣的孔壓變化呈現(xiàn)一致性，固化劑摻量不會直接改變同組圍壓下孔壓演變歷程。在50kPa圍壓下，各摻量土樣孔壓均呈“緩增—陡增—緩增”的變化態(tài)勢，對應的循環(huán)振次節(jié)點基本接近，孔壓第一階段緩增終止于循環(huán)振次4次，而第三階段緩增起始于振次38次。當圍壓增大至120kPa、170kPa后，同組圍壓下土樣孔壓發(fā)展曲線具有差異性，在120kPa圍壓下，孔壓呈“緩增—快增—陡增”變化特征，其中在循環(huán)振次295次后，孔壓上升曲線在各圍壓中具有最高增幅；在170kPa圍壓下，孔壓變化具有降低段，位于循環(huán)振次573次后，且在循環(huán)振次9500次處，各摻量土樣孔壓值較為接近，即圍壓增大到一定幅值后，土樣的大變形會導致土樣內(nèi)部結構發(fā)生失衡性變化，導致孔壓出現(xiàn)“泄壓”現(xiàn)象。綜合分析來看，固化劑摻量不會從根本上改變土樣內(nèi)部顆粒結構，對土樣孔壓變化趨勢影響較弱，而圍壓是直接改變土樣內(nèi)部顆粒結構狀態(tài)的主要因素[10]，不同圍壓下土樣孔壓具有鮮明差異性。

圖5 試樣孔壓演變特征

同一圍壓下，固化劑摻量愈多，土樣孔壓愈低，50kPa圍壓下，原狀粉質砂土試樣循環(huán)振次12～25次下，孔壓分布于14.5～30.4kPa，而摻量為0.5%、1%、2%的三個試樣孔壓較之前者分別減少了17.5%、36.2%、70.6%；當圍壓增大至80kPa、170kPa后，摻量對試樣孔壓水平的影響減弱，80kPa圍壓下，摻量0.5%與2%的試樣在循環(huán)振次82～134次下，彼此之間孔壓平均差為5.6kPa，差幅為56.5%，而170kPa圍壓下為30.8%。當圍壓增大時，土樣孔壓同樣會減小，圍壓作用不僅會限制固化劑摻量對土樣孔壓的影響，同樣也會束縛土樣內(nèi)部孔壓水平的發(fā)展。

5 粉質砂土試樣動荷載下動力特征參數(shù)演變

循環(huán)加卸動荷載條件下，粉質砂土試樣動力特性演變直接關乎著土樣抗動力破壞能力，因此，本文引入動彈性模量、阻尼比兩動力特征參數(shù)進行動力特性分析。動彈性模量、阻尼比定義及計算式如下[11]：

(1)

式中Ed——動彈性模量，Pa；

σd——動應力，Pa；

εd——應變；

σmax、σmin——一個加載周期內(nèi)的最大、最小應力值，Pa；

εmax、εmin——一個加載周期內(nèi)的最大、最小應變值。

(2)

式中λd——阻尼比；

ΔQ——一個加卸載周期內(nèi)的能量損耗，J；

Q——荷載總能量，J；

A——一個加卸載應力閉環(huán)構成的圖形面積；

A′——應力、應變曲線第一象限內(nèi)的閉環(huán)圖形面積。

5.1 動彈性模量

對各圍壓組下不同摻量試樣計算動彈性模量，獲得了土樣動彈性模量隨應變發(fā)展的變化特征(見圖6)。由圖6可知，同一圍壓下，不同摻量土樣動彈性模量發(fā)展趨勢基本相近，甚至在不同圍壓組中，動彈性模量演變過程也大多相似，即固化劑摻量以及圍壓作用，均不會改變粉質砂土試樣動彈性模量的演變趨勢。在各圍壓組中，動彈性模量均為“遞減—穩(wěn)定”變化，但不同摻量、不同圍壓下，試樣進入動彈性模量的穩(wěn)定段各有區(qū)別，如圍壓50kPa、摻量0.5%的試樣在應變12.96%時進入穩(wěn)定段，而同圍壓下?lián)搅?.5%、2%的試樣分別在應變11.8%、10.8%時進入穩(wěn)定段。圍壓170kPa下，摻量0%、1%、2%的三個試樣在應變12.99%、10.6%、9.7%之前均為遞減特征，在該應變后，逐步達到穩(wěn)定段，動彈性模量值也較為接近。由此可知，摻量愈大，粉質砂土試樣進入動彈性模量的穩(wěn)定期愈早，各圍壓下均是如此。

圖6 粉質黏土試樣動彈性模量發(fā)展特征

綜合來看，固化劑摻量愈多，試樣動彈性模量值愈小，但差異性以動彈性模量遞減段更為顯著[12]。圍壓愈大，試樣動彈性模量愈高，同為摻量1%下，50kPa圍壓下，應變4.7%～7%區(qū)間內(nèi)動彈性模量分布于9.37～6.23MPa，平均模量值為7.7MPa，而80kPa、170kPa圍壓下同為該應變區(qū)間內(nèi)，平均模量分別提高了51.9%、84.4%。筆者認為，增大固化劑摻量，可減少土體動力響應水平，控制土樣動力破壞危害，提高堤防工程抗動力、抗震能力。

5.2 阻尼比變化歷程

同理，聯(lián)系加卸載過程中土樣應變特征，獲得了土樣阻尼比變化歷程(見圖7)。由圖7可知，各圍壓、摻量下試樣的阻尼比變化基本接近，均為“遞增—穩(wěn)定”狀態(tài)，但不同試樣進入阻尼比穩(wěn)定段節(jié)點各有差異。50kPa圍壓下?lián)搅?%、0.5%、2%的三個試樣進入阻尼比穩(wěn)定段節(jié)點應變分別為12.8%、11.4%、10.2%，而在170kPa圍壓下，上述三個試樣穩(wěn)定段節(jié)點應變分別為13.2%、12.4%、10.8%。不難看出，摻量愈大，則進入阻尼比穩(wěn)定段的節(jié)點應變愈小，且摻量以及圍壓作用，均不會改變阻尼比宏觀變化特征，只會影響變化節(jié)點。

圖7 粉質黏土試樣阻尼比演變特征

從阻尼比水平影響來看，摻量愈多，阻尼比愈大，而圍壓增大，阻尼比減小，總體上圍壓對土樣阻尼比影響效應弱于摻量因素。50kPa圍壓下，摻量1%的試樣阻尼比分布于0.07～0.26，而在120kPa、170kPa圍壓下阻尼比分別分布于0.06～0.2、0.04～0.19，三個圍壓之間，同摻量試樣阻尼比差值較小。當同為120kPa圍壓時，摻量0%的試樣在阻尼比穩(wěn)定段為0.166，而摻量0.5%、1.5%、2%的三個試樣阻尼比穩(wěn)定值分別為0.18、0.23、0.28，即摻量對阻尼比水平影響幅度高于圍壓作用。從堤防工程加固設計考慮，粉質砂土有必要進行固化改性，這對約束土體動力響應水平以及控制堤防動荷載破壞具有正向價值。

6 結 論

圍壓作用會改變土樣孔壓變化歷程，而摻量因素不會；固化劑摻量愈多，土樣孔壓愈低，同時圍壓增大，孔壓也會減小，且圍壓作用會減弱摻量與孔壓之間的關聯(lián)性；圍壓作用與摻量因素均不會改變土樣動彈性模量變化趨勢，動彈性模量呈“遞減—穩(wěn)定”變化，但摻量因素會影響土樣進入動彈性模量穩(wěn)定期的應變節(jié)點；固化劑摻量愈多，試樣動彈性模量值愈小，而圍壓對動彈性模量的影響則相反。

各圍壓、摻量下試樣的阻尼比變化基本接近，均為“遞增—穩(wěn)定”狀態(tài)，摻量愈大，進入阻尼比穩(wěn)定段的節(jié)點應變愈??；摻量、圍壓對阻尼比的影響分別為正相關、負相關，總體上不同圍壓之間阻尼比值差幅較低?？刂频谭拦こ谭圪|砂土的固化劑摻量，有助于約束土體動力響應水平，提高堤防抗動荷載破壞能力。