陳 晶，華 中

（淮安市淮河水利建設工程有限公司，江蘇 漣水 223400）

1 引言

水工建筑建設過程中必須考慮地基承載力設計要求，當天然地基土體性能欠佳，勢必需要對地基進行人工處理或土體改良，以確保地基土體性能良好，因而，研究人工改良復合土力學性質(zhì)對水利設計具有重要指導意義[1,2]。但不可忽視，天然地基無法滿足建筑要求，一些工程中經(jīng)常采用復合地基，包括樁基礎在內(nèi)的多類型基礎設計，提升地基承載力水平，為工程建設提供保障[3,4]。而對于人工改良土體的研究主要集中在室內(nèi)試驗與模擬仿真計算兩種方法，利用精密室內(nèi)土工儀器，設計開展土體力學性質(zhì)以及滲透特性研究，為工程設計提供重要試驗參數(shù)[5,6]。當然，也有包括陳玲[7]、黎柳坤[8]在內(nèi)的許多專家與學者根據(jù)復合土顆粒流特性，設計采用顆粒流仿真計算手段，研究單軸壓縮或三向荷載下土體力學性質(zhì)變化，為探討土體力學影響特性提供支持。本文設計開展復合土力學特征影響性分析，為工程建設及設計提供參數(shù)支持。

2 試驗概況

2.1 工程背景

淮安地區(qū)擬建一抽水泵站水資源中轉(zhuǎn)調(diào)度樞紐工程，該水工樞紐工程設計運營年限較長，目前，考慮工程場地上部結(jié)構(gòu)安全性，特別是水閘及攔污柵設置有6根閘墩，對地基承載力要求較高，但根據(jù)現(xiàn)場原位測試數(shù)據(jù)表明，砂土無法滿足水工建筑承載力要求?？紤]此，對該水工建筑場地地基土體開展人工處理很有必要，工程設計部門根據(jù)對現(xiàn)場鉆孔取樣砂土分析得知，粒徑超過4.75 mm的占比達60%以上，但保水性較差，含水量較低，根據(jù)土體改良方法設計采用化學纖維與土體攪拌混合，形成承載力較高、保水性好的人工復合地基土體。

2.2 試驗介紹

本試驗采用GDS非飽和土三軸試驗系統(tǒng)開展力學試驗，該試驗系統(tǒng)由多個功能部分組成，如圖1所示。測試力學傳感器均在試驗前完成精度測試、標定工作，確保測量試驗誤差不超過0.1%；采用的凍融試驗箱完成凍、融溫度為-20 ℃、20 ℃的循環(huán)試驗。

圖1 GDS非飽和土三軸試驗系統(tǒng)

本試驗主要分析凍融條件、化學纖維含量對復合土力學性質(zhì)影響，并加以原裝砂土為對比，獲得各因素對復合土三軸力學性質(zhì)影響規(guī)律。為此，筆者設定凍融次數(shù)分別為0、2、4、6、8、10、12次，設定纖維含量分別為1%、3%、5%、7%，圍壓設定為50 kPa、100 kPa，并設置有原狀砂土對照組。

2.3 擊實試驗

試驗前將原狀砂土擊碎攪拌，并分多次噴灑土體，后分多次添加相應的化學纖維，確?？偧尤氲睦w維含量是目標值，后繼續(xù)噴灑水質(zhì)混合料，攪拌均勻后放置恒溫恒濕環(huán)境中養(yǎng)護24 h，完成制樣。在進行三軸試驗前對各纖維含量復合土體開展擊實試驗，獲得復合土體擊實特征參數(shù)與纖維含量關系，如圖2所示。由擊實試驗兩特征參數(shù)受纖維含量影響特征可知，最優(yōu)含水量隨纖維含量為先增后減，而最大干密度與之為負相關，以纖維含量3%時最優(yōu)含水量最高，達8.4%，而纖維含量7%時最優(yōu)含水量為前者的85.5%；纖維含量1%時最大干密度為2.006 g/cm3，而隨纖維含量增長2%，最大干密度平均降低1.6%。

圖2 復合土體擊實特征參數(shù)與纖維含量關系

3 化學纖維對復合土力學特性影響

3.1 應力應變

根據(jù)不同化學纖維含量下復合土體三軸力學試驗，獲得兩圍壓下纖維含量影響下復合土應力應變特征，如圖3所示。從圖中可知，兩圍壓下復合土體應力應變階段可分為“線性上升-穩(wěn)步下降或穩(wěn)定不變”兩階段特征，其中圍壓50 kPa下第二階段為穩(wěn)步下降，此與復合土脆性破壞導致的應力下跌有關，圍壓50 kPa下纖維含量3%試樣峰值應力后應力下跌幅度為27.5%，而相同含量試樣在圍壓100 kPa下峰值應力后僅有0.53%波動。從復合土應力水平受纖維含量影響可知，纖維含量愈高，則復合土體加載應力水平愈大，圍壓50 kPa下應變2%時纖維含量1%試樣加載應力為29.2 kPa，而相同應變對應的纖維含量3%、7%試樣加載應力相比前者分別增大了11.8%、68.2%，表明纖維成分的存在，對復合土承載應力具有提升效應。當圍壓為100 kPa時，前述相同應變下纖維含量3%、7%試樣加載應力相比含量1%下乃是分別增大了14.5%、76.9%，即加載應力差異幅度增大。分析認為，當原狀砂土與化學纖維混合后，纖維微細及流動性強的特點可在原狀砂土內(nèi)部顆粒骨架起著重要作用，一方面可填充骨架孔隙，降低復合土體孔隙率，另一方面纖維作為保水性與連接性強的人工合成材料，其可提升顆粒骨架整體粘結(jié)性與咬合度，進而表現(xiàn)復合土體加載應力水平較高。當圍壓增大，纖維含量在側(cè)向應力作用下，對復合土內(nèi)部孔隙的填充以及顆粒間的粘結(jié)、咬合，更具密實性，復合土體表現(xiàn)加載應力差異幅度亦愈大[9,10]。

圖3 纖維含量影響下復合土應力應變特征

從變形特征來看，相同圍壓下復合土體線彈性模量表現(xiàn)相同，圍壓50 kPa下線彈性模量為16.5 kPa，而圍壓100 kPa下線彈性模量相比前者升高了12.5%，圍壓可改變試樣線彈性變形能力，而纖維含量對試樣線彈性變形階段影響較小。

3.2 強度破壞特征

為分析復合土強度破壞特征受纖維含量影響，給出各纖維含量試樣三軸抗壓強度與纖維含量關系，如圖4所示。根據(jù)強度變化特征可知，纖維含量與復合土三軸抗壓強度為正相關，且兩者呈線性函數(shù)關系，圍壓50 kPa下纖維含量增長2%，復合土三軸抗壓強度平均可增大19.2%；而在圍壓100 kPa下時，該強度幅度為27.5%，即圍壓增大，強度受纖維含量促進幅度亦增長。

圖4 試樣三軸抗壓強度與纖維含量關系

4 凍融循環(huán)對復合土力學特性影響

4.1 應力應變

根據(jù)對不同凍融次數(shù)下復合土體三軸力學數(shù)據(jù)處理，獲得凍融循環(huán)影響下復合土體應力應變特征，如圖5。從圖中可看出，凍融循環(huán)對復合土承載應力影響具有階段性變化，當循環(huán)次數(shù)在0～9次時，循環(huán)次數(shù)與復合土加載應力為負相關，在應變2%時循環(huán)3次、9次復合土體試樣的加載應力相比循環(huán)0次下降低了18.5%、35.1%；當循環(huán)次數(shù)為9～15次時，加載應力水平隨循環(huán)次數(shù)遞增，應變2%時循環(huán)15次與9次試樣加載應力相差40.5%。當纖維含量增大至7%時，在凍融9次后，加載應力間幅度差異愈顯著，應變2%時循環(huán)3次、9次試樣加載應力相比循環(huán)0次減小了23.2%、39.5%，說明纖維含量增大，可進一步提升凍融循環(huán)正向促進復合土強度作用。

圖5 凍融循環(huán)影響下復合土體應力應變特征

線彈性變形階段中凍融次數(shù)愈低的試樣線彈性模量愈大，特別是無凍融下纖維含量3%試樣線彈性模量達8.1 kPa，以凍融循環(huán)9次線彈性模量最低，其僅為前者的80%左右，而凍融15次試樣線彈性模量相比9次時提升了35.1%。從峰值應變來看，各凍融循環(huán)試樣的峰值應變基本接近，纖維含量5%試驗組中峰值應變穩(wěn)定在6%左右，而含量20%組中峰值應變又穩(wěn)定在5.8%～6%，表明凍融循環(huán)對峰值應變影響較弱。

4.2 強度特征

為分析凍融循環(huán)對復合土強度特征影響，計算獲得各復合土體三軸抗壓強度變化特征，如圖6所示。根據(jù)圖中強度變化首先可看出，復合土強度與凍融次數(shù)具有二次函數(shù)關系，此擬合后關系式見圖6，可用工程中初步估算土體承載強度指標。從復合土體抗壓強度變化特征可知，在凍融0～9次內(nèi)，凍融次數(shù)增多3次，則試樣強度平均損失7.5%，反之在凍融9～15次內(nèi)，試樣強度可提升10.8%。當纖維含量增大至7%后，在凍融9次前、后區(qū)間內(nèi)，試樣強度分別平均損失13.8%與增大22.8%，幅度差異均高于纖維含量1%試驗組中，表明纖維含量有加大試樣強度受凍融次數(shù)影響效應的作用。

圖6 復合土體三軸抗壓強度變化特征

5 結(jié)論

（1）擊實試驗表明復合土最優(yōu)含水量隨纖維含量為先增后減變化，最大干密度隨之為遞減，隨纖維含量增長2%，最大干密度平均降低1.6%。

（2）圍壓可提升復合土線彈性模量，兩圍壓下線彈性模量差異12.5%，纖維含量愈高，復合土體強度愈大，且圍壓愈大，纖維含量對強度影響差異幅度愈顯著，纖維含量增長2%，圍壓50 kPa、100 kPa下土體強度分別平均可增大19.2%、27.5%。

（3）凍融循環(huán)對復合土應力影響以凍融9次為階段節(jié)點，在凍融0～9次與9～15次兩區(qū)間內(nèi)分別為負相關、正相關特征；凍融次數(shù)與復合土強度具有二次函數(shù)關系，凍融次數(shù)增多3次，纖維含量1%試驗組中凍融9次前、后兩區(qū)間內(nèi)試樣強度分別平均損失7.5%與增大10.8%，纖維含量增大，凍融循環(huán)對強度影響幅度差異愈大。