王 曉，常 哲，李小艷，王 鵬

(淮安市淮河水利建設(shè)工程有限公司，江蘇 漣水 223400)

1 概 述

水工建筑工程的設(shè)計離不開對工程場地的勘察[1-2]，研究土體力學(xué)穩(wěn)定性對設(shè)計參數(shù)確定具有重要價值，因而分析改良土與原狀土力學(xué)影響因素，對工程建設(shè)提供重要參數(shù)依據(jù)。引入離散元計算方法，黎柳坤[3]、崔博等[4]、李遠(yuǎn)征等[5]利用顆粒流計算平臺，針對土體試樣建立計算模型，并設(shè)定相關(guān)邊界荷載，模擬土體試樣在單軸、三軸加載過程中破壞力學(xué)特征，豐富了離散元仿真計算土力學(xué)成果。另一方面，水工建筑勘察設(shè)計階段亦可采用原位試驗，包括觸探、旁壓等試驗方法[6-8]，獲得現(xiàn)場地基土體力學(xué)狀態(tài)，分析工程場地承載能力，此亦可為工程設(shè)計提供最直接參數(shù)。

顆粒流方法由于結(jié)果過于理想化，而現(xiàn)場原位試驗結(jié)果精度不高，因而一些學(xué)者采用從工程現(xiàn)場取樣后，在室內(nèi)利用精密室內(nèi)儀器設(shè)計開展土體壓縮[9]、剪切[10]、拉伸[11]等力學(xué)試驗，分析土體力學(xué)穩(wěn)定性影響因素，為工程地基處理、壩體堆筑等提供準(zhǔn)確、合理的判斷參數(shù)。

本文根據(jù)淮安聯(lián)圩樞紐工程擬建泵站工程場地土體摻纖維后力學(xué)穩(wěn)定性狀態(tài)，設(shè)計開展有三軸UU試驗，為泵閘工程設(shè)計提供基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)參考。

2 試樣概況

2.1 工程背景

為提升蘇北淮河下游地區(qū)防洪、排澇及調(diào)度水資源能力，考慮在原有淮安聯(lián)圩樞紐工程基礎(chǔ)上新建一座抽水泵站，作為河道防洪及內(nèi)城排澇重要水資源控制樞紐，提升地區(qū)水利安全性。該擬建泵站設(shè)計流量為15 m3/s，配備有4個泵室及雙向進(jìn)水口，底板高程為12.5 m，采用混凝土底板結(jié)構(gòu)作為防滲設(shè)施，厚度為0.6 m，所涉及的進(jìn)水池寬度為2.5 m；出水側(cè)配備有雙孔式壓力箱涵，尺寸為2 m×1.5 m，為控制下游泥沙含量，在出水側(cè)另設(shè)置有濾沙裝置，確保過泵水流后含沙量低于7.5 kg/m3。與該泵站同期建設(shè)的另有一座泄流水閘，以直徑為2.2 m的弧形鋼閘門作為水流啟閉通道，最大泄流量為252 m3/s，閘頂高程為23.5 m。靜力場計算可知，該水閘位移、應(yīng)力分布均較小，抗傾覆、抗滑移穩(wěn)定系數(shù)均在2以上，結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性較佳。動力響應(yīng)下，水閘結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)值最大為1.85 m/s2，而應(yīng)力響應(yīng)最大集中在閘室底板處，即閘基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)連接處為抗震薄弱面，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注閘室基礎(chǔ)抗震安全性。

另一方面，該泵站采用閘墩作為結(jié)構(gòu)體系支撐結(jié)構(gòu)，墩厚度為1.2 m，采用預(yù)應(yīng)力混凝土作為結(jié)構(gòu)材料，并在兩側(cè)邊墻設(shè)置有錨固結(jié)構(gòu)，錨桿水平夾角為30°。經(jīng)設(shè)計方案初步仿真計算可知，該錨固結(jié)構(gòu)體系中最大拉應(yīng)力不超過1.9 MPa，靜力場中位移分布集中在錨固與中墩連接處，沉降位移最大為12 mm。該泵站作為地區(qū)內(nèi)重要水工結(jié)構(gòu)，閘墩基礎(chǔ)以及泵站閘室基礎(chǔ)對結(jié)構(gòu)體系影響性均較大。另外，泄洪水閘基礎(chǔ)與抗震設(shè)計密切相關(guān)，由工程場地力學(xué)穩(wěn)定性結(jié)合基礎(chǔ)設(shè)計，提升水工建筑靜、動力安全性。

因而，工程設(shè)計部門認(rèn)為有必要針對性探討該泵閘工程所處場地力學(xué)狀態(tài)，為工程建設(shè)、設(shè)計提供重要基礎(chǔ)參數(shù)。據(jù)地質(zhì)踏勘與地基處理設(shè)計得知，該工程場地與黏質(zhì)壤土為主，水工建筑地基處理方案是采用摻加筋纖維措施，提升整體地基穩(wěn)定性，故本文重點(diǎn)開展摻加筋纖維土體力學(xué)試驗研究，討論加筋纖維含量對土體力學(xué)特征影響。

2.2 試驗介紹

本試驗采用TSZ-30型土體三軸試驗儀開展力學(xué)加載試驗，該試驗設(shè)備具備自動檢測、程序控制精準(zhǔn)、誤差較低的特點(diǎn)，見圖1。該試驗系統(tǒng)包括加載部分、數(shù)據(jù)測量及控制系統(tǒng)，加載系統(tǒng)包括圍壓、孔隙壓力以及軸向荷載部分，最大圍壓可達(dá)30 MPa，軸向荷載量程可根據(jù)試驗要求更換響應(yīng)傳感器，最大荷載可達(dá)200 kN，孔隙壓力為測試土體滲透以及細(xì)觀孔隙度重要壓力裝置，其最大壓力可達(dá)5 MPa。數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)包括有試樣變形測量裝置與荷載位移反應(yīng)裝置，軸向變形量程為-20～20 mm，環(huán)向變形量程為-15～15 mm，采用鏈條接觸式測量方式，傳感器誤差不超過0.1%，試驗前均已標(biāo)定?？刂葡到y(tǒng)可實現(xiàn)對三軸試驗缸內(nèi)試樣加載速率、變形速率方式控制，對試樣加載方式也可采用流量控制，變形速率可選擇0.002～4.5 mm/min，本文試驗樣品加載全過程應(yīng)變速率均為0.6 mm/min。三軸試驗缸內(nèi)可實現(xiàn)對多尺寸試樣完成無側(cè)限抗壓試驗或其他類型的三軸剪切試驗，試樣尺寸直徑可為40～80 mm，高度最大可為200 mm，本文試驗所用樣品尺寸直徑、高度均為50、100 mm。

圖1 土體三軸試驗儀

從擬建泵站工程現(xiàn)場取回樣品，測試其含水量分布在15%～21%，經(jīng)室內(nèi)搗碎重塑后，添加相對應(yīng)的目標(biāo)含量纖維，按照多次少量灑水原則，完成目標(biāo)含水量試樣制作，并放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h[12-13]。本文為研究摻纖維含量對土體力學(xué)特征影響，設(shè)計兩個影響參數(shù)試驗組。第一個試驗組為纖維含量，設(shè)定含量為1%、2%、3%、4%、5%，另設(shè)置有從工程現(xiàn)場取回的原狀土作為對照組；第二個試驗組設(shè)定含水量為15%、17%、19%、21%，圍壓統(tǒng)一設(shè)定為100、200和300 kPa。本試驗中各方案具體參數(shù)見表1。

表1 各組試樣試驗參數(shù)

3 纖維含量影響下土體力學(xué)特征

3.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

根據(jù)對不同纖維含量土體試樣開展力學(xué)加載試驗所獲得數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得纖維含量影響下土體應(yīng)力應(yīng)變特征，見圖2。從圖2中可知，土體三軸加載應(yīng)力水平隨纖維含量影響變化具有階段性特征。當(dāng)纖維含量在0%～3%時，纖維含量愈多，則試樣加載應(yīng)力水平愈高；而纖維含量超過3%后，加載應(yīng)力水平愈低。在圍壓100 kPa下，應(yīng)變6%時原狀土加載應(yīng)力為141.6 kPa，而纖維含量為1%、3%時相同應(yīng)變下的加載應(yīng)力較前者分別增長44.8%、109.8%，而纖維含量增長至5%時加載應(yīng)力相比含量3%下又減少20.6%；當(dāng)圍壓增大至200 kPa后，纖維含量3%試樣相同6%應(yīng)變下的加載應(yīng)力相比原狀土?xí)r增長141.5%，但相比含量5%時減少22.8%；圍壓升高后，纖維成分對土體承載應(yīng)力影響更為顯著。

圖2 纖維含量影響下土體應(yīng)力應(yīng)變特征

從本文應(yīng)力應(yīng)變特征結(jié)果可說明，纖維含量對土體加載應(yīng)力水平影響具有節(jié)點(diǎn)，本試驗中該節(jié)點(diǎn)含量為3%，而圍壓效應(yīng)對纖維成分的節(jié)點(diǎn)效應(yīng)具有促進(jìn)作用。筆者認(rèn)為，當(dāng)土體加入纖維量低于節(jié)點(diǎn)含量時，此時土體顆粒骨架正處于較為松散狀態(tài)，愈多的纖維成分，對土體顆粒骨架的穩(wěn)定性以及顆粒間黏結(jié)性均具有促進(jìn)作用，因而呈現(xiàn)加載應(yīng)力水平增高的現(xiàn)象[14-15]。但超過節(jié)點(diǎn)含量后，此時土體內(nèi)部顆粒骨架已達(dá)到最穩(wěn)定狀態(tài)，顆粒骨架最佳穩(wěn)定性所需纖維量已達(dá)到飽和狀態(tài)，再多的纖維量存在于土體內(nèi)部，只會形成軟弱結(jié)構(gòu)面，從而造成加載應(yīng)力水平降低的態(tài)勢。

分析不同纖維含量下試樣應(yīng)變特征可知，土體三軸變形全過程可分為“線彈性-塑性硬化”兩階段特征，兩階段應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)在各摻纖維試樣中基本一致，圍壓100、200 kPa下各試樣應(yīng)變階段轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別對應(yīng)4.75%、5.84%，表明纖維含量對土體試樣應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)影響較弱。圖2中兩圍壓下除原狀土外，其余試樣均未出現(xiàn)顯著應(yīng)力峰值點(diǎn)，表明摻纖維試樣下塑性變形硬化能力得到增強(qiáng)。相同圍壓下，土體線彈性模量特征仍以纖維含量3%為變化節(jié)點(diǎn)，圍壓100 kPa下該節(jié)點(diǎn)含量試樣的線彈性模量為111.9 kPa，為各摻纖維試樣中最高，纖維含量1%、5%試樣的線彈性模量相比前者分別減少55.7%、43.6%。

3.2 力學(xué)特征參數(shù)

根據(jù)對應(yīng)力應(yīng)變特征數(shù)據(jù)處理，獲得纖維含量影響下土體試樣三軸抗壓強(qiáng)度變化特征，見圖3。從圖3中可看出，試樣抗壓強(qiáng)度以纖維含量3%下為最高，在圍壓100 kPa時該含量下試樣強(qiáng)度為356.8 kPa，而纖維含量1%、5%試樣較之降低17.5%、12.2%。從強(qiáng)度變化區(qū)間可知，圍壓100 kPa下纖維含量0～3%區(qū)間內(nèi)，纖維含量每增長1%，試樣強(qiáng)度平均增幅為17.8%，而在含量3%～5%區(qū)間內(nèi)，強(qiáng)度平均降幅為6.3%。同理，在圍壓200、300 kPa中強(qiáng)度變化與之基本一致，纖維含量0～3%區(qū)間增幅分別為18.8%、21.9%，而在含量3%～5%區(qū)間降幅分別為6.5%、6.8%。從強(qiáng)度有效性改善來看，地基處理時選擇纖維含量3%更有利于工程結(jié)構(gòu)承載性能提升。

圖3 纖維含量影響下土體抗壓強(qiáng)度特征

根據(jù)3個圍壓下應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，獲得抗剪強(qiáng)度特征參數(shù)變化關(guān)系，見圖4。從圖4中可知，黏聚力隨纖維含量為先增后減變化，纖維含量3%試樣的黏聚力最高，達(dá)56.2 kPa，且黏聚力參數(shù)與纖維含量具有二次函數(shù)關(guān)系；在纖維含量0～3%與3%～5%兩區(qū)間內(nèi)，黏聚力平均增幅與降幅分別為9.6%、12%，表明纖維量的變化，對黏聚力的影響是承載強(qiáng)度變化的重要體現(xiàn)。各纖維含量試樣內(nèi)摩擦角分布為28.8°～32°，全過程均為遞增變化，但變化幅度較小，纖維含量增長1%，內(nèi)摩擦角增大增幅僅為3.7%，平均增幅2.1%，表明內(nèi)摩擦角受纖維含量影響敏感度不及黏聚力。

圖4 抗剪強(qiáng)度特征參數(shù)變化關(guān)系

4 含水量影響下土體力學(xué)特征

4.1 強(qiáng)度特征

根據(jù)對不同含水量試樣力學(xué)數(shù)據(jù)處理，獲得典型圍壓下土體試樣應(yīng)力應(yīng)變特征與試樣三軸抗壓強(qiáng)度變化特征曲線，見圖5。從圖5(a)可看出，含水量與土體加載應(yīng)力水平具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，應(yīng)變4%時含水量15%試樣的加載應(yīng)力為453.5 kPa，而含水量為17%、21%試樣加載應(yīng)力相比前者分別減小23.5%、69.1%。分析認(rèn)為，含水量愈多，則試樣內(nèi)部顆?？紫队?，水分子所處結(jié)構(gòu)面處承載能力愈弱，表現(xiàn)在加載應(yīng)力水平降低特征[16]。在圖5(b)中，3個圍壓下試樣強(qiáng)度變化特征均為負(fù)相關(guān)，且強(qiáng)度與含水量具有線性函數(shù)關(guān)系，含水量增大2%，圍壓100、300 kPa下試樣強(qiáng)度分別平均損耗33.7%、6.2%，即圍壓升高，含水量對強(qiáng)度抑制作用有所減弱。

圖5 試樣應(yīng)力應(yīng)變特征與三軸抗壓強(qiáng)度特征

4.2 抗剪特征

根據(jù)不同含水量試樣三軸力學(xué)試驗數(shù)據(jù)，獲得不同含水量試樣的抗剪特征參數(shù)，見圖6。兩抗剪特征參數(shù)均為遞減變化，含水量19%、21%試樣的黏聚力相比含水量15%下分別減少14.2%、17.8%，含水量增高2%，黏聚力平均減少6.3%。各含水量試樣的內(nèi)摩擦角波動幅度最大不超過1%，而含水量對內(nèi)摩擦角影響平均幅度為0.5%，表明與纖維含量影響下兩抗剪特征參數(shù)敏感度類似，黏聚力受影響敏感程度高于內(nèi)摩擦角。分析認(rèn)為，內(nèi)摩擦角是與顆粒間接觸關(guān)系的抗剪參數(shù)，而含水量或纖維含量改變，對顆粒間咬合度以及接觸性均影響較小，而黏聚力受之影響會發(fā)生較大影響，因而敏感性較強(qiáng)。

圖6 不同含水量試樣的抗剪特征參數(shù)

5 結(jié) 論

1) 土體加載應(yīng)力隨纖維含量影響具有階段性特征，以含量3%下為最高，圍壓100kPa下纖維含量0～3%與3%～5%區(qū)間內(nèi)，纖維含量每增長1%，土體強(qiáng)度平均增幅17.8%與降幅6.3%；圍壓增大，強(qiáng)度受纖維含量影響更顯著。

2) 土體試樣摻纖維后塑性變形硬化能力增強(qiáng)，線彈性模量、黏聚力均以纖維含量3%試樣為最大，黏聚力參數(shù)與纖維含量具有二次函數(shù)關(guān)系，纖維含量增長1%，內(nèi)摩擦角增幅為2.1%，且其受纖維含量影響敏感度不及黏聚力參數(shù)。

3) 含水量與土體加載應(yīng)力水平以及抗剪特征參數(shù)均具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，且含水量與土體強(qiáng)度具有線性函數(shù)關(guān)系，圍壓100、300 kPa下試樣強(qiáng)度平均損耗33.7%、6.2%；含水量增高2%，黏聚力平均減少6.3%，內(nèi)摩擦角最大波動幅度不超過1%。