張秀英

(貴州省桐梓縣燎原鎮(zhèn)水務(wù)站，貴州 遵義 563200)

1 概 述

水利工程設(shè)計(jì)離不開對(duì)土體力學(xué)特性的認(rèn)知，而土體力學(xué)特性又包括了靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性[1-2]，僅開展土靜力學(xué)研究，無法滿足工程實(shí)際需要，因此，探討土動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)提高水工結(jié)構(gòu)抗動(dòng)力破壞能力具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。顧浩宇等[3]、王然等[4]利用室內(nèi)試驗(yàn)儀器設(shè)備，開展了靜力學(xué)下的土體力學(xué)破壞研究，并對(duì)強(qiáng)度、變形等力學(xué)特征進(jìn)行宏觀分析，初步獲得了土體宏觀靜力學(xué)特性與物理環(huán)境、摻量等因素的關(guān)聯(lián)性。舒榮軍等[5]、胡再?gòu)?qiáng)等[6]為探討土動(dòng)力學(xué)特性，設(shè)計(jì)開展了不同頻率下土動(dòng)荷載破壞試驗(yàn)，并對(duì)土體動(dòng)力學(xué)特性、應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)研究土動(dòng)力學(xué)特性發(fā)展規(guī)律具有參照意義。針對(duì)原狀土與改性土動(dòng)力學(xué)特性，郭竟語(yǔ)等[7]、劉奇等[8]設(shè)計(jì)開展了循環(huán)動(dòng)荷載下的土動(dòng)力試驗(yàn)，并對(duì)土體的孔壓特征、應(yīng)力應(yīng)變，乃至土動(dòng)力特征參數(shù)進(jìn)行了全面分析，揭示了土動(dòng)力學(xué)特性影響變化。本文依托洪渡河堤防工程粉質(zhì)砂土動(dòng)荷載試驗(yàn)研究，進(jìn)行了改性粉質(zhì)砂土的動(dòng)力學(xué)特性影響研究，旨在為工程建設(shè)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 工程概況

洪渡河是黔北地區(qū)重要的地表河流，全長(zhǎng)為205km，控制流域面積超過3700km2，洪渡河有10余條支流，流經(jīng)遵義多個(gè)縣區(qū)，同時(shí)也是烏江上游重要水資源供應(yīng)來源。根據(jù)對(duì)洪渡河沿線區(qū)域的調(diào)查，其河段流域區(qū)80%以上均位于山高密林地帶，河流動(dòng)水勢(shì)能較高，監(jiān)測(cè)到的流速最大可為3.2m/s，因此洪渡河上游適合建設(shè)水電站，為遵義地區(qū)發(fā)展提供清潔能源。在洪渡河上游已開發(fā)建設(shè)有3A級(jí)旅游景區(qū)，重點(diǎn)發(fā)展漂流、人文景觀等，水利經(jīng)濟(jì)價(jià)值逐年提升。但不可忽視的是，洪渡河在遵義地區(qū)內(nèi)的長(zhǎng)度接近120km，涉及務(wù)川縣、鳳岡縣、沿河縣等，在部分河段內(nèi)堤防水土流失較為嚴(yán)重，極易引起堤防失穩(wěn)，特別是在務(wù)川縣K8+530處，水土流失率高達(dá)52.8%，遵義段洪渡河中度水土流失面積為195.2km2，部分河段堤防坡腳已出現(xiàn)臨空等現(xiàn)象，每年監(jiān)測(cè)水土流失量接近343.9t。不難看出，洪渡河的開發(fā)利用復(fù)雜性顯著，如何有效控制洪渡河堤防水土流失、堤防失穩(wěn)等問題，是遵義城區(qū)防洪的關(guān)鍵。為此，水利部門調(diào)查了洪渡河在遵義城區(qū)的流態(tài)、流速以及沿線堤防設(shè)計(jì)特征，劃定了遵義市洪渡河整治河段，項(xiàng)目區(qū)總面積為5.2hm2，其中堤防分布面積占比為65.5%，大多為中度水土流失，預(yù)計(jì)開挖土石方16.5萬m3，工程引起水土流失量為205.6t。堤防整治采用格賓石籠、生態(tài)護(hù)坡結(jié)合的方式，在迎水坡1/1.5～1/2.5的河段內(nèi)，漿砌石護(hù)底，混凝土坡面防沖刷，確保河段安全穩(wěn)定。經(jīng)河道堤防整治后，堤防迎水面防沖刷、固土防水效果比較顯著。在多輪次設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證時(shí)，發(fā)現(xiàn)堤防土層的粉質(zhì)砂土常常出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，且流動(dòng)性明顯，尤以較大洪峰過境時(shí)較為突出，因此，在加固堤防的同時(shí)，確保堤防粉質(zhì)砂土抗液化、抗動(dòng)力破壞能力不喪失也是重點(diǎn)。為此，堤防設(shè)計(jì)方案研究團(tuán)隊(duì)專門針對(duì)粉質(zhì)砂土動(dòng)力荷載下的動(dòng)力學(xué)特性演變進(jìn)行試驗(yàn)研究(見圖1)。

圖1 堤防K9+120處整治前、后堤防迎水面特征

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為確保試驗(yàn)研究結(jié)果的可靠性，在洪渡河遵義段整治工程K8+620處進(jìn)行鉆孔取樣，測(cè)試表明，土樣粒徑0.25～0.075mm含量占比為24.5%，占比最多的為0.075～0.005mm顆粒(見圖2)，級(jí)配參數(shù)計(jì)算表明級(jí)配不良，整體松散性較高，含水率為7.5%～8.2%，本次共鉆6孔進(jìn)行取樣，土樣平均含水率為7.75%，含水率整體差異性不大。土樣經(jīng)物化測(cè)試表明，液限為0.275，塑性指數(shù)為0.17，易溶性物測(cè)試結(jié)果為，有機(jī)物含量0.72mg/kg，易溶鹽電導(dǎo)率105μS/cm，鹽漬化較明顯。試驗(yàn)前，六個(gè)鉆孔的試樣均需在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室完成重塑制樣，參照含水率7.75%制備，用環(huán)刀法進(jìn)行制樣打磨，由于洪渡河堤防工程加固設(shè)計(jì)時(shí)考慮了生態(tài)護(hù)坡，因此，試驗(yàn)中重塑土樣加入有不同摻量的固化劑，該類型固化劑為有機(jī)物纖維物，在土樣重塑、碾碎狀態(tài)下混合制備，所制備的試樣含水率差異不超過0.5%，試樣制成后，依次進(jìn)行烘干、密封、恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)等，制備的試樣見圖3，直徑、高度分別為5cm、10cm。在正式進(jìn)行動(dòng)荷載試驗(yàn)前，均需在真空飽和箱內(nèi)完成抽氣飽和，同時(shí)土樣加載前也需完成二次反壓，確保加載平臺(tái)上試樣達(dá)到固結(jié)。

圖2 土樣顆粒級(jí)配曲線

圖3 制備試樣

為研究粉質(zhì)砂土的動(dòng)力學(xué)特性，設(shè)計(jì)以循環(huán)加卸載方式開展動(dòng)力破壞試驗(yàn)，并監(jiān)測(cè)土樣破壞過程中動(dòng)力特征參數(shù)的演變規(guī)律。GDS動(dòng)荷載試驗(yàn)設(shè)備(見圖4)可實(shí)現(xiàn)不同頻率、不同動(dòng)應(yīng)力比、不同路徑下動(dòng)荷載試驗(yàn)，動(dòng)荷載頻率可設(shè)定為0.1～5Hz，荷載量程最大為50kN，該儀器設(shè)備具有反壓飽和控制器，可在試驗(yàn)前完成土樣固結(jié)測(cè)試。試驗(yàn)設(shè)備配置有數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、加載模塊等五個(gè)單元模塊，各模塊操作均集成于中控系統(tǒng)，確保土樣動(dòng)荷載試驗(yàn)過程可控、可測(cè)、可視。粉質(zhì)砂土加載過程采用變形控制方式，速率為0.015mm/min，卸載過程同樣也采用變形控制，速率為0.01mm/min。與傳統(tǒng)靜力三軸試驗(yàn)不同，土體動(dòng)荷載試驗(yàn)中，其軸向應(yīng)力、圍壓作用方向有所差異性，圖4(b)所示為土樣在動(dòng)荷載條件下圍壓、軸向荷載的作用特征，其中軸向荷載滿足正弦函數(shù)關(guān)系，頻率為0.25Hz，土樣45°斜面上剪切荷載形成的剪切角度為σ0+σd/2，其中σd為動(dòng)荷載初始值，動(dòng)應(yīng)力比CSR設(shè)定為0.14[9]，本文試驗(yàn)監(jiān)測(cè)也是圍繞土樣破壞過程中孔壓、動(dòng)力特征參數(shù)進(jìn)行分析。

圖4 動(dòng)三軸試驗(yàn)設(shè)計(jì)

洪渡河堤防工程粉質(zhì)砂土的動(dòng)荷載試驗(yàn)中考慮了改性固化劑的影響，其摻量設(shè)定為0%(原狀粉質(zhì)砂土)、0.5%、1%、1.5%、2%，圍壓按照50kPa、80kPa、120kPa、170kPa設(shè)定(見表1)，基于不同組試樣動(dòng)荷載試驗(yàn)結(jié)果分析，探討粉質(zhì)砂土的動(dòng)力特性，以作為堤防土體整治、加固設(shè)計(jì)的參照。

表1 各組試樣試驗(yàn)參數(shù)

4 粉質(zhì)砂土試樣孔壓發(fā)展特征

根據(jù)不同圍壓、不同改性固化劑摻量下試樣循環(huán)加卸動(dòng)荷載試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，獲得了土樣在各循環(huán)振次下孔壓發(fā)展特征(見圖5)。由圖5可知，在不同固化劑摻量下，同圍壓組中粉質(zhì)砂土試樣的孔壓變化呈現(xiàn)一致性，固化劑摻量不會(huì)直接改變同組圍壓下孔壓演變歷程。在50kPa圍壓下，各摻量土樣孔壓均呈“緩增—陡增—緩增”的變化態(tài)勢(shì)，對(duì)應(yīng)的循環(huán)振次節(jié)點(diǎn)基本接近，孔壓第一階段緩增終止于循環(huán)振次4次，而第三階段緩增起始于振次38次。當(dāng)圍壓增大至120kPa、170kPa后，同組圍壓下土樣孔壓發(fā)展曲線具有差異性，在120kPa圍壓下，孔壓呈“緩增—快增—陡增”變化特征，其中在循環(huán)振次295次后，孔壓上升曲線在各圍壓中具有最高增幅；在170kPa圍壓下，孔壓變化具有降低段，位于循環(huán)振次573次后，且在循環(huán)振次9500次處，各摻量土樣孔壓值較為接近，即圍壓增大到一定幅值后，土樣的大變形會(huì)導(dǎo)致土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生失衡性變化，導(dǎo)致孔壓出現(xiàn)“泄壓”現(xiàn)象。綜合分析來看，固化劑摻量不會(huì)從根本上改變土樣內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)，對(duì)土樣孔壓變化趨勢(shì)影響較弱，而圍壓是直接改變土樣內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)狀態(tài)的主要因素[10]，不同圍壓下土樣孔壓具有鮮明差異性。

圖5 試樣孔壓演變特征

同一圍壓下，固化劑摻量愈多，土樣孔壓愈低，50kPa圍壓下，原狀粉質(zhì)砂土試樣循環(huán)振次12～25次下，孔壓分布于14.5～30.4kPa，而摻量為0.5%、1%、2%的三個(gè)試樣孔壓較之前者分別減少了17.5%、36.2%、70.6%；當(dāng)圍壓增大至80kPa、170kPa后，摻量對(duì)試樣孔壓水平的影響減弱，80kPa圍壓下，摻量0.5%與2%的試樣在循環(huán)振次82～134次下，彼此之間孔壓平均差為5.6kPa，差幅為56.5%，而170kPa圍壓下為30.8%。當(dāng)圍壓增大時(shí)，土樣孔壓同樣會(huì)減小，圍壓作用不僅會(huì)限制固化劑摻量對(duì)土樣孔壓的影響，同樣也會(huì)束縛土樣內(nèi)部孔壓水平的發(fā)展。

5 粉質(zhì)砂土試樣動(dòng)荷載下動(dòng)力特征參數(shù)演變

循環(huán)加卸動(dòng)荷載條件下，粉質(zhì)砂土試樣動(dòng)力特性演變直接關(guān)乎著土樣抗動(dòng)力破壞能力，因此，本文引入動(dòng)彈性模量、阻尼比兩動(dòng)力特征參數(shù)進(jìn)行動(dòng)力特性分析。動(dòng)彈性模量、阻尼比定義及計(jì)算式如下[11]：

(1)

式中Ed——?jiǎng)訌椥阅Ａ浚琍a；

σd——?jiǎng)討?yīng)力，Pa；

εd——應(yīng)變；

σmax、σmin——一個(gè)加載周期內(nèi)的最大、最小應(yīng)力值，Pa；

εmax、εmin——一個(gè)加載周期內(nèi)的最大、最小應(yīng)變值。

(2)

式中λd——阻尼比；

ΔQ——一個(gè)加卸載周期內(nèi)的能量損耗，J；

Q——荷載總能量，J；

A——一個(gè)加卸載應(yīng)力閉環(huán)構(gòu)成的圖形面積；

A′——應(yīng)力、應(yīng)變曲線第一象限內(nèi)的閉環(huán)圖形面積。

5.1 動(dòng)彈性模量

對(duì)各圍壓組下不同摻量試樣計(jì)算動(dòng)彈性模量，獲得了土樣動(dòng)彈性模量隨應(yīng)變發(fā)展的變化特征(見圖6)。由圖6可知，同一圍壓下，不同摻量土樣動(dòng)彈性模量發(fā)展趨勢(shì)基本相近，甚至在不同圍壓組中，動(dòng)彈性模量演變過程也大多相似，即固化劑摻量以及圍壓作用，均不會(huì)改變粉質(zhì)砂土試樣動(dòng)彈性模量的演變趨勢(shì)。在各圍壓組中，動(dòng)彈性模量均為“遞減—穩(wěn)定”變化，但不同摻量、不同圍壓下，試樣進(jìn)入動(dòng)彈性模量的穩(wěn)定段各有區(qū)別，如圍壓50kPa、摻量0.5%的試樣在應(yīng)變12.96%時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定段，而同圍壓下?lián)搅?.5%、2%的試樣分別在應(yīng)變11.8%、10.8%時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定段。圍壓170kPa下，摻量0%、1%、2%的三個(gè)試樣在應(yīng)變12.99%、10.6%、9.7%之前均為遞減特征，在該應(yīng)變后，逐步達(dá)到穩(wěn)定段，動(dòng)彈性模量值也較為接近。由此可知，摻量愈大，粉質(zhì)砂土試樣進(jìn)入動(dòng)彈性模量的穩(wěn)定期愈早，各圍壓下均是如此。

圖6 粉質(zhì)黏土試樣動(dòng)彈性模量發(fā)展特征

綜合來看，固化劑摻量愈多，試樣動(dòng)彈性模量值愈小，但差異性以動(dòng)彈性模量遞減段更為顯著[12]。圍壓愈大，試樣動(dòng)彈性模量愈高，同為摻量1%下，50kPa圍壓下，應(yīng)變4.7%～7%區(qū)間內(nèi)動(dòng)彈性模量分布于9.37～6.23MPa，平均模量值為7.7MPa，而80kPa、170kPa圍壓下同為該應(yīng)變區(qū)間內(nèi)，平均模量分別提高了51.9%、84.4%。筆者認(rèn)為，增大固化劑摻量，可減少土體動(dòng)力響應(yīng)水平，控制土樣動(dòng)力破壞危害，提高堤防工程抗動(dòng)力、抗震能力。

5.2 阻尼比變化歷程

同理，聯(lián)系加卸載過程中土樣應(yīng)變特征，獲得了土樣阻尼比變化歷程(見圖7)。由圖7可知，各圍壓、摻量下試樣的阻尼比變化基本接近，均為“遞增—穩(wěn)定”狀態(tài)，但不同試樣進(jìn)入阻尼比穩(wěn)定段節(jié)點(diǎn)各有差異。50kPa圍壓下?lián)搅?%、0.5%、2%的三個(gè)試樣進(jìn)入阻尼比穩(wěn)定段節(jié)點(diǎn)應(yīng)變分別為12.8%、11.4%、10.2%，而在170kPa圍壓下，上述三個(gè)試樣穩(wěn)定段節(jié)點(diǎn)應(yīng)變分別為13.2%、12.4%、10.8%。不難看出，摻量愈大，則進(jìn)入阻尼比穩(wěn)定段的節(jié)點(diǎn)應(yīng)變愈小，且摻量以及圍壓作用，均不會(huì)改變阻尼比宏觀變化特征，只會(huì)影響變化節(jié)點(diǎn)。

圖7 粉質(zhì)黏土試樣阻尼比演變特征

從阻尼比水平影響來看，摻量愈多，阻尼比愈大，而圍壓增大，阻尼比減小，總體上圍壓對(duì)土樣阻尼比影響效應(yīng)弱于摻量因素。50kPa圍壓下，摻量1%的試樣阻尼比分布于0.07～0.26，而在120kPa、170kPa圍壓下阻尼比分別分布于0.06～0.2、0.04～0.19，三個(gè)圍壓之間，同摻量試樣阻尼比差值較小。當(dāng)同為120kPa圍壓時(shí)，摻量0%的試樣在阻尼比穩(wěn)定段為0.166，而摻量0.5%、1.5%、2%的三個(gè)試樣阻尼比穩(wěn)定值分別為0.18、0.23、0.28，即摻量對(duì)阻尼比水平影響幅度高于圍壓作用。從堤防工程加固設(shè)計(jì)考慮，粉質(zhì)砂土有必要進(jìn)行固化改性，這對(duì)約束土體動(dòng)力響應(yīng)水平以及控制堤防動(dòng)荷載破壞具有正向價(jià)值。

6 結(jié) 論

圍壓作用會(huì)改變土樣孔壓變化歷程，而摻量因素不會(huì)；固化劑摻量愈多，土樣孔壓愈低，同時(shí)圍壓增大，孔壓也會(huì)減小，且圍壓作用會(huì)減弱摻量與孔壓之間的關(guān)聯(lián)性；圍壓作用與摻量因素均不會(huì)改變土樣動(dòng)彈性模量變化趨勢(shì)，動(dòng)彈性模量呈“遞減—穩(wěn)定”變化，但摻量因素會(huì)影響土樣進(jìn)入動(dòng)彈性模量穩(wěn)定期的應(yīng)變節(jié)點(diǎn)；固化劑摻量愈多，試樣動(dòng)彈性模量值愈小，而圍壓對(duì)動(dòng)彈性模量的影響則相反。

各圍壓、摻量下試樣的阻尼比變化基本接近，均為“遞增—穩(wěn)定”狀態(tài)，摻量愈大，進(jìn)入阻尼比穩(wěn)定段的節(jié)點(diǎn)應(yīng)變愈??；摻量、圍壓對(duì)阻尼比的影響分別為正相關(guān)、負(fù)相關(guān)，總體上不同圍壓之間阻尼比值差幅較低?？刂频谭拦こ谭圪|(zhì)砂土的固化劑摻量，有助于約束土體動(dòng)力響應(yīng)水平，提高堤防抗動(dòng)荷載破壞能力。