劉曉琪

（河北省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，石家莊 050021）

1 試驗(yàn)背景

為提升保定地區(qū)用水保障性及水資源利用的高效性， 以上游南水北調(diào)工程引水作為蓄水工程主要來(lái)源，考慮建設(shè)抽水泵站水利調(diào)度樞紐工程。該樞紐工程主體結(jié)構(gòu)以泵站為主體，涉及到攔污柵、閘門(mén)、消力池及防滲導(dǎo)墻等結(jié)構(gòu)組成。在這些結(jié)構(gòu)中，部分建立在土料填筑體上。 這些土料填筑體受季節(jié)環(huán)境條件的影響，在常年凍融循環(huán)作用下，土體的力學(xué)特征會(huì)發(fā)生一定變化。 為了保證樞紐工程結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定和運(yùn)行安全， 有必要對(duì)土料填筑體在循環(huán)凍融條件下的力學(xué)特征進(jìn)行研究。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘資料得知， 土料填筑體松散性較大，現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)得顆粒級(jí)配狀態(tài)如圖1，室內(nèi)含水率測(cè)試結(jié)果表明含水率適中，為12%～22%，經(jīng)擊實(shí)試驗(yàn)獲得最佳含水率為17.3%，土料擊實(shí)曲線如圖2；滲透系數(shù)較大，承載力中等，該樞紐工程中消能池水工結(jié)構(gòu)持力層即在該填土層。 另對(duì)填土料進(jìn)行細(xì)觀分析得知，土料內(nèi)含有較多粉質(zhì)顆粒，黏性較大，受低溫凍脹影響較大，特別是填筑料中低于0.075mm的粉質(zhì)顆粒占全土料的70%以上， 此一定程度影響土料填筑體在高-低溫交替工程環(huán)境下的力學(xué)特征變化。從以上土體基本物理性質(zhì)及工程資料可知， 有必要開(kāi)展凍融交替下土料填筑體力學(xué)特征變化， 為樞紐工程水工設(shè)計(jì)選擇最佳方案提供基礎(chǔ)依據(jù)。

圖1 土料顆粒級(jí)配曲線

圖2 土料擊實(shí)曲線

為研究?jī)鋈诮惶鎸?duì)土體力學(xué)特征影響， 本文選取凍融循環(huán)次數(shù)作為外界工程環(huán)境變化因素， 并設(shè)定不同土體含水率方案， 并以三軸壓縮加載作為試驗(yàn)手段。 凍融交替試驗(yàn)中凍、 融溫度分別為-15℃，20℃，土體試樣含水率均保持為17%左右，三軸圍壓為50，100，200kPa，具體實(shí)驗(yàn)方案如表1。 以現(xiàn)場(chǎng)土料填筑體取樣在室內(nèi)精加工制作試樣，保證試樣直徑、高度分別為35，70cm， 以徑高比1∶2尺寸土體試樣開(kāi)展凍融循環(huán)不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)。

表1 各組試樣圍壓與尺寸參數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)中凍融循環(huán)采用凍融交替試驗(yàn)箱，該儀器內(nèi)置有加熱系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)，試驗(yàn)溫度可為-20℃～80℃，電腦程序控制式加溫與低溫變化，在保證內(nèi)部空氣溫度達(dá)到目標(biāo)值的同時(shí)， 又可使試驗(yàn)箱內(nèi)溫度長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài)，溫度波動(dòng)不超過(guò)5%，本文加溫速率選擇為0.4℃/min， 當(dāng)達(dá)到目標(biāo)溫度后， 保溫2h。 三軸試驗(yàn)儀采用TFB-5型全自動(dòng)程序控制液壓加載試驗(yàn)機(jī)，最大圍壓可達(dá)100MPa，軸向荷載可根據(jù)不同試樣更換傳感器量程， 各變形傳感器誤差不超過(guò)0.5%，實(shí)驗(yàn)具體步驟如下：

（1）根據(jù)目標(biāo)土體試樣完成凍融循環(huán)次數(shù)，并測(cè)定每次凍融循環(huán)后試樣物理參數(shù)變化， 當(dāng)質(zhì)量損耗超過(guò)10%，認(rèn)定試樣已受凍融破壞，應(yīng)更換試樣進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

（2）將已完成凍融循環(huán)次數(shù)的試樣放入三軸加載系統(tǒng)中， 調(diào)試好相關(guān)傳感器， 施加圍壓至目標(biāo)值后，開(kāi)始施加軸向荷載，加載方式采用變形控制，速率為0.16mm/min，當(dāng)變形超過(guò)一定范圍后，系統(tǒng)自動(dòng)判斷試樣失穩(wěn)破壞。

（3）結(jié)束實(shí)驗(yàn)，卸下軸壓、圍壓后，保存數(shù)據(jù)，更換試樣后繼續(xù)另一組試驗(yàn)。

2 凍融循環(huán)下土料填筑體試樣應(yīng)力應(yīng)變特征

2.1 圍壓影響

經(jīng)三軸試驗(yàn)獲得不同圍壓影響下土體試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖3。 從圖3可看出，圍壓與加載應(yīng)力為正相關(guān)關(guān)系，在相同凍融循環(huán)次數(shù)2次時(shí)，相同應(yīng)變3%下圍壓50kPa相應(yīng)的加載應(yīng)力為143.3kPa，而同樣條件下圍壓100，200kPa的加載應(yīng)力相比前者分別增大了43%，123.3%，當(dāng)圍壓增大，土體試樣側(cè)向束縛作用增強(qiáng)， 對(duì)松散的土顆粒骨架起著提升穩(wěn)定性以及閉合孔隙的作用， 進(jìn)而促進(jìn)土體試樣軸向壓力的提升。 在凍融循環(huán)為6次、8次時(shí)，相同應(yīng)變及相同圍壓對(duì)比條件下， 應(yīng)力差異幅度變?yōu)?3.1%，78.6%，表明凍融循環(huán)愈多， 則試樣加載應(yīng)力受?chē)鷫河绊懛炔町愑　Ｔ趦鋈谘h(huán)下，試樣內(nèi)部顆粒已在初始狀態(tài)下受到凍融損傷，而圍壓增大，對(duì)其內(nèi)部損傷的改變較弱，進(jìn)而產(chǎn)生圍壓對(duì)加載應(yīng)力的影響幅度減弱。

圖3 不同圍壓影響下土體試樣應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

從各圍壓土體試樣三軸應(yīng)力應(yīng)變整體表現(xiàn)來(lái)看，各試樣均經(jīng)歷了“線彈性變形-塑性硬化變形”兩階段， 當(dāng)圍壓愈大， 則試樣線彈性階段增長(zhǎng)斜率愈高， 表明圍壓可促進(jìn)土料填筑體試樣線彈性模量增長(zhǎng)，在凍融循環(huán)2次時(shí)，圍壓50kPa下的線彈性模量為57.3kPa， 而圍壓100，200kPa的線彈性模量相比前者分別增大了99.5%、2.4倍；從變形階段轉(zhuǎn)折點(diǎn)來(lái)看，圍壓愈大，則試樣應(yīng)變拐點(diǎn)愈大，在凍融循環(huán)6次時(shí)，圍壓50kPa的應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)為3.4%， 而圍壓100，200kPa的應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別為4%，4.8%，圍壓增大，可延緩?fù)馏w試樣進(jìn)入塑性硬化階段。 從變形角度考慮，另一顯著特征乃是各圍壓下土體試樣均不出現(xiàn)峰值應(yīng)力，即試樣持續(xù)處于硬化變形狀態(tài)，變形持續(xù)累積，由此亦可說(shuō)明，該填土料在三軸加載過(guò)程中，特別是較大圍壓下，其內(nèi)部顆粒骨架結(jié)構(gòu)并不產(chǎn)生顯著宏觀裂紋，因而試樣在進(jìn)入塑性屈服變形階段后，仍能承擔(dān)較大變形。筆者針對(duì)塑性變形階段應(yīng)力應(yīng)變斜率展開(kāi)計(jì)算得知，在凍融循環(huán)2次時(shí)，圍壓50，100，200kPa下塑性硬化變形階段的變形模量均保持在5kPa左右，而在凍融循環(huán)6次時(shí)，3個(gè)圍壓下模量亦保持不變，均為3.4kPa，同樣在循環(huán)8次時(shí)穩(wěn)定在2.35kPa；綜上可知，凍融循環(huán)次數(shù)增大，塑性變形階段變形模量有所降低。

2.2 凍融循環(huán)影響

經(jīng)數(shù)據(jù)整理獲得凍融循環(huán)次數(shù)影響下土體試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線特征，如圖4。 從圖4可看出，凍融循環(huán)為0～10次時(shí)， 循環(huán)次數(shù)與土體試樣加載應(yīng)力水平為負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)循環(huán)為10～12次時(shí)，加載應(yīng)力水平增長(zhǎng)；當(dāng)處于相同圍壓50kPa相同應(yīng)變3%時(shí)，凍融循環(huán)0次的加載應(yīng)力為210.5kPa，而凍融循環(huán)2，6，8次的加載應(yīng)力相比前者降低了26.4%，46.8%，70.5%，但循環(huán)12次相比8次加載應(yīng)力又有增幅為63.9%， 表明循環(huán)12次后試樣在三軸壓縮加載條件下承載能力得到增強(qiáng)。與圍壓對(duì)加載應(yīng)力的一致性正向促進(jìn)關(guān)系不同，凍融循環(huán)次數(shù)增大到一定階段， 其對(duì)土體試樣加載應(yīng)力水平影響發(fā)生逆轉(zhuǎn)性變化，分析認(rèn)為，當(dāng)凍融循環(huán)進(jìn)行到一定階段， 試樣內(nèi)部晶體顆粒的黏結(jié)力已受到凍結(jié)影響，具有較大的黏結(jié)摩擦能力，當(dāng)循環(huán)次數(shù)愈多，對(duì)顆粒的黏結(jié)咬合摩擦性能愈好，反映在土體試樣軸向壓力上則是增大的現(xiàn)象。

圖4 凍融循環(huán)次數(shù)影響下土體試樣應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

從變形特征來(lái)看， 土體試樣變形兩階段的臨界點(diǎn)應(yīng)變量隨凍融循環(huán)次數(shù)呈先增后減變化， 圍壓200kPa時(shí)凍融循環(huán)0次的變形拐點(diǎn)應(yīng)變?yōu)?.3%，而循環(huán)4，8，12次后拐點(diǎn)應(yīng)變分別為3.4%，5.1%，3.15%；當(dāng)凍融次數(shù)處于一定范圍區(qū)間內(nèi)， 填土料土體試樣的塑性硬化變形階段節(jié)點(diǎn)有所滯后， 當(dāng)超過(guò)該范圍區(qū)間次數(shù)后，凍融效應(yīng)會(huì)影響土體試樣固結(jié)狀態(tài)，促進(jìn)固結(jié)發(fā)展，試樣脆性變形能力增強(qiáng)，試樣進(jìn)入屈服塑性硬化變形階段會(huì)相對(duì)提前。

3 抗剪強(qiáng)度特征

為準(zhǔn)確分析土體試樣三軸抗剪強(qiáng)度與圍壓、凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系， 對(duì)出現(xiàn)峰值應(yīng)力的直接取其峰值強(qiáng)度， 未出現(xiàn)峰值應(yīng)力的以應(yīng)變15%對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度， 圖5為土料填筑體抗剪強(qiáng)度變化特征曲線。從圖中可知，抗剪強(qiáng)度整體隨凍融循環(huán)次數(shù)為先減后增變化， 其中以未凍融條件下的初始試樣抗剪強(qiáng)度最大， 圍壓50kPa下初始試樣的抗剪強(qiáng)度為252.9kPa， 而循環(huán)4，6，8次后抗剪強(qiáng)度分別降低了24.1%，37.9%，65.9%，當(dāng)凍融循環(huán)增長(zhǎng)2次時(shí)，抗剪強(qiáng)度平均損耗了22.2%；但當(dāng)循環(huán)次數(shù)為12次后，其抗剪強(qiáng)度相比循環(huán)8次下增大了85.5%，且循環(huán)增長(zhǎng)2次，抗剪強(qiáng)度平均增長(zhǎng)為42.7%。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)未達(dá)到試樣內(nèi)部水分子固結(jié)狀態(tài)時(shí)，循環(huán)次數(shù)愈大，則土體試樣顆粒骨架內(nèi)部孔隙在凍結(jié)狀態(tài)下增大，而融化后，孔隙仍維持原來(lái)狀態(tài)，促使了土體試樣內(nèi)部孔隙增大的細(xì)觀特征，進(jìn)而試樣顆粒骨架更具松散，承載能力亦相應(yīng)減弱；但循環(huán)次數(shù)愈多，促使土體試樣顆粒與水晶體顆粒達(dá)到固結(jié)狀態(tài)， 水晶體顆粒與土顆粒相結(jié)合，降低了試樣含水率，但另一層面卻填充了土體試樣顆粒骨架孔隙， 進(jìn)而提升了土體試樣的軸向壓力。

圖5 土體試樣抗剪強(qiáng)度與凍融次數(shù)、圍壓關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

（1）圍壓與土體試樣加載應(yīng)力為正相關(guān)，同樣條件下圍壓100，200kPa的加載應(yīng)力相比圍壓50kPa分別增大了43%，123.3%，融循循環(huán)次數(shù)愈多，則土體試樣應(yīng)力水平受?chē)鷫河绊懛炔町悳p小。

（2）土體試樣三軸加載過(guò)程變形分為“線彈性變形-塑性硬化變形”兩階段，均不出現(xiàn)峰值應(yīng)力；圍壓愈大， 則線彈性模量愈大， 且變形階段應(yīng)變拐點(diǎn)愈大，圍壓100，200kPa的線彈性模量相比圍壓50kPa下分別增大了99.5%、2.4倍；相同圍壓下塑性硬化變形階段的變形模量保持一致，且隨凍融循環(huán)次數(shù)增大，變形模量增大。

（3）凍融循環(huán)為0～10次時(shí)，循環(huán)次數(shù)與土體試樣加載應(yīng)力水平為負(fù)相關(guān)關(guān)系， 當(dāng)循環(huán)為10～12次時(shí)，加載應(yīng)力水平增長(zhǎng)； 土體試樣變形階段臨界拐點(diǎn)應(yīng)變量隨循環(huán)次數(shù)呈先增后減變化。

（4）各圍壓下土體試樣抗剪強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)為先減后增變化，循環(huán)0～10次時(shí)，凍融增長(zhǎng)2次，抗剪強(qiáng)度平均損耗了22.2%，而循環(huán)10～12次時(shí)，循環(huán)增長(zhǎng)2次，抗剪強(qiáng)度平均增長(zhǎng)為42.7%。