楊 勇

(天津市勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300191)

0 引言

水利工程建設(shè)中離不開(kāi)水利材料，如混凝土[1]、巖石[2]、土體[3]等，水利材料的力學(xué)穩(wěn)定性對(duì)水工建設(shè)的可靠性具有重要影響，不可忽視研究水利材料力學(xué)特征的重要作用。研究相關(guān)巖石、混凝土材料的力學(xué)特征，王開(kāi)拓等[4]、黎柳坤等[5]基于顆粒流理論方法，引入PFC等離散元仿真平臺(tái)，建立巖石類材料的顆粒流計(jì)算模型，通過(guò)單、三軸荷載模擬分析，可獲得巖石類材料計(jì)算模型的細(xì)觀特征，為工程建設(shè)提供一定依據(jù)。當(dāng)然，離散元仿真計(jì)算結(jié)果有時(shí)過(guò)于理想化，與工程實(shí)際有所偏差，因而陳聲震等[6]、徐婕等[7]認(rèn)為可通過(guò)布設(shè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器，通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性與變化特征，預(yù)判工程失穩(wěn)前兆，為工程安全運(yùn)行提供參照。工程現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)勢(shì)必需要長(zhǎng)期大量的數(shù)據(jù)，耗時(shí)較長(zhǎng)，不利于工程早期設(shè)計(jì)、施工，而室內(nèi)試驗(yàn)所用試樣取自工程現(xiàn)場(chǎng)，且試驗(yàn)設(shè)備精度較高，結(jié)果可靠性較好；通過(guò)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)取樣的巖土試樣，設(shè)計(jì)開(kāi)展室內(nèi)三軸[8]、滲流[9]或剪切[10]、拉伸[11]等力學(xué)試驗(yàn)，可獲得不同因素影響下工程巖土體力學(xué)特性變化規(guī)律，為水工設(shè)計(jì)等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文根據(jù)武烈河防洪干堤二次加高填筑料的剪切力學(xué)特性，利用室內(nèi)剪切試驗(yàn)設(shè)備，分析了試樣黏土成分含量與環(huán)境化學(xué)溶液濃度對(duì)其影響，為工程設(shè)計(jì)、施工提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)背景

為提升承德地區(qū)水利資源利用安全性，考慮對(duì)灤河支流流徑區(qū)域內(nèi)開(kāi)展防洪加固，提升下游河道水利開(kāi)發(fā)穩(wěn)定性，特別是針對(duì)性開(kāi)展武烈河防洪干堤的防洪性能標(biāo)準(zhǔn)提升。目前，武烈河防洪干堤分為南、北兩側(cè)，延伸長(zhǎng)度最大為62 km，按照區(qū)域內(nèi)50 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，堤壩設(shè)計(jì)為混合壩形式，包括有主體壩的橡膠壩與土石壩，堤壩底板高程為318.5～325.5 m，橡膠壩頂最高處為4.5 m，設(shè)計(jì)有淺式過(guò)槽，干流內(nèi)正常水位高程為315.5～320 m。與橡膠壩相連接處，土石壩接觸面采用了硬化整體式連接方式，在壩體內(nèi)設(shè)計(jì)有連系梁結(jié)構(gòu)，該連接結(jié)構(gòu)采用型鋼材料，直徑為50 mm，插入土石壩內(nèi)自由端長(zhǎng)度為2.5 m，使之混合壩整體穩(wěn)定性更佳。武烈河防洪干堤工程中水閘設(shè)施最大為二道河閘，其兩側(cè)均為土石壩結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)過(guò)閘流量最大為255 m3/s，平面式鋼閘門(mén)控制過(guò)閘斷面流量，單寬尺寸為1 m，設(shè)計(jì)有4個(gè)閘墩為支撐加固結(jié)構(gòu)體系，每根墩徑為0.6 m，并設(shè)計(jì)有八根錨桿加固支護(hù)，桿間距為0.2 m，該水閘平面設(shè)計(jì)如圖1所示。水利監(jiān)測(cè)設(shè)備表明，二道河子水閘周邊土石壩內(nèi)最大滲透坡降在雨季可達(dá)0.28，局部土體破裂面傾角可超過(guò)35°，極大威脅著土石壩運(yùn)營(yíng)安全性。工程設(shè)計(jì)部門(mén)綜合二道河閘所在土石壩運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，提出對(duì)土石壩進(jìn)行二次加固，所采用的填土料為干堤周邊材料，主要為粉質(zhì)黏土體等。工程勘察部門(mén)認(rèn)為應(yīng)開(kāi)展該類型黏土體的力學(xué)特性分析，確保二次加固荷載滿足土體力學(xué)穩(wěn)定性，因而從現(xiàn)場(chǎng)取樣開(kāi)展該類型黏土體的剪切力學(xué)特性研究。

圖1 水閘平面設(shè)計(jì)圖

1.2 試驗(yàn)概況

本研究中重點(diǎn)考慮二次加高填筑土體的剪切力學(xué)特性，因而試驗(yàn)采用TT-DDS20型直剪儀設(shè)備，該試驗(yàn)設(shè)備包括有剪切荷載加載部分、數(shù)據(jù)采集部分及試驗(yàn)控制系統(tǒng)三部分，如圖2所示。剪切試驗(yàn)盒內(nèi)可適配不同尺寸、不同類型的試樣，本試驗(yàn)中主要采用圓柱體剪切截面形態(tài)，試驗(yàn)中法向荷載與剪切荷載加載精度為1‰，試驗(yàn)控制系統(tǒng)可根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)度控制加載速率，為避免試驗(yàn)控制參量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響，本試驗(yàn)中各組試樣剪切速率均穩(wěn)定在0.8 mm/min，法向荷載加載范圍可為0～3 000 kPa，本文試驗(yàn)中法向應(yīng)力均保持為300 kPa，水平剪切荷載最大為2 500 kPa。數(shù)據(jù)采集部分包括有傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理設(shè)備，其中傳感器包括有LVDT設(shè)備、機(jī)器位移采集系統(tǒng)等，LVDT設(shè)備監(jiān)測(cè)量程為-25～25 mm，數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)定為0.5s，數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)誤差最大不超過(guò)1‰，試驗(yàn)前各設(shè)備均已標(biāo)定。該實(shí)驗(yàn)控制設(shè)備涉及有數(shù)據(jù)觀測(cè)及實(shí)驗(yàn)程序控制功能，確保剪切試驗(yàn)穩(wěn)定進(jìn)行。

圖2 TT-DDS20型土體剪切試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)對(duì)武烈河防洪干堤周圍黏土體現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，粉質(zhì)黏土體黏土成分含量差異性較大，分布范圍為25%～90%，此對(duì)黏土體顆粒結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)取樣的土體出現(xiàn)局部軟弱夾層，不利于土體整體承載穩(wěn)定性。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取樣土體采用密度測(cè)井方法[12,13]，分別獲得土體黏土成分含量30%、40%、50%、60%、70%、80%試驗(yàn)組，各黏土成分含量組中含量誤差不超過(guò)5%。由于本次黏土體工程背景為防洪干堤，勢(shì)必會(huì)有一定程度上氯鹽沖蝕影響，因而本試驗(yàn)中亦探討環(huán)境參量對(duì)黏土體剪切力學(xué)影響，設(shè)計(jì)氯鹽溶液濃度分別為1 g/L、3 g/L、5 g/L、7 g/L，環(huán)境參量試驗(yàn)組中各試樣在指定氯鹽溶液濃度中浸泡12 h后才可開(kāi)始剪切試驗(yàn)。各組具體試驗(yàn)方案參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案具體參數(shù)表

2 土體剪切應(yīng)力變形特征分析

2.1 試樣狀態(tài)的影響

根據(jù)試樣狀態(tài)試驗(yàn)組試樣剪切加載試驗(yàn)，獲得黏土成分含量影響下土體剪切應(yīng)力變形特征曲線，如圖3所示。從圖中可知，黏土成分含量對(duì)黏土體剪切荷載影響具有階段性節(jié)點(diǎn)，當(dāng)黏土成分含量低于60%時(shí)，黏土剪切應(yīng)力水平隨黏土成分含量增大而遞增，當(dāng)環(huán)境溶液為無(wú)氯鹽成分時(shí)，在相同剪切位移1 mm時(shí)，黏土成分含量30%試樣的剪切應(yīng)力為104.7 kPa，而黏土含量40%、60%試樣剪切應(yīng)力較前者增長(zhǎng)了64.4%、172.7%，即黏土成分含量有助于提升黏土體抗剪切性能。當(dāng)黏土成分含量超過(guò)60%后，各試樣剪切應(yīng)力呈下降趨勢(shì)，特別是黏土成分含量70%、80%試樣的剪切應(yīng)力較轉(zhuǎn)折節(jié)點(diǎn)(含量60%)分別降低了37%、50.3%。筆者認(rèn)為，黏土成分含量對(duì)黏土體試樣影響具有區(qū)間變化性，當(dāng)黏土成分含量低于60%時(shí)，黏土成分含量愈多，其對(duì)粘土體的影響乃是正向作用，此時(shí)顆粒粒徑較細(xì)的黏土質(zhì)礦物在土體骨架中具有填充、密實(shí)作用，有利于提升土體整體承載穩(wěn)定性；但不可忽視，黏土質(zhì)礦物相比土體主骨架乃是承載性能較弱，其成分含量的過(guò)大，會(huì)使土體形成軟弱面，極易在軟弱面處出現(xiàn)剪切破壞，故而抗剪切性能較弱。當(dāng)環(huán)境參量為氯鹽溶液濃度3 g/L時(shí)，黏土成分含量對(duì)土體剪切應(yīng)力影響與無(wú)化學(xué)成分溶液中一致，但影響幅度顯著高于前者，同樣是剪切位移1 mm下黏土成分含量60%試樣的剪切應(yīng)力較含量30%時(shí)增長(zhǎng)了222.5%，而黏土成分含量80%下相比含量60%時(shí)分別減少了56.8%；從化學(xué)溶液腐蝕作用來(lái)看，其會(huì)加劇黏土成分含量對(duì)黏土體剪切性能影響。

從剪切變形特征對(duì)比可知，黏土成分含量超過(guò)60%后，其剪切應(yīng)力位移曲線在峰值剪切應(yīng)力后呈硬化特征，以無(wú)化學(xué)成分溶液環(huán)境參量試驗(yàn)組為例，黏土成分含量70%、80%試樣在峰值剪切應(yīng)力后期應(yīng)力波動(dòng)幅度分別不超過(guò)0.7%、1.1%，而含量30%、40%試樣在峰值剪切應(yīng)力后期具有顯著脆性應(yīng)力下跌態(tài)勢(shì)，最大降幅分別可達(dá)36.8%、38.3%。從峰值應(yīng)變來(lái)看，無(wú)化學(xué)溶液環(huán)境參量試驗(yàn)組中各試樣的峰值剪切位移穩(wěn)定在1.9 mm左右；而線彈性模量受黏土成分含量影響特征與剪切力學(xué)變形特性基本一致，黏土成分含量60%試樣的線彈性模量最大，無(wú)化學(xué)溶液環(huán)境參量組中達(dá)271.1 kPa，而黏土成分含量30%、70%、80%試樣的線彈性模量較前者分別降低了63.7%、38.6%、48.3%。當(dāng)改變?nèi)芤涵h(huán)境參量為氯鹽濃度3 g/L時(shí)，線彈性模量影響特征無(wú)太大變化，但各黏土成分含量試樣的峰值應(yīng)變受化學(xué)溶液濃度影響，以高黏土成分含量試樣的峰值應(yīng)變更大，表明化學(xué)溶液濃度對(duì)峰值應(yīng)變影響超過(guò)黏土成分含量影響效應(yīng)。

圖3 黏土成分含量影響下土體剪切應(yīng)力變形

2.2 環(huán)境參量的影響

同理，對(duì)環(huán)境溶液參量試驗(yàn)組黏土體剪切力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得環(huán)境參量影響下土體剪切應(yīng)力位移特征，如圖4所示。從圖中可知，環(huán)境參量溶液濃度與剪切應(yīng)力水平具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)環(huán)境參量為無(wú)化學(xué)成分時(shí)，剪切位移1 mm下的剪切應(yīng)力為200.6 kPa，而化學(xué)溶液濃度為3 g/L、7 g/L時(shí)試樣的剪切應(yīng)力較前者分別減少了27%、65.6%，當(dāng)化學(xué)成分溶液濃度愈高，對(duì)黏土體腐蝕作用愈強(qiáng)，愈不利于黏土體顆粒骨架穩(wěn)定性[14]。從變形特征亦可知，相同黏土成分含量下各試樣在峰值剪切應(yīng)力后期的走向基本一致，呈脆性剪切破壞特征，無(wú)塑性應(yīng)變硬化現(xiàn)象，表明黏土體峰值應(yīng)力后期的應(yīng)變硬化很大程度上取決于黏土成分含量，環(huán)境參量對(duì)其影響較小。分析不同試樣的線彈性模量可知，環(huán)境溶液濃度為1 g/L時(shí)彈性模量為152.2 kPa，而溶液濃度為5 g/L、7 g/L時(shí)試樣的彈性模量較之分別降低了35.4%、55.5%；整體上來(lái)看，環(huán)境參量溶液濃度平均增長(zhǎng)2 g/L，可導(dǎo)致黏土體彈性模量降幅22.8%，由此可見(jiàn)，控制環(huán)境參量有利于提升黏土體試樣線彈性變形能力。

圖4 化學(xué)溶液濃度影響下土體剪切應(yīng)力變形

3 土體抗剪強(qiáng)度分析

根據(jù)對(duì)試驗(yàn)狀態(tài)、環(huán)境參量試驗(yàn)組黏土體剪切力學(xué)分析，獲得各試樣抗剪強(qiáng)度變化特征關(guān)系，如圖5所示。從圖中抗剪強(qiáng)度變化可知，黏土成分含量以60%為節(jié)點(diǎn)，在含量60%以內(nèi)區(qū)間，黏土體抗剪強(qiáng)度與成分含量為正相關(guān)，在無(wú)化學(xué)溶液環(huán)境參量組中，黏土成分每增加10%，土體抗剪強(qiáng)度平均增幅為24.1%；而黏土成分含量超過(guò)60%后，黏土體抗剪強(qiáng)度與之為負(fù)相關(guān)，抗剪強(qiáng)度隨黏土成分含量變化的平均降幅為12.3%。當(dāng)環(huán)境參量溶液濃度增大后，黏土體抗剪強(qiáng)度顯著降低，而黏土成分含量對(duì)土體影響幅度也有差異，在環(huán)境參量溶液濃度3 g/L試驗(yàn)組中，黏土含量60%前、后區(qū)間內(nèi)的抗剪強(qiáng)度增幅、降幅分別為27.4%、17.8%，即化學(xué)溶液濃度耦合黏土成分含量影響，具有增強(qiáng)黏土質(zhì)成分對(duì)土體抗剪強(qiáng)度影響效應(yīng)。在環(huán)境參量溶液試驗(yàn)組中，溶液濃度每增大2 g/L，抗剪強(qiáng)度平均降幅15%，此為同一黏土成分含量50%下；而在黏土成分含量80%下，土體受環(huán)境參量溶液濃度影響的平均降幅為8.3%；即黏土成分含量愈高，土體承受化學(xué)腐蝕作用愈強(qiáng)，受環(huán)境參量影響愈小。

圖5 各試樣抗剪強(qiáng)度變化特征關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要得到以下三點(diǎn)結(jié)論：

(1)黏土成分含量對(duì)黏土體剪切應(yīng)力影響具有階段節(jié)點(diǎn)，以含量60%為抗剪強(qiáng)度最高，在該含量前、后區(qū)間內(nèi)分別為遞增、遞減趨勢(shì)，當(dāng)環(huán)境參量溶液濃度增大，黏土成分含量對(duì)土體剪切應(yīng)力影響具有促進(jìn)效應(yīng)。

(2)環(huán)境參量溶液濃度與剪切應(yīng)力水平具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，在黏土成分含量50%與80%試驗(yàn)組中，溶液濃度每增大2 g/L，抗剪強(qiáng)度平均降幅分別為15%、8.3%；黏土成分含量愈高，土體受化學(xué)腐蝕作用愈強(qiáng)。

(3)黏土成分含量超過(guò)60%后，土體峰值剪切應(yīng)力后期呈應(yīng)變硬化型，環(huán)境氯鹽溶液濃度對(duì)峰值應(yīng)力后期走向影響較??；彈性模量均以黏土成分含量60%試樣為最高，而環(huán)境參量溶液濃度平均增長(zhǎng)2 g/L，可導(dǎo)致黏土體彈性模量降幅22.8%。