李旨洪
(江西省水利水電建設(shè)集團(tuán)有限公司,江西南昌330025)
水利工程建設(shè)中必須考慮地基承載力要求,天然地基無法滿足設(shè)計要求時,常需要通過地基處理改良,以滿足結(jié)構(gòu)安全設(shè)計要求,研究改良地基土體對推動地基處理設(shè)計水平提升具有重要指導(dǎo)意義[1-3]。李春好、王瑞等、王欣榮摻加化學(xué)試劑對土體進(jìn)行改良,獲得滿足工程要求的改良土體,此類改良主要依賴于化學(xué)試劑與土發(fā)生化學(xué)反應(yīng),進(jìn)而提升土體物理力學(xué)性質(zhì)[4-6]?;瘜W(xué)改良土體作用局限性較大,化學(xué)試劑成本較高,反應(yīng)速率較慢,因而王龍威等、張桂榮等、衛(wèi)杰等開始利用摻加良性土體或人工纖維等,對土體進(jìn)行物理改良,提升原狀土體力學(xué)表征,使重塑后土體能夠滿足工程設(shè)計要求[7-9]。土體力學(xué)性質(zhì)研究主要采用室內(nèi)試驗與仿真模擬計算2種手段,仿真計算主要采用顆粒流類軟件平臺建立計算模型,分析土體模型在不同荷載工況中力學(xué)特征,提高對土體力學(xué)特性認(rèn)知水平[10-12];采用室內(nèi)試驗對土體進(jìn)行力學(xué)加載測試,可真實獲得重塑土體或原狀土體力學(xué)性質(zhì)影響特性,為研究改良土體提供數(shù)據(jù)參考[13-15]。根據(jù)西彌浦泵閘工程地基粉土實際,進(jìn)行重塑黏質(zhì)粉土三軸力學(xué)試驗,開展黏質(zhì)粉土力學(xué)影響特性分析,為該泵閘工程地基設(shè)計提供參考。
西彌浦泵閘工程位于上海市寶山區(qū)西南部,是西彌浦河與蕰藻浜匯合處重要控制水利樞紐。工程采用整體式結(jié)構(gòu),軸線長27 m,最寬處28.5 m,以弧形鋼閘門作為流量調(diào)控設(shè)施,直徑4.5 m,閘室凈寬10 m。泵閘工程支護(hù)采用樁錨結(jié)構(gòu),總開挖深度8.1 m,支護(hù)樁長16 m,剖面直徑800 mm,設(shè)置有12根支護(hù)樁。閘室基礎(chǔ)也采用基礎(chǔ)樁支護(hù)措施,每根樁長22 m,在特征剖面設(shè)置有監(jiān)測設(shè)備,確?;A(chǔ)樁承載力滿足工程需求。泵站最大提水能力8萬m3/d,下游設(shè)有泄流孔,每孔直徑1.5 m,可為下游輸水渠提供重要水資源,也可為上游排澇、防洪等服務(wù)。該泵閘工程另設(shè)有攔污柵結(jié)構(gòu),泵站與攔污柵均采用閘墩支撐,每根閘墩厚度2.5 m,設(shè)有連系梁作為加固措施,其中橫連系梁采用張拉預(yù)應(yīng)力支護(hù),確保泵站與攔污柵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由于地區(qū)雨季降雨量較大,對工程上游排澇具有顯著影響,工程管理部門考慮建設(shè)一防汛墻結(jié)構(gòu),降低雨季暴雨等高徑流下泵閘設(shè)施滲透破壞威脅,設(shè)計防汛墻基礎(chǔ)埋深超過8 m。閘墩所在場地與防汛墻設(shè)計基礎(chǔ)埋深相差無幾,而目前地基土層以粉土為主,最厚處超過5.5 m,但其承載力不能滿足工程設(shè)計要求,且土體粘結(jié)性較弱,作為地基土體性質(zhì)不佳。為此,工程部門考慮對地基土體進(jìn)行改良,并先行在實驗室內(nèi)開展物理改良土體性質(zhì)研究,添加適量黏土質(zhì)顆粒改良粉土力學(xué)性質(zhì)[16,17],為后續(xù)工程地基處理等提供依據(jù)。
利用GEOMEC1000凍融循環(huán)三軸試驗儀開展物理改良粉土力學(xué)性質(zhì)試驗,該試驗包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、凍融試驗?zāi)K以及輔助性監(jiān)測系統(tǒng),試驗平臺如圖1所示。其中,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可根據(jù)試驗需求設(shè)定間隔為0.5~10 s,利用電腦程序處理試驗數(shù)據(jù),實時呈現(xiàn)試樣試驗狀態(tài)變化特征。加載系統(tǒng)采用電腦程序液壓控制,最大軸向荷載可達(dá)250 kN,圍壓加載可達(dá)40 MPa,荷載最大波動幅度不超過0.1%,確保加載精度不影響試驗結(jié)果。凍融試驗?zāi)K采用凍融試驗箱控制,最低凍結(jié)溫度可達(dá)-30℃,最高融化溫度可設(shè)定為80℃,試驗中選擇凍、融溫度分別為-20℃、20℃,經(jīng)目標(biāo)量的凍融循環(huán)次數(shù)后,試樣放入三軸試驗箱內(nèi)完成加載試驗。監(jiān)測系統(tǒng)包括宏觀變形監(jiān)測傳感器與細(xì)觀監(jiān)測設(shè)備,軸向變形量程為-25~25 mm,可滿足徑高比1/2、1/3等圓柱體、長方體試樣開展試驗,環(huán)向變形最大量程為15 mm,變形傳感器監(jiān)測誤差不超過0.5%,試驗中加載速率采用軸向變形控制方式,速率恒定為0.02 mm/min;細(xì)觀監(jiān)測設(shè)備主要指高速攝像頭以及聲發(fā)射等耦合設(shè)備。擊實試驗采用電動擊實儀完成,重塑土樣在擊實筒內(nèi)分多次、多層擊實,測取每次擊實后土樣質(zhì)量,取代表試樣測取最優(yōu)含水率。
圖1 GEOMEC1000凍融循環(huán)三軸試驗儀
粉土重塑物理改良方法較簡單,取泵閘工程場地粉土擊碎后養(yǎng)護(hù),在工程場地附近鉆孔取定量的黏土體,在實驗室內(nèi)分別擊碎2種土體,用篩分法過濾掉粗顆粒;后將碎粉土、黏土按照2/1配比放入制樣盤內(nèi),分多次灑水,每次灑水控制適量。2種土體攪拌擊實混合后,在恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h,擊實次數(shù)控制在20~25次;后采用環(huán)刀法制備滿足試驗要求的直徑、高度分別為38、76 mm的改良重塑土樣。改良重塑土樣凍融循環(huán)次數(shù)分別為0、2、4、6、8、10、12次,黏質(zhì)顆粒含量分別為5%、10%、15%、25%,另設(shè)置有原狀粉土試樣,各試驗方案參數(shù)詳見表1。
表1 各組重塑試樣黏質(zhì)顆粒含量與凍融次數(shù)
對不同黏質(zhì)顆粒含量的土樣進(jìn)行擊實試驗,獲得重塑土擊實曲線,如圖2所示。從圖2可知,各黏質(zhì)含量試樣的最佳含水量隨黏質(zhì)顆粒增大而遞增,黏質(zhì)顆粒5%試樣的最佳含水量為9.44%,而黏質(zhì)顆粒10%、15%時的含水量分別增大至9.86%、10.57%。從最大干密度變化特征來看,4個黏質(zhì)顆粒試樣最大干密度分布為2.03~2.04 g/cm3,各黏質(zhì)顆粒間試樣最大干密度最大變幅僅為0.6%。隨黏質(zhì)顆粒增大,最大干密度小幅降低,黏質(zhì)顆粒10%、20%試樣最大干密度相比黏質(zhì)顆粒5%時降低了0.33%、0.61%,表明黏質(zhì)顆粒對重塑土試樣的最大干密度具有抑制性影響。
圖2 各黏質(zhì)含量重塑土擊實曲線
黏質(zhì)顆粒與擊實試驗兩特征參數(shù)關(guān)系曲線,如圖3所示。從圖3曲線擬合來看,最優(yōu)含水量與黏質(zhì)含量具有二次函數(shù)正相關(guān)關(guān)系,黏質(zhì)顆粒增大5%,最優(yōu)含水量增長8.5%;而最大干密度與之亦具有二次函數(shù)關(guān)系,兩者為負(fù)相關(guān)關(guān)系。分析認(rèn)為,黏質(zhì)顆粒愈多,粉土顆粒間粘結(jié)性愈強(qiáng),保水性愈強(qiáng),降低了水分的流失作用,且外界擊實作用對其效果更佳,改良后重塑土樣最優(yōu)含水量愈大,但良好的壓實效果降低了重塑土樣的最大干密度。
圖3 黏質(zhì)顆粒與最大干密度、最優(yōu)含水量間關(guān)系
經(jīng)三軸凍融循環(huán)重塑土樣加載力學(xué)試驗,獲得黏質(zhì)顆粒含量影響下重塑土應(yīng)力應(yīng)變特征,如圖4所示,圖中各應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)均為凍融次數(shù)為0次時數(shù)據(jù)。從2個圍壓下重塑土應(yīng)力水平與黏質(zhì)顆粒含量關(guān)系可知,整體上高黏質(zhì)顆粒含量加載應(yīng)力較大,且物理改良重塑土應(yīng)力水平均高于原狀粉土。在圍壓100 kPa時,應(yīng)變3%下黏質(zhì)顆粒含量5%試樣的應(yīng)力為37.2 kPa,而相同應(yīng)變下黏質(zhì)含量10%、20%試樣應(yīng)力相比前者分別增長了22.2%、69.8%。分析認(rèn)為,三軸加載過程中原狀粉土顆粒間粘結(jié)性較差、顆粒主骨架間咬合度較弱,在壓縮應(yīng)力作用下,粉土顆粒發(fā)生滑移,導(dǎo)致原狀土加載應(yīng)力水平較低;當(dāng)原狀土重塑后摻加黏質(zhì)顆粒,具有粘結(jié)性的黏質(zhì)顆粒可進(jìn)入粉土主骨架,作為粉土顆粒間粘結(jié)劑減小顆粒間孔隙,增強(qiáng)顆粒骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,且黏質(zhì)顆粒含量愈多、顆粒骨架間隙愈小、粉土顆粒骨架粘結(jié)性愈強(qiáng),加載應(yīng)力水平愈高。
圖4 黏質(zhì)顆粒含量影響下重塑土應(yīng)力應(yīng)變特征
從變形特征來看,圍壓200 kPa時重塑土樣在峰值應(yīng)力后期下降幅度較小,在該圍壓下?lián)金べ|(zhì)顆粒含量10%試樣峰值應(yīng)力后期下降幅度為12.6%;而在圍壓100 kPa下的下降幅度為30.9%,圍壓愈大重塑黏質(zhì)粉土試樣塑性變形能力越強(qiáng)。從線彈性變形階段可看出,圍壓100 kPa下各黏質(zhì)粉土試樣的線彈性模量基本相近,達(dá)22.9 kPa,但在圍壓200 kPa下試樣線彈性模量增大了43.9%。分析認(rèn)為,黏質(zhì)顆粒含量對試樣線彈性變形階段影響較小,各重塑黏質(zhì)粉土試樣在相同圍壓下線彈性模量基本保持一致,圍壓越大線彈性模量值愈大。
為分析黏質(zhì)顆粒含量與重塑土樣抗壓強(qiáng)度關(guān)系,給出兩圍壓下黏質(zhì)顆粒含量影響下的三軸抗壓強(qiáng)度變化關(guān)系,如圖5所示。從圖5可看出,黏質(zhì)顆粒含量與重塑土樣抗壓強(qiáng)度具有正相關(guān)關(guān)系,兩者呈線性函數(shù)關(guān)系,在圍壓100 kPa時黏質(zhì)顆粒含量5%試樣抗壓強(qiáng)度為35.3 kPa,而含量15%、20%試樣強(qiáng)度相比前者分別增長了47.9%、81.8%。整體上看增幅可知,圍壓100 kPa下黏質(zhì)顆粒含量增長5%,平均可提升重塑土樣強(qiáng)度22.6%;而在圍壓200 kPa下,含量增長5%,重塑土樣強(qiáng)度可增大28.6%。這表明圍壓增大,重塑土樣強(qiáng)度受黏質(zhì)顆粒含量影響更為顯著。
圖5 黏質(zhì)顆粒含量影響下的三軸抗壓強(qiáng)度變化
凍融次數(shù)對重塑后土樣影響顯著,典型凍融次數(shù)影響下重塑土應(yīng)力應(yīng)變特征如圖6所示。從圖6可知,凍融次數(shù)對重塑土樣應(yīng)力水平影響具有階段性特征。黏質(zhì)含量5%時,在凍融次數(shù)0~8次內(nèi),次數(shù)愈多則重塑黏質(zhì)粉土加載應(yīng)力水平愈低,應(yīng)變3%時無凍融試樣的加載應(yīng)力為35.6 kPa,而凍融次數(shù)為4、8次試樣的加載應(yīng)力相比前者分別降低了26.7%、52.5%。該區(qū)間內(nèi)平均增長2次凍融,加載應(yīng)力水平可降低39.6%,表明該區(qū)間內(nèi)凍融次數(shù)有抑制重塑土樣加載應(yīng)力水平效應(yīng)。當(dāng)凍融次數(shù)超過8次后,相同應(yīng)變3%下次數(shù)為10、12次試樣的加載應(yīng)力相比8次分別增大了17.5%、36.8%,即凍融次數(shù)位于該區(qū)間內(nèi)時,凍融效應(yīng)對重塑土樣加載應(yīng)力具有促進(jìn)作用。當(dāng)黏質(zhì)含量增大至20%后,依然以凍融8次為階段節(jié)點,在該節(jié)點前、后區(qū)間內(nèi)凍融次數(shù)對試樣影響更為顯著;在凍融0~8次內(nèi),應(yīng)變3%時凍融4、8次試樣的加載應(yīng)力相比凍融0次分別降低了30.1%、49.9%;凍融8次后,相同應(yīng)變3%下次數(shù)為10、12次試樣的加載應(yīng)力相比次數(shù)8次分別增大了24.2%、63.6%。筆者認(rèn)為,凍融次數(shù)具有階段節(jié)點且與黏質(zhì)粉土內(nèi)含水量有關(guān),當(dāng)凍融次數(shù)處于小區(qū)間內(nèi)時,次數(shù)愈多,試樣內(nèi)顆粒骨架水晶體顆粒膨脹、收縮變形愈劇烈,對試樣承載能力愈不利;黏質(zhì)顆粒愈多,重塑土樣內(nèi)部顆粒骨架保水能力得到提高,受凍融效應(yīng)影響更為顯著,因而應(yīng)力漲跌幅度愈大。
從圖6(a)看出,凍融0~8次內(nèi),次數(shù)愈多,試樣線彈性模量愈小,凍融8次的線彈性模量為5.59 kPa,而凍融0、4次線彈性模量相比前者提高了1.2倍、62.1%;在凍融8~12次內(nèi),線彈性模量隨凍融次數(shù)具有遞增效應(yīng)。這表明不同凍融次數(shù)下,重塑黏質(zhì)粉土試樣在各變形階段均具有顯著差異性。
圖6 凍融次數(shù)影響下重塑土應(yīng)力應(yīng)變特征
凍融次數(shù)影響下重塑土樣三軸強(qiáng)度變化特征曲線,如圖7所示。從圖7可知,在黏質(zhì)含量5%試驗組中,凍融0~8次內(nèi),每增長2次凍融,強(qiáng)度平均損耗9.9%;而在凍融8次后,每增長2次凍融,重塑土樣強(qiáng)度可升高11.2%;且當(dāng)黏質(zhì)含量增大時,凍融效應(yīng)在重塑土樣強(qiáng)度中更為顯著。
圖7 凍融次數(shù)影響下重塑土樣三軸強(qiáng)度變化特征
(1)重塑后黏質(zhì)粉土最優(yōu)含水量與黏質(zhì)含量具有線性函數(shù)正相關(guān)關(guān)系,黏質(zhì)顆粒含量增大5%,最優(yōu)含水量增長8.5%;而最大干密度與黏質(zhì)含量具有二次函數(shù)關(guān)系,兩者為負(fù)相關(guān)關(guān)系。
(2)重塑后黏質(zhì)粉土加載應(yīng)力水平高于原狀粉土,且黏質(zhì)含量愈多則重塑黏質(zhì)粉土加載應(yīng)力水平愈大,圍壓100、200 kPa下黏質(zhì)顆粒含量增長5%,分別可提升重塑土樣強(qiáng)度22.6%、28.6%;圍壓愈大,重塑黏質(zhì)粉土塑性變形能力愈強(qiáng),圍壓200 kPa下線彈性模量相比100 kPa下增大43.9%。
(3)以凍融8次為階段節(jié)點,在該節(jié)點前、后區(qū)間內(nèi)凍融次數(shù)對試樣加載應(yīng)力分別為遞減、遞增效應(yīng),黏質(zhì)含量5%下凍融0~8、9~12次內(nèi),每增長2次凍融,強(qiáng)度分別平均損耗9.9%、增大11.2%;黏質(zhì)含量愈多,黏質(zhì)粉土受凍融效應(yīng)影響愈顯著,應(yīng)力漲跌幅度愈大。