羅 坤，顧 冬，馬 力

（南京市水利規(guī)劃設計院股份有限公司，南京 210000）

水利工程中巖土體材料的穩(wěn)定性與工程設計安全性密切相關，在地基處理［1］、壩體堆筑［2］、河道整 治［3］及 防 滲 設 計［4］等 工 程 中 均 起 著 重 要 參 數 佐 證作用， 不可忽視基礎物理力學參數在工程設計中的參考價值。 戴健健等［5］、陳玲［6］、朱炳等［7］根據巖土體材料顆粒流計算理論， 利用離散元仿真平臺建立顆粒流計算模型，對模型開展壓縮、拉伸、剪切等模擬試驗，研究顆粒流模型在不同荷載條件下模型參數、試驗條件等對力學穩(wěn)定性影響， 為工程設計提供重要依據。 當然，在工程現場可以利用旁壓試驗［8］、觸探［9］等方式完成原位試驗，獲得地基土體材料地基承載力及變形特征，預判工程場地級別及穩(wěn)定性。室內試驗精度較高，結果可靠性較好，賀登芳等［10］、張鐘 毓 等［11］、馮 延 云 等［12］利 用 室 內 力 學 加 載 設 備 完 成了單軸壓縮、三軸剪切、滲透試驗等，獲得了巖土體材料的力學特征與滲透特性， 探討了工程運營中巖土體材料的基本狀態(tài)特征，推動工程設計水平。本文根據秦淮河河道整治工程中河坡堆積黏土體剪切力學與土水特征，設計開展三軸剪切與土水試驗，分析黏土體試驗結果， 豐富工程對巖土體基本物理力學狀態(tài)的認知成果。

1 試驗概況

1.1 工程背景

為提升秦淮河河道輸水能力，使之成為南京市區(qū)防洪排澇重要載體， 擬對部分淤積河道進行整治疏浚，第一階段河道整治全長為18km，該河段內泥沙含量較高， 水文監(jiān)測資料表明在部分河坡底部淤積有較嚴重泥沙，達9.5kg/m3，淤積厚度超過1.5m。 秦淮河該區(qū)段內包括有定淮門橋、清涼門橋等重點通行橋梁設施， 設置有10余座中小型水閘設施，目前考慮采用圍堰法進行河道疏浚施工，整治工程包括有防洪堤壩改造、河道清淤、水閘泄洪能力提升等。 改良后堤壩設置有防洪墻，堤頂加寬1～1.5m，高度增大2～2.5m，防洪標準提升至百年一遇洪水位，可承擔較大水位的上游泄洪，堤壩底部對泥沙進行清淤，確保壩基坐落在基巖上，另對壩基設置有防滲墊層， 確保整體防洪堤壩結構穩(wěn)定與滲流穩(wěn)定。 水閘目前最大泄流能力達1050m3/s，平均過流量為485m3/s， 所有水閘均以混凝土澆注形式，部分水閘底板厚度可達1.5m，且設置有承重墻結構；工程考慮對水閘上、下游進行改進提升，以液壓式啟閉機作為流量控制設施， 且開度控制精確，水閘整體最大沉降控制在5～8mm，水閘目前主要問題乃是下游河坡堆積土體過厚， 影響水閘滿功率泄洪，造成泄流能力降低，上游水頭壓力較低，無法產生較大泄流水頭差，故水閘整治的重點乃是下游河坡堆積土體的清理。 為方便圍巖導流施工， 對河道邊坡設置水工預制拼裝式擋土墻結構，最大高度可達8.5m，具備箱涵結構，可完成土壓力襯砌與河坡堆積土開挖過程中的支護，頂、底板厚度分別為1.8，1.2m，經室內模擬施工驗算得知經水工擋土墻支護后土體最大沉降變形不超過10mm，滲透坡降穩(wěn)定在0.2～0.25，但由于開挖后土體局部應力發(fā)生擾動， 土體剪切變形及含水特征發(fā)生較大影響，對堰頂具有滑坡威脅。 為保障工程圍堰順利施工及水閘下游泄洪能力提升， 在工程施工前對河坡堆積土體進行三軸剪切與土水特征試驗，基于試驗結果對工程設計施工進行改進，提升河道整治工程設計水平。

1.2 試驗介紹

本試驗采用土體三軸剪切儀完成剪切試驗，該試驗系統(tǒng)包括有加載設備、 數據采集處理系統(tǒng)及中控系統(tǒng)，如圖1。加載設備中包括有垂直與圍壓加載，最大垂荷載可達50kN，精度可達0.001N，以液壓程序式控制，而圍壓最大可達5MPa，可采用正、反向式體積壓力控制方式，荷載壓力波動幅度均不超過0.5%，滿足穩(wěn)定荷載試驗要求。 數據采集系統(tǒng)包括有外接設備與內置數據采集設備， 各類數據采集間距可控制在0.5～30s，可獲得試驗樣品全過程變形、荷載及細觀裂紋擴展等特征， 所使用的數據采集傳感器在試驗前均已進行誤差補償和標定， 確保最大誤差控制在試驗允許范疇， 其中LVDT傳感器最大量程可達15mm，誤差在0.3%RO。 所有數據實時傳回至中控系統(tǒng)進行后處理，可初步得到試樣全過程全方位力學-變形演變特征，中控系統(tǒng)可完成包括荷載控制、試驗終止等關鍵步驟，程序精確度較高，本試驗中剪切變形速率控制在0.01mm/min。 土水特征試驗采用非飽和土壓力板儀完成， 可獲得土體不同吸力狀態(tài)下的含水率等參數變化， 該試驗儀器吸力量程為0.1～1500kPa，試驗樣品尺寸可控制直徑在90～140mm，最大高度為150mm，數據采集誤差不超過0.1%，該試驗系統(tǒng)如圖2。

圖1 土體三軸剪切儀

圖2 非飽和土壓力板儀

對秦淮河河道河坡堆積黏土體現場取樣， 鉆孔取樣控制在間隔50m以上，經現場原位試驗測試得知黏土體最優(yōu)含水率16%， 地基承載力在80～120kPa。為避免含水率對土體剪切力學影響特性， 室內試驗樣品含水率均控制在16%左右， 圍壓設定為100，200，300，400kPa， 所有試樣在室內精加工制成直徑、高度分別為75，150mm［13，14］；土水特征試驗設定土 體 基 質 吸 力 分 別 為20，40，60，80，100，140，180kPa，進而獲得試樣的水土變化特征，各組試樣具體試驗參數方案如表1。

表1 各組試樣試驗參數

2 土體三軸剪切試驗結果

2.1 應力應變特征

根據對不同圍壓下土體三軸剪切試驗數據進行處理，獲得圍壓影響下土體剪切應力應變曲線，如圖3。從圖3可知，圍壓愈大，則試樣峰值剪切應力愈大，即圍壓可促進黏土體抗剪切能力； 在基質吸力180kPa試驗組中， 圍壓100kPa下黏土體試樣峰值應力為505.36kPa， 而圍壓為200，400kPa后黏土體峰值應力較前者分別增長了97.6%、1.98倍， 從整體增幅可知，圍壓每增大100kPa，平均可促進試樣峰值應力增幅47.9%；當基質吸力減小至20kPa后，雖整體加載應力水平不及前一基質吸力試驗組， 但圍壓效應依然顯著， 且圍壓促進峰值應力平均增幅為35.7%，表明基質吸力減小，圍壓對強度促進幅度有所減弱。筆者認為，當圍壓增大后，在三軸剪切試驗中實質上為增強了側向裂紋約束力，對縱向裂紋的擴展、延伸均具有抑制作用， 使土體內部顆粒骨架孔隙的貫通無法順利進行， 表現在加載應力上即是峰值應力提高的現象；當基質吸力增大后，土體內部孔隙中含有較多水分子易被擠出， 水分子所在的孔隙軟弱結構面占比減小，因而整體加載應力水平有所增高，而圍壓對試樣的強度促進效應受孔隙減少影響， 幅度高于低基質吸力組。

圖3 圍壓影響下土體剪切應力應變曲線

從各試樣變形特征可看出， 剪切過程可分為“線彈性增長-持續(xù)塑性變形”兩階段，部分試樣由于圍壓較高，試樣變形測量值超過量程，僅以最大應變15%為最終值； 在圍壓100kPa下試樣基本均出現了峰值應力與應力下跌階段，當圍壓超過200kPa后，黏土體試樣基本長期處于塑性變形階段，應力硬化效應顯著，表明土體三軸剪切應力下黏土體變形以塑性大變形為主，線彈性變形較少。 基質吸力20kPa 試驗組中圍壓100kPa 的線彈性模量為85.8kPa，而圍壓300，400kPa試樣的線彈性模量較之增長了1.44倍、4.1倍，整體上線彈性模量均較小，但從圍壓影響線彈性模量可知，其與線彈性模量參數具有正相關。

2.2 抗剪參數特征

基于剪切試驗獲得抗剪應力隨基質吸力變化特征，如圖4。 從圖4可知，同一圍壓下，基質吸力愈大，則黏土體試樣抗剪切能力愈強， 圍壓200kPa下基質吸力20kPa試樣的峰值抗剪切應力為596.1kPa， 而基質吸力增大至60，180kPa較之分別增長了26.7%，67.5%，基質吸力增長20kPa，黏土體試樣峰值剪切應力增幅達10.4%。 圍壓增大后，基質吸力對峰值剪切應力促進效應有所增強， 圍壓300，400kPa下平均增幅分別達11.3%，13.6%，表明控制基質吸力，可提升黏土體試樣抗剪切性能。

圖4 峰值抗剪應力與基質吸力關系

由三軸剪切試驗可獲得黏土體試樣抗剪特征參數，圖5為兩抗剪特征參數隨基質吸力變化關系。 從圖5可知，黏聚力隨基質吸力遞增，兩者具有二次函數關系，基質吸力20kPa下的黏聚力為16.5kPa，而在基質吸力100kPa前， 黏聚力平均增幅可達52.2%，而在基質吸力100～180kPa內， 黏聚力增幅僅11.6%，表明黏聚力隨基質吸力增長效應在100kPa后逐步減弱。 內摩擦角隨基質吸力變化幅度較小， 基質吸力180kPa下內摩擦角較之吸力20，40kPa下分別增長了12.7%，9.8%， 各基質吸力試驗組中內摩擦角分布為26.8°～30.2°， 表明內摩擦角受基質吸力影響敏感程度不及黏聚力。

圖5 抗剪特征參數隨基質吸力變化關系

3 土體土水特征試驗結果

根據土水特征試驗獲得不同圍壓下土水特征曲線，如圖6。 從圖中可看出，隨基質吸力增大，黏土體試樣含水率遞減，圍壓100kPa下，基質吸力20kPa時試樣含水率為0.313，而基質吸力60，100，180kPa下含水率較前者分別為0283，0.183，0146， 從整體含水率降幅可知，基質吸力增長20kPa，黏土體試樣含水率平均下降12.4%。 分析認為，黏土體試樣內部孔隙乃是隨基質吸力增大的過程中而被逐漸打開， 內部所含孔隙水排出， 進而呈現基質吸力與含水率為負相關特征［15，16］。 從基質吸力影響?zhàn)ゐね梁首兓芍?在基質吸力20，40kPa下試樣含水率處于不變狀態(tài)，此現象在3個特征圍壓下均為一致，圍壓300kPa下含水率穩(wěn)定在0.396，含水率的下降趨勢在基質吸力超過40kPa后才具顯著，表明基質吸力對黏土體含水率影響只有超過一定界限后才具顯著。筆者認為，黏土類土體內部孔隙的打開乃是必須達到一定節(jié)點的基質吸力后，才可出現孔隙水排出，當低于該節(jié)點后，基質吸力對閉合孔隙的影響較低，孔隙水排出難度較大， 故含水率變化較小。 當圍壓增大為300，400kPa后， 基質吸力與含水率變化關系基本一致，且吸力每增長20kPa，黏土體試樣含水率分別平均 下 降6.8%，4.6%。 相 比 圍 壓100kPa 下， 圍 壓300，400kPa下體積含水率均高于前者， 相同吸力80kPa下，試樣在圍壓100kPa體積含水率為0.21，而圍壓300，400kPa下含水率比前者高了56%，107.1%，整體上看， 圍壓400kPa下各基質吸力時的含水率分布在0.276～0.487，即圍壓愈大，黏土體試樣內部含水率愈多，基質吸力對含水率影響愈小。 分析表明，從力的作用方向來看， 吸力與圍壓為反方向， 當圍壓愈大，此時基質吸力會受限于圍壓約束影響，內部孔隙的打開受較強圍壓約束作用，無法較易排出孔隙水，形成試樣內部含水率較高的現象。

圖6 不同圍壓下土水特征曲線

4 結語

（1）圍壓可促進黏土體抗剪切能力與線彈性模量，圍壓每增大100kPa，基質吸力20，180kPa下峰值剪切應力的平均增幅分別為35.7%，47.9%；圍壓超過100kPa后無顯著應力下跌階段， 黏土體線彈性變形占比較少。

（2）基質吸力愈大，黏土體抗剪切能力愈強，基質吸力增長20kPa，圍壓200，400kPa黏土體峰值剪切應力增幅達10.4%，13.6%；黏聚力與基質吸力具有二次函數關系，黏聚力在基質吸力100kPa后增幅減小，但整體上黏聚力參數受基質吸力影響敏感度高于內摩擦角。

（3）基質吸力增大，黏土體含水率遞減，圍壓100，400kPa下基質吸力增長20kPa，黏土體含水率平均下降12.4%，4.6%，且含水率在基質吸力40kPa后才具下降特征； 圍壓愈大， 基質吸力對含水率影響較小，含水率降幅減小。