安 鵬， 朱石磊， 強城成， 王松鶴， 徐 強

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院， 陜西 西安 710054； 2.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

坎兒井是一種適應(yīng)干旱山前地形地貌的古老而先進(jìn)的水利工程[1]。在我國其主要分布在吐魯番盆地，是“一帶一路”沿線重要的歷史文化遺址，因規(guī)模宏大，被譽為中國古代三大工程之一[2-3]。其主要原理是截取盆地山前地下水，并通過暗渠將水引至綠洲盆地，供盆地中央的灌溉、人畜飲水，并形成了吐魯番盆地獨特的綠洲文化[4-5]。但近40年來，對機電井的過度依賴使得地下水開采過度[6]，加上坎兒井管理不善等因素使得其數(shù)量大幅衰減[7]。

暗渠與豎井的剝落坍塌是其破壞的主要原因之一[8]，其中井壁與豎井坍塌導(dǎo)致坎兒井隧洞破壞(約占坎兒井總數(shù)的20%)，暗渠淤堵現(xiàn)象嚴(yán)重，已經(jīng)影響到了正常出水[9]。根據(jù)坎兒井地層特點可將其分為“土質(zhì)坎兒井”、“沙質(zhì)坎兒井”[9]。研究發(fā)現(xiàn)沙質(zhì)坎兒井受冬季水汽與溫度影響不大[10]，而土質(zhì)坎兒井的出口段土樣在經(jīng)歷凍融、干濕循環(huán)后其強度參數(shù)與彈模變化劣化顯著[11]。井壁含水率分布、土的凍脹性評價以及暗渠破壞形態(tài)調(diào)研分析表明，凍融循環(huán)導(dǎo)致的井壁剝落是土坎破壞的主要原因和初始破壞階段[12]。

當(dāng)前暗渠常見的加固措施包括拱形漿砌石、預(yù)制混凝土板、卵形涵、錨桿掛網(wǎng)混凝土噴漿等[12]。因坎兒井隧洞空間狹小、斷面不規(guī)則等使得在上述措施實施時存在建材運輸難、作業(yè)難、井壁需鑿除或回填、無法保留文物原貌等問題，同時暗渠長達(dá)上千米、十幾千米不等，加固長度無依據(jù)。文獻(xiàn)[12]根據(jù)冬季隧洞負(fù)溫段深度提出了局部防滲加固方案，在保持其歷史原貌的同時，可將井壁含水率降至起始凍脹含水率以下，弱化了土體剝落破壞。

坎兒井井壁始終處于潮濕環(huán)境，除凍融破壞外，動植物、重力、風(fēng)力侵蝕不可避免。目前，最大限度保護土遺址原貌的加固方法尚屬表面噴灑與鉆孔注漿，但是表面噴灑無法達(dá)到足夠加固深度[13]，對井壁加固效果有限。當(dāng)前土遺址原位注漿加固主要包括3種材料，即有機高分子材料(丙烯酸樹脂和環(huán)氧樹脂等)、無機類材料(如硅酸鉀、氫氧化鈣和硅酸鈉等)、無機有機復(fù)合材料(如硅酸乙酯)等[14]。多數(shù)材料僅能在短期內(nèi)獲取良好的加固效果，其中無機材料在潮濕環(huán)境下易引起土層溶脹收縮，可溶鹽遷移等問題[15]，如氫氧化鈣在加固潮濕軟土遺址后，易因溶解度低、滲透性差等導(dǎo)致表面層狀脫落[16]，有機高分子材料和無機有機復(fù)合材料加固后易出現(xiàn)裂紋、起甲、剝落[15]、微生物滋生[17]、耐老化能力差[18]與土顆粒相容性差等問題[19]。針對干旱區(qū)土遺址風(fēng)化問題，敦煌研究院研制的高模數(shù)硅酸鉀[20-21](high modulus potassium silicate，以下簡稱“PS”)可大幅提高遺址土強度和抗風(fēng)蝕能力[22]，且會降低土的導(dǎo)熱系數(shù)來削弱溫差引起的物理風(fēng)化和裂隙，適用于交河、高昌故城的遺址土[21]。吐魯番坎兒井與交河、高昌故城距離相近，氣候與土質(zhì)相同，不同的是坎兒井屬于吐魯番鮮有的潮濕環(huán)境，針對潮濕凍融環(huán)境下井壁黃土，確定合理的PS摻量，通過注漿加固提高井壁強度與抗凍脹性是加固坎兒井井壁急需解決的關(guān)鍵問題。

因此，本文擬選擇PS作為加固材料，通過制備黃土重塑樣，進(jìn)行16次凍融循環(huán)，研究PS摻量對土體凍脹量的影響規(guī)律，評價PS加固土體的抗凍脹性能，揭示其抗凍脹機理；隨后通過凍融循環(huán)后直接剪切試驗，驗證加固多年后坎兒井井壁強度特性，分析PS摻量對剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系、強度參數(shù)的影響規(guī)律。研究成果將為吐魯番坎兒井井壁注漿加固方案的選擇提供依據(jù)。

2 材料參數(shù)

本文以吐魯番艾丁湖鄉(xiāng)阿洪坎兒井為例，通過井壁取樣進(jìn)行基本物理性質(zhì)試驗，結(jié)果見表1。

表1 坎兒井井壁黃土土樣基本物理指標(biāo)

高模數(shù)硅酸鉀的化學(xué)結(jié)構(gòu)式可用K2O·mSiO2表示，其中m為SiO2與K2O的摩爾比。摩爾比越大，越難溶于水，SiO2含量越高，黏度和內(nèi)聚力越大。本研究所用PS的模數(shù)為3.3，即K2O·3.3 SiO2。這種材料具有很強的抗風(fēng)化和抗老化能力，價格低廉，對土遺址的外觀影響小[23]。

3 試樣制備

因坎兒井保護需要，無法獲得足夠多的原狀土樣，為此選擇重塑土樣進(jìn)行試驗。試驗環(huán)節(jié)包括PS添加(模擬井壁注漿)、凍融循環(huán)(模擬實際運行環(huán)境)、凍脹量實測(驗證抗凍脹效果)，以及凍融循環(huán)后的剪切試驗(驗證多年運行后的強度特征)等。鑒于每個土樣均需經(jīng)歷上述環(huán)節(jié)，為此選擇試驗尺寸相同的普通環(huán)刀樣。

重塑土中加入3種質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0、3%和5%)的PS。為使PS能均勻膠結(jié)于土中，配制質(zhì)量濃度為10%的PS溶液，利用滴管對試樣通過水膜轉(zhuǎn)移法反復(fù)添加，直至滿足摻量要求。隨后用塑料薄膜包裹土樣，防止水分散失，并養(yǎng)護固化30 d后備用。

4 黃土凍融循環(huán)前后的凍脹試驗

4.1 試驗方法

土樣在凍融循環(huán)后的抗凍脹性是評價PS對井壁加固效果的一個重要指標(biāo)，為此進(jìn)行3個PS摻量土樣的凍融循環(huán)試驗。首先將養(yǎng)護完成的土樣含水率調(diào)整至目標(biāo)值，即10%、15%、20%和25%。隨后采用塑料薄膜包裹密封樣品，阻止其與外界水分交換。最后將土樣放入脹縮變形儀，并整體放入環(huán)境箱進(jìn)行封閉系統(tǒng)下的側(cè)限凍融循環(huán)試驗。凍融循環(huán)次數(shù)為16次，即N=16。通過百分表實測每個循環(huán)后的豎向變形。其中凍結(jié)、解凍溫度分別設(shè)置為-18、25 ℃，持續(xù)時間均為12 h。

4.2 試驗結(jié)果與分析

現(xiàn)將不同PS摻量土樣未經(jīng)歷凍融循環(huán)(N=0)的首次凍脹量與凍融循環(huán)15次(N=15)之后的凍脹變形實測如圖1所示。

圖1 不同PS摻量的坎兒井黃土土樣含水率與凍脹變形的關(guān)系

由圖1可知，試樣變形隨含水率的增大而增大，呈現(xiàn)由凍縮向凍脹發(fā)展。首次凍脹曲線與凍融循環(huán)15次后凍脹量存在差別，但差別不大。無PS摻量土樣與3%PS摻量土樣存在凍縮，5%PS摻量土樣不存在凍縮現(xiàn)象。相同含水率下3%PS摻量土樣凍脹量均小于無PS摻量和5%PS摻量土樣的凍脹量，且脹縮性顯著小于無PS摻量。基于插值法將變形為0時的含水率定義為起始凍脹含水率wi，得出PS對坎兒井黃土起始凍脹含水率wi的影響，如表2所示。

表2 PS對坎兒井黃土起始凍脹含水率wi的影響

由圖2可知，首次凍脹時3%PS摻量土樣wi為15.80%，比無PS摻量土樣提高了28.4%，15次凍融循環(huán)(N=15)后，wi提高了40.5%。可見PS可大幅提高土體的wi，即PS摻入提高了凍脹的門檻值。相同PS摻量的wi在凍融循環(huán)前后差別不大，表明凍融循環(huán)對wi影響不大。為評價PS摻量對凍脹變形的抑制作用，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[24]，現(xiàn)將w=25%時不同PS摻量土樣的凍脹類別進(jìn)行評價，如表3所示。

表3 不同PS摻量水平下25%含水率土樣凍脹性評價表

由表3可知，摻入PS后土樣凍脹量與凍脹率大幅度減小，土樣由強凍脹性變?yōu)槿鮾雒浶?，其?%和5%PS摻量土樣的凍脹率分別降低了79.7%和75.3 %。說明PS對土體凍脹抑制作用顯著，且基本不受凍融循環(huán)影響，加固后可保證井壁長期抗凍脹作用。然而，凍脹量并未隨PS摻量的增加而降低，其中5%PS摻量的土樣凍脹量反而大于3%PS摻量，因此，3%PS摻量抑制凍脹的效果更好。

4.3 摻PS土樣的抗凍脹機理分析

由凍脹試驗結(jié)果可知，土樣凍脹量并非隨著PS摻量的增多而減小。為分析PS抑制黃土的凍脹機理，建立了相同含水率w0下不同PS摻量土樣的微觀結(jié)構(gòu)概念模型示意圖，如圖2所示。

圖2 相同含水率不同PS摻量土樣的微觀結(jié)構(gòu)概念模型圖

由圖2可看出，摻入PS后，土體孔隙比與相同含水率w0下的飽和度均出現(xiàn)了變化。PS越多，PS膠體對顆粒的包裹程度越高，并以膠體形式存在于顆粒表面和粒間孔隙。其中，就孔隙比而言，e0%>e3%>e5%, 相應(yīng)的，氣體體積：V0%>V3%>V5%，黏聚力：c5%>c3%>c0%(見5.3小節(jié))。

為進(jìn)一步分析，可將黃土孔隙分為鑲嵌孔隙和粒間孔隙。非飽和土封閉系統(tǒng)凍脹過程中兩類孔隙發(fā)揮著不同的作用。非飽和狀態(tài)孔隙水優(yōu)先聚集于粒間孔隙，以結(jié)合水與少量自由水為主，含水率增大后，孔隙水才占據(jù)部分鑲嵌孔隙，氣泡多集中于鑲嵌孔隙。持續(xù)負(fù)溫下，鑲嵌孔隙自由水優(yōu)先凍脹，氣泡為鑲嵌孔隙水原位凍脹提供空間，隨后粒間孔隙中的結(jié)合水和少量自由水發(fā)生凍脹，但因氣泡較少，只能通過克服粒間膠結(jié)擠開粒間距獲取凍脹所需空間。而無PS摻量的土粒間僅為普通膠結(jié)，黏聚力低，故而其凍脹量最大。

摻入PS使土體獲取了增強的黏聚力，黏粒依附于大顆粒形成凝塊導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)了如下變化：(1)凝塊的產(chǎn)生導(dǎo)致鑲嵌孔隙體積增大；(2)非飽和狀態(tài)下相同含水率時自由水含量增多，且多占據(jù)鑲嵌孔隙，因PS膠體多占據(jù)粒間孔隙使得水分可楔入的粒間孔隙數(shù)量減少；(3)氣體體積相應(yīng)減少。亦即PS膠體對粒間孔隙的占據(jù)導(dǎo)致水分聚集位置發(fā)生了變化。因此，孔隙水凍結(jié)依靠壓縮氣泡獲得自由空間，但黏聚力的增強使得其比無PS摻量土樣的凍脹量小得多。但PS含量越多，氣體體積越小，自由水含量越多，凍脹所需體積越大，使得5%PS摻量土樣的凍脹量稍大于3%PS摻量土樣。

5 凍融循環(huán)后直接剪切試驗

5.1 試驗材料與方法

PS加固坎兒井井壁經(jīng)歷多年運行后的強度參數(shù)也是評價其加固效果的關(guān)鍵性指標(biāo)。同時，鑒于坎兒井井壁主要發(fā)生低圍壓下的剝落與坍塌破壞，為此將經(jīng)歷16次凍融循環(huán)的土樣進(jìn)行3個PS摻量水平(0，3%，5%)、3個含水率水平(w=15%，w=20%，w=25%)、3個豎向應(yīng)力水平(100 kPa，200 kPa，400 kPa)下的直剪試驗，研究含水率與PS摻量對剪應(yīng)力-剪切位移曲線特征及強度參數(shù)的影響規(guī)律。

5.2 剪應(yīng)力與剪切位移特征分析

在不同豎向應(yīng)力水平和含水率下，各PS摻量重塑土樣凍融循環(huán)后的剪應(yīng)力-剪切位移曲線如圖3～5所示。分析圖3～5可知：無PS摻量土樣的含水率越大，其剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線的非線性程度越強，均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型；3%PS摻量土樣在正應(yīng)力較大時，曲線為應(yīng)變硬化型，正應(yīng)力較小時，曲線為應(yīng)變軟化型，并隨著正應(yīng)力的增大存在由硬化向軟化過渡的現(xiàn)象；5%PS摻量土樣基本均為應(yīng)變軟化型，即脆性破壞。對于同一含水率，隨著PS含量的增大，軟化特征更明顯，剪應(yīng)力-剪切位移曲線由硬化向軟化過渡，非線性程度更高。

圖3 不同豎向應(yīng)力和含水率下無PS摻量重塑土樣凍融循環(huán)后剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

圖4 不同豎向應(yīng)力和含水率下3%PS摻量重塑土樣凍融循環(huán)后剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

圖5 不同豎向應(yīng)力和含水率下5%PS摻量重塑土樣凍融循環(huán)后剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

坎兒井暗渠出口段上覆土層薄，壓力小，在綜合分析上述曲線在100～200 kPa范圍內(nèi)的類型與規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合其峰值對其概化，繪制剪應(yīng)力-剪切位移曲線概化示意圖(如圖6所示)，并就其特征進(jìn)行分析。

圖6 PS加固土剪應(yīng)力-剪切位移曲線概化示意圖

由圖6可知，5%PS摻量土樣均為應(yīng)變強軟化型，3%PS摻量土樣在200 kPa壓力以下為應(yīng)變?nèi)踯浕?，無PS摻量土樣均為應(yīng)變硬化型。

依據(jù)曲線特征可將其分為屈服前變形段(Ⅰ)、屈服后剪應(yīng)力衰減段(Ⅱ)和殘余變形段(Ⅲ)。無PS摻量的重塑土樣僅包括階段Ⅰ和階段Ⅲ。階段Ⅰ僅依靠顆粒間普通膠結(jié)實現(xiàn)低應(yīng)力下以彈性為主的變形，曲線在階段Ⅰ呈現(xiàn)顯著的“上凸”特征，即剪切模量不斷減小。3%PS摻量下，PS以膠體形式廣泛存在于顆粒表面，特別是粒間接觸面，形成較多團粒凝塊。剪切過程中PS膠體與普通膠結(jié)物共同作用，抵抗剪切變形，階段Ⅰ表現(xiàn)出良好的線性相關(guān)，剪切模量屈服前變化不大。5%摻量下PS膠體分布于粒間接觸面的同時，還大量填充于鑲嵌孔隙中，使土樣呈現(xiàn)從“摩擦型材料”向“凝聚型材料”轉(zhuǎn)化的特征，屈服前剪切模量呈現(xiàn)略增大的趨勢，即階段Ⅰ表現(xiàn)為“下凸”特征。因此，屈服前剪應(yīng)力-剪切位移曲線隨著PS摻量的增加，呈現(xiàn)由“上凸-近似線性-下凸”的過渡特征。

5.3 強度參數(shù)隨含水率變化規(guī)律

針對應(yīng)變硬化曲線，依規(guī)范選取剪切位移4 mm對應(yīng)的剪應(yīng)力作為剪切強度，對于應(yīng)變軟化曲線，以峰值點的剪應(yīng)力作為剪切強度，并通過摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則得到強度參數(shù)。繪制不同PS摻量加固土樣強度的參數(shù)(黏聚力、內(nèi)摩擦角)隨含水率的變化過程，并以線性擬合曲線的斜率絕對值作為相應(yīng)參數(shù)的衰減比來反映強度參數(shù)隨含水率的衰減程度，如圖7所示。

圖7 不同PS摻量的加固土樣強度參數(shù)隨含水率的變化

由圖7(a)可知：不同PS摻量土樣的黏聚力均隨含水率的增加而降低。同一含水率下，土樣黏聚力隨著PS摻量的增加而增大，5%摻量與3%摻量土樣遠(yuǎn)大于無摻量土樣。且無摻量土樣的黏聚力隨含水率的衰減比為2.70，遠(yuǎn)大于3%(1.50)與5%(1.02)摻量的土樣。說明無PS摻量的土樣顆粒間被水膜楔入程度較高，而摻入PS后，水分只楔入未被完全包裹膠結(jié)的顆粒間，大部分粒間水分無法楔入，增加的水分多聚積在鑲嵌孔隙中(參見圖2)，故仍保持較高的黏聚力，且對含水率變化沒有無摻量土樣敏感。說明PS可以大幅提高土體的黏聚力。

由圖7(b)可知：不同PS摻量土樣的內(nèi)摩擦角均隨含水率的增加而降低，其中無摻量的內(nèi)摩擦角衰減比為0.420，遠(yuǎn)大于3%摻量的0.020及5%摻量的0.084。無PS摻量土樣的內(nèi)摩擦角大幅降低與水膜楔入后粒間摩擦系數(shù)變小有關(guān)。但對摻入PS的土樣而言，內(nèi)摩擦角隨含水率的變幅不大，可認(rèn)為不受含水率影響，原因是顆粒表面包裹的PS薄膜使粒間接觸由棱角分明的礦物接觸變?yōu)槔饨遣惶置鞯腜S膠體薄膜接觸，這使得摻入PS土樣的內(nèi)摩擦角較小，且隨著PS摻量的增加，其對顆粒的包裹程度越強，內(nèi)摩擦角越小。

因此，PS加固土體的主要機理在于大幅提高了黏聚力。黏聚力增大對于抗剪強度的貢獻(xiàn)足以抵消內(nèi)摩擦角降低引起的抗剪強度的衰減。對坎兒井井壁土體而言，在剪切屈服前，抗剪強度主要由黏聚力提供。綜合不同PS摻量的抗凍脹性、強度特征和工程造價，以3%PS摻量加固坎兒井出口段井壁是合適的。

本文目前僅研究了不同PS摻量土的特性，后期將選擇坎兒井試驗段，通過暗渠防滲抗凍脹與井壁凍脹范圍內(nèi)微鉆孔PS溶液注漿的方式實現(xiàn)坎兒井井壁的加固。

6 結(jié) 論

(1)PS改良坎兒井黃土可顯著提高起始凍脹含水率，并大幅度削弱土體凍脹量，但凍脹量并非隨著PS摻量的增大而降低，其中5%PS摻量土樣較3%PS摻量土樣的凍脹量更大，且不存在凍縮現(xiàn)象，造成這種現(xiàn)象的原因是PS過多時占據(jù)了土粒間的孔隙，相同含水率時，水分多集中在鑲嵌孔隙，而可吸收凍脹變形的氣泡體積反而減少，從而造成凍脹量的顯著增大。亦即PS在提高土粒間黏聚力的同時，PS膠體對土粒間孔隙的占據(jù)導(dǎo)致水分聚集位置發(fā)生了變化。

(2)PS會顯著改變剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線特征，其中在200 kPa豎向應(yīng)力作用下，無PS摻量的重塑土樣均為應(yīng)變硬化型，5%PS摻量土樣均為應(yīng)變強軟化型，3%PS摻量土樣為應(yīng)變?nèi)踯浕汀ｋS著PS摻量的增大，屈服前曲線呈現(xiàn)“上凸-近似線性-下凸”的過渡特征，說明土體逐漸由摩擦型向凝聚型材料轉(zhuǎn)變。

(3)摻入PS可大幅提高土體的峰值強度，其中黏聚力隨著PS摻量的增大而增大，摻入PS的土樣黏聚力隨著含水率增加而降低。但內(nèi)摩擦角隨PS摻量的增大而減小，相同PS摻量土樣的內(nèi)摩擦角不隨含水率而變化，其主要原因是摻入PS后，顆粒由“礦物”接觸變成了“PS薄膜”接觸。

(4)采用PS注漿加固可大幅提高土體的黏聚力，其中3%PS摻量對于提高土體強度和抗凍脹性更合適，且更為經(jīng)濟。但PS無法徹底消除井壁凍脹，因此可考慮暗渠防滲與井壁注漿聯(lián)合進(jìn)行。同時應(yīng)進(jìn)一步研究PS加固后土體抵抗風(fēng)蝕的性能。