陳 超 齊春舫 谷 靜

(淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223005)

1 概 述

水工建筑物穩(wěn)定性與場地地基承載力密切相關(guān)，地基土體沉降變形以及力學(xué)穩(wěn)定性均是水工設(shè)計(jì)中必須考慮的重要巖土參數(shù)，確保水工設(shè)計(jì)水平與地基土體承載性能相匹配乃是設(shè)計(jì)基本安全要求，為此針對不良地基常常采用人工處理方法進(jìn)行改良[1-3]，研究改良后地基土體力學(xué)穩(wěn)定性對驗(yàn)證地基處理工藝水平具有重要意義。黎柳坤[4]、陳慶等[5]、王家全等[6]根據(jù)土體等巖土體顆粒流特點(diǎn)，利用離散元仿真手段建立顆粒流模型，設(shè)立不同荷載工況，開展細(xì)觀角度下的土體力學(xué)穩(wěn)定性及影響因素分析，極大提升了水利工程中土體材料力學(xué)認(rèn)知水平。通常地基處理采用灌注樁以及物理化學(xué)方法改良等工藝技術(shù)[7-9]，不同工藝或技術(shù)對地基承載力提升均具有重要作用。利用石灰、黏土等其他外加劑對地基土體進(jìn)行人工改良，有利于快速改變地基不良狀態(tài)，確保地基承載力滿足工程場地設(shè)計(jì)要求。為此，對土體開展室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)很有必要，姚陽等[10]、張曉昀等[11]利用精密室內(nèi)儀器開展了包括重塑土、原狀土等土體在內(nèi)的三軸剪切、滲透等試驗(yàn)，為土體力學(xué)穩(wěn)定性及滲透演化研究提供了重要試驗(yàn)資料。本文對淮安地區(qū)擬建二級抽水泵站工程場地地基土體進(jìn)行摻石灰處理工藝研究，研究石灰摻量以及凍融效應(yīng)對改良土力學(xué)穩(wěn)定性影響，為工程地基處理設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)支撐。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)背景

為提升淮安地區(qū)水資源供給能力，在原淮安抽水泵站基礎(chǔ)上考慮新建一座二級抽水泵站，一方面可提升地區(qū)生活供水水平，且可在枯水季為京杭大運(yùn)河提供需水量，確保運(yùn)河通行水位要求。泵站設(shè)計(jì)由4臺機(jī)組構(gòu)成，單機(jī)抽水量為60m3/s，可實(shí)現(xiàn)日供水量25萬m3，設(shè)計(jì)與新建泵站工程相搭配的輸水灌渠，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水供應(yīng)，進(jìn)行泵站樞紐工程周邊13.5萬畝農(nóng)田灌溉，減少地下水開采量，整體上二級泵站投入運(yùn)營后可降低地區(qū)缺水率5.5%。另一方面，二級抽水泵站的建設(shè)，可實(shí)現(xiàn)淮安地區(qū)部分小型河道水資源補(bǔ)給，極大改善水資源環(huán)境，提升水質(zhì)，且泵站作為防洪排澇重要水利設(shè)施，其建設(shè)后對淮安地區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)提升以及保障均具有重要意義。目前，擬建的二級抽水泵站樞紐工程包括有蓄水池、水閘以及擋土邊墻等設(shè)施，蓄水池設(shè)置有攔污柵，減弱池內(nèi)泥沙淤積沉降對滲流場影響，降低水池內(nèi)紊流，故蓄水池結(jié)構(gòu)自重荷載較大；而水閘采用預(yù)應(yīng)力閘墩作為支撐結(jié)構(gòu)，閘墩直徑為1.8m，驗(yàn)算得知閘墩最大沉降應(yīng)控制在8～12mm，水閘最大通行流量設(shè)計(jì)為765m3/s，閘門采用弧形鋼閘門，直徑為2.2m；擋土邊墻采用預(yù)制拼裝水工擋土墻結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)為施工工藝較簡單，但自重荷載較大，對地基承載力要求較高；泵站機(jī)組設(shè)施作為該樞紐工程主要功能設(shè)備，其裝機(jī)容量超過4000kW，采用地下連續(xù)墻的加固措施，確保結(jié)構(gòu)在運(yùn)營過程中靜力及振動(dòng)穩(wěn)定性。由此可見，該擬建工程所涉及水工設(shè)施對地基承載力要求均較高，而目前地勘資料顯示該地區(qū)最大荷載持力層為砂土，地基承載力約為80kPa左右?？紤]此，工程設(shè)計(jì)部門研究對地基土體進(jìn)行改良處理，擬定采用石灰作為地基處理外加劑，提升整體地基承載性能，故試驗(yàn)部門先期對摻石灰土體開展力學(xué)穩(wěn)定性分析，為工程設(shè)計(jì)提供重要試驗(yàn)論證。

2.2 試驗(yàn)介紹

本試驗(yàn)采用GEOMEC高精度土體材料力學(xué)綜合試驗(yàn)系統(tǒng)開展(見圖1)。該試驗(yàn)系統(tǒng)的GEO自研加載系統(tǒng)，精度較高，可更換不同量程，最大可測試至500kN，而本試驗(yàn)根據(jù)淮安地區(qū)地基土體分布范圍，量程上限設(shè)置為50kN，荷載最大波動(dòng)幅度不超過0.1%；圍壓最大可達(dá)30MPa，所有壓力傳感器均已進(jìn)行標(biāo)定，誤差控制在允許范圍；該試驗(yàn)系統(tǒng)有數(shù)據(jù)監(jiān)測、采集設(shè)備，其數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要分為系統(tǒng)內(nèi)置與外接耦合設(shè)備，內(nèi)置數(shù)據(jù)采集設(shè)備可實(shí)現(xiàn)圍壓位移、設(shè)備位移、荷載速率等參數(shù)采集，而外界耦合設(shè)備由位移傳感器組成，其安裝至三軸試驗(yàn)缸內(nèi)(見圖2)，可連接軸向變形LVDT設(shè)備與環(huán)向變形傳感器，LVDT量程為-15～15mm，環(huán)向變形最大可達(dá)20mm，變形數(shù)據(jù)最大誤差為0.2%。另為實(shí)現(xiàn)凍、融交替試驗(yàn)，利用凍融試驗(yàn)箱作為物理損傷試驗(yàn)主要設(shè)備，設(shè)置凍、融溫度分別為-25℃、25℃，每次凍、融環(huán)境均經(jīng)歷12h，確保試樣內(nèi)部溫度效應(yīng)一致性。

圖1 GEOMEC力學(xué)綜合試驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 三軸試驗(yàn)缸內(nèi)傳感器分布

為研究淮安地區(qū)抽水泵站工程場地地基土體經(jīng)摻石灰處理后的力學(xué)穩(wěn)定性，試驗(yàn)設(shè)計(jì)為最優(yōu)石灰摻量與凍融效應(yīng)對力學(xué)特征影響性分析兩部分。研究方案設(shè)定石灰摻量分別為0%(原狀土)、3%、6%、9%、12%、15%，凍融交替次數(shù)設(shè)定為0次、2次、4次、6次、8次、10次、12次，圍壓分別設(shè)定為150kPa、300kPa(各組試驗(yàn)方案見表1)。各組試樣均采自工程現(xiàn)場，在室內(nèi)搗碎后，添加入目標(biāo)摻量的石灰，重塑形成試驗(yàn)樣品[12-13]，所有試樣直徑、高度均分別為75mm、150mm，在進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)前均在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24h。

表1 各組重塑試樣石灰摻量與凍融次數(shù)

2.3 擊實(shí)試驗(yàn)

經(jīng)石灰處理后的地基土體力學(xué)穩(wěn)定性與擊實(shí)特性亦密切相關(guān)，因而本文給出不同石灰摻量下試樣擊實(shí)特征曲線(見圖3)和擊實(shí)特征參數(shù)與石灰摻量關(guān)系曲線(見圖4)。從圖3、圖4中可看出，重塑土試樣石灰摻量越高，最優(yōu)含水量越高，各試樣最優(yōu)含水量分布在8.33%～9.7%，其中以石灰摻量15%為最高，達(dá)9.7%，石灰摻量增長3%左右，最優(yōu)含水量增長了5.2%，表明石灰摻量可促進(jìn)該工程場地地基土體最優(yōu)含水量發(fā)展；另一方面，原狀土與摻石灰重塑土的最優(yōu)含水量最大差距幅度為16.3%，乃是石灰摻量15%時(shí)。由三個(gè)典型摻石灰試樣的擊實(shí)曲線可知，各試樣的最大干密度基本接近，為1.91g/cm3，而原狀土的最大干密度較摻石灰試樣降低了10.5%，即摻石灰后地基砂土最大干密度得到提升。分析認(rèn)為，石灰成分進(jìn)入重塑土樣內(nèi)部，可與土體原生礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成結(jié)晶次生礦物，密度得到增長，表現(xiàn)在重塑土最大干密度高于原狀土，而石灰與土體內(nèi)水分結(jié)合，可形成水化反應(yīng)[14-15]，筆者認(rèn)為此影響了最優(yōu)含水量的變化，石灰含量越大，從外界吸收水分越充分，表現(xiàn)在重塑土樣最優(yōu)含水量越高。

圖3 不同石灰摻量下試樣擊實(shí)特征曲線

圖4 擊實(shí)特征參數(shù)與石灰摻量關(guān)系曲線

3 石灰摻量影響下改良地基土力學(xué)特性

3.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

根據(jù)對不同石灰摻量重塑土樣開展三軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)，獲得的石灰摻量影響下重塑改良土體應(yīng)力應(yīng)變特征見圖5。由圖5可知，石灰摻量越大，重塑土整體加載應(yīng)力水平越高，圍壓150kPa下應(yīng)變1.5%時(shí)原狀土加載應(yīng)力為51.2kPa，而石灰摻量9%、12%、15%重塑土試樣的加載應(yīng)力較之前者分別增大了1.63倍、1.74倍、2.56倍，此種現(xiàn)象在圍壓300kPa中亦是如此，重塑土與原狀土間加載應(yīng)力幅度差異更為顯著，石灰摻量9%、12%、15%重塑土試樣與原狀土在前述同樣對比條件下的增幅差異為2.42倍、3.43倍、4.68倍。筆者認(rèn)為，原狀土加入石灰成分后，石灰可與試樣內(nèi)部水分相結(jié)合，形成固體顆粒結(jié)構(gòu)，可填充至土體微小孔隙中，提升試樣整體密實(shí)度，土體顆粒骨架穩(wěn)定性亦可得到增強(qiáng)，表征為加載應(yīng)力水平提升；當(dāng)圍壓增大后，不僅微小孔隙可得到填充，且在側(cè)向約束力作用下，可限制孔隙膨脹變形，使石灰的化學(xué)生成物膠結(jié)顆?？筛玫嘏c孔隙結(jié)合，確保土體內(nèi)部孔隙得到堵塞，試樣受石灰摻量影響下的加載應(yīng)力幅度差異故更顯著[16-17]。

圖5 石灰摻量影響下重塑土應(yīng)力應(yīng)變特征

對比原狀土與重塑土間應(yīng)力應(yīng)變變化趨勢特征可知，原狀土在初始線彈性變形階段變形速率顯著低于重塑土，圍壓150kPa、300kPa下重塑土在加載應(yīng)力15kPa、30kPa前應(yīng)力應(yīng)變基本保持一致，但原狀土并不與之一致。由變形模量對比亦可知，圍壓150kPa下原狀土的線彈性模量為35.1kPa，而石灰摻量3%、12%、15%試樣線彈性模量相比前者分別提升了60.1%、1.77倍、2.55倍，表明石灰摻量增加，試樣線彈性變形能力增強(qiáng)。四個(gè)不同石灰摻量重塑改良土應(yīng)變峰值基本接近，圍壓150kPa下均穩(wěn)定在2.7%左右，而同圍壓下的原狀土峰值應(yīng)變?yōu)?.2%，表明重塑改良土在提升承載應(yīng)力水平的基礎(chǔ)上，增加了約束土體大變形能力。

3.2 強(qiáng)度特征

對改良重塑土應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，獲得的石灰摻量影響下重塑土三軸抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線見圖6。由圖6可知，石灰摻量與土體抗剪強(qiáng)度為正相關(guān)關(guān)系，且兩者量值上具有線性函數(shù)關(guān)系，在圍壓150kPa下石灰摻量3%、9%、15%試樣抗剪強(qiáng)度較之原狀土分別增大了27.8%、69.4%、108.6%，石灰摻量每增大3%，圍壓150kPa下重塑改良土強(qiáng)度可提升16%，但強(qiáng)度增長主要以石灰摻量3%～9%間為最大，該區(qū)間內(nèi)強(qiáng)度增幅達(dá)19.8%。當(dāng)圍壓為300kPa時(shí)，重塑土體強(qiáng)度平均增幅為22.8%，在石灰摻量12%后強(qiáng)度增長效應(yīng)有所減弱；從工程應(yīng)用角度考慮，石灰摻量控制在合理區(qū)間內(nèi)，即可顯著提升地基土體承載能力，改善工程地基承載環(huán)境，從本文試驗(yàn)結(jié)果角度考慮，石灰摻量控制在9%～12%最適宜。

圖6 石灰摻量影響下重塑土抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線

4 凍融循環(huán)影響下改良地基土力學(xué)特性

為研究凍融效應(yīng)對土體力學(xué)特征影響性，對不同凍融交替次數(shù)下重塑土試樣的力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得凍融交替影響下土體應(yīng)力應(yīng)變特征(見圖7)。由圖7可看出，凍融效應(yīng)對重塑改良土影響具有階段性變化，以凍融次數(shù)6次為影響變化轉(zhuǎn)折節(jié)點(diǎn)，在凍融次數(shù)0～6次內(nèi)，凍融效應(yīng)具有損傷特征，重塑土加載應(yīng)力水平顯著遞減，圍壓150kPa下，應(yīng)變1.5%下凍融2次、6次試樣的加載應(yīng)力較之凍融0次時(shí)分別減少了42.4%、69.6%；而凍融次數(shù)在6～12次區(qū)間內(nèi)時(shí)，凍融效應(yīng)具有促進(jìn)承載應(yīng)力作用，相同應(yīng)變下凍融8次、12次試樣加載應(yīng)力相比凍融6次下分別增長了1.2倍、1.39倍。當(dāng)圍壓為300kPa時(shí)，凍融效應(yīng)亦以6次為分界點(diǎn)，前、后區(qū)間內(nèi)分別為凍融損傷與凍融促進(jìn)作用。由變形特征可知，凍融次數(shù)越多，試樣應(yīng)變峰值越大，圍壓150kPa下凍融0次、2次、6次、8次、12次的應(yīng)變峰值分別為2.2%、3.2%、3.6%、3.9%、4.15%；與之相對應(yīng)，重塑改良土線彈性模量受凍融效應(yīng)影響與加載應(yīng)力類似，均以凍融6次下線彈性模量為最低，圍壓150kPa下為29.5kPa，而與同圍壓下的凍融2次、8次、12次線彈性模量相比分別增高了73.9%、92.4%、105.5%。

圖7 凍融效應(yīng)影響下重塑土應(yīng)力應(yīng)變特征(圍壓150kPa)

對凍融效應(yīng)影響下的重塑土進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得凍融效應(yīng)與土體抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線(見圖8)。由圖8可知，凍融次數(shù)與重塑土抗剪強(qiáng)度具有二次函數(shù)關(guān)系，最低點(diǎn)為凍融6次，在該節(jié)點(diǎn)前的0～6次區(qū)間內(nèi)，每增加2次凍融循環(huán)，圍壓150kPa、300kPa下分別平均可導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度損失17.6%、15.2%，而反之在節(jié)點(diǎn)后的6～12次區(qū)間內(nèi)，土體強(qiáng)度平均增幅又分別可達(dá)20%、8.7%，圍壓越大，強(qiáng)度損失與增長能力越小，表明圍壓可限制凍融效應(yīng)對土體強(qiáng)度影響性。

圖8 凍融效應(yīng)影響下重塑土抗剪強(qiáng)度關(guān)系

5 結(jié) 論

本文獲得如下結(jié)論：重塑土石灰摻量越高，最優(yōu)含水量越高，石灰摻量增長3%左右，最優(yōu)含水量增長了5.2%；摻石灰重塑土最大干密度基本穩(wěn)定，均為1.91g/cm3，重塑土最大干密度高于原狀土。石灰摻量越大，重塑土加載應(yīng)力與線彈性模量越高，但應(yīng)變峰值較穩(wěn)定；石灰摻量與重塑土抗剪強(qiáng)度具有線性函數(shù)關(guān)系，摻量增大3%，圍壓150kPa、300kPa下重塑土強(qiáng)度分別可增長16%、22.8%，且增長空間在摻量9%～12%后有所減弱；地基處理時(shí)控制石灰摻量在9%～12%最適宜。凍融效應(yīng)對重塑土影響具有階段性變化，在凍融6次前、后區(qū)間內(nèi)，力學(xué)特征分別為遞減、遞增變化，凍融0～6次區(qū)間與6～12次區(qū)間內(nèi)，圍壓150kPa下土體抗剪強(qiáng)度分別平均損耗17.6%與增長20%，圍壓增大，可限制凍融效應(yīng)對土體強(qiáng)度影響。