泵闸工程场地覆盖土体掺纤维影响下力学试验研究

王 晓，常 哲，李小艳，王 鹏

(淮安市淮河水利建设工程有限公司，江苏 涟水 223400)

1 概 述

水工建筑工程的设计离不开对工程场地的勘察[1-2]，研究土体力学稳定性对设计参数确定具有重要价值，因而分析改良土与原状土力学影响因素，对工程建设提供重要参数依据。引入离散元计算方法，黎柳坤[3]、崔博等[4]、李远征等[5]利用颗粒流计算平台，针对土体试样建立计算模型，并设定相关边界荷载，模拟土体试样在单轴、三轴加载过程中破坏力学特征，丰富了离散元仿真计算土力学成果。另一方面，水工建筑勘察设计阶段亦可采用原位试验，包括触探、旁压等试验方法[6-8]，获得现场地基土体力学状态，分析工程场地承载能力，此亦可为工程设计提供最直接参数。

颗粒流方法由于结果过于理想化，而现场原位试验结果精度不高，因而一些学者采用从工程现场取样后，在室内利用精密室内仪器设计开展土体压缩[9]、剪切[10]、拉伸[11]等力学试验，分析土体力学稳定性影响因素，为工程地基处理、坝体堆筑等提供准确、合理的判断参数。

本文根据淮安联圩枢纽工程拟建泵站工程场地土体掺纤维后力学稳定性状态，设计开展有三轴UU试验，为泵闸工程设计提供基础力学参数参考。

2 试样概况

2.1 工程背景

为提升苏北淮河下游地区防洪、排涝及调度水资源能力，考虑在原有淮安联圩枢纽工程基础上新建一座抽水泵站，作为河道防洪及内城排涝重要水资源控制枢纽，提升地区水利安全性。该拟建泵站设计流量为15 m3/s，配备有4个泵室及双向进水口，底板高程为12.5 m，采用混凝土底板结构作为防渗设施，厚度为0.6 m，所涉及的进水池宽度为2.5 m；出水侧配备有双孔式压力箱涵，尺寸为2 m×1.5 m，为控制下游泥沙含量，在出水侧另设置有滤沙装置，确保过泵水流后含沙量低于7.5 kg/m3。与该泵站同期建设的另有一座泄流水闸，以直径为2.2 m的弧形钢闸门作为水流启闭通道，最大泄流量为252 m3/s，闸顶高程为23.5 m。静力场计算可知，该水闸位移、应力分布均较小，抗倾覆、抗滑移稳定系数均在2以上，结构静力稳定性较佳。动力响应下，水闸结构加速度响应值最大为1.85 m/s2，而应力响应最大集中在闸室底板处，即闸基础与上部结构连接处为抗震薄弱面，应重点关注闸室基础抗震安全性。

另一方面，该泵站采用闸墩作为结构体系支撑结构，墩厚度为1.2 m，采用预应力混凝土作为结构材料，并在两侧边墙设置有锚固结构，锚杆水平夹角为30°。经设计方案初步仿真计算可知，该锚固结构体系中最大拉应力不超过1.9 MPa，静力场中位移分布集中在锚固与中墩连接处，沉降位移最大为12 mm。该泵站作为地区内重要水工结构，闸墩基础以及泵站闸室基础对结构体系影响性均较大。另外，泄洪水闸基础与抗震设计密切相关，由工程场地力学稳定性结合基础设计，提升水工建筑静、动力安全性。

因而，工程设计部门认为有必要针对性探讨该泵闸工程所处场地力学状态，为工程建设、设计提供重要基础参数。据地质踏勘与地基处理设计得知，该工程场地与黏质壤土为主，水工建筑地基处理方案是采用掺加筋纤维措施，提升整体地基稳定性，故本文重点开展掺加筋纤维土体力学试验研究，讨论加筋纤维含量对土体力学特征影响。

2.2 试验介绍

本试验采用TSZ-30型土体三轴试验仪开展力学加载试验，该试验设备具备自动检测、程序控制精准、误差较低的特点，见图1。该试验系统包括加载部分、数据测量及控制系统，加载系统包括围压、孔隙压力以及轴向荷载部分，最大围压可达30 MPa，轴向荷载量程可根据试验要求更换响应传感器，最大荷载可达200 kN，孔隙压力为测试土体渗透以及细观孔隙度重要压力装置，其最大压力可达5 MPa。数据测量系统包括有试样变形测量装置与荷载位移反应装置，轴向变形量程为-20～20 mm，环向变形量程为-15～15 mm，采用链条接触式测量方式，传感器误差不超过0.1%，试验前均已标定。控制系统可实现对三轴试验缸内试样加载速率、变形速率方式控制，对试样加载方式也可采用流量控制，变形速率可选择0.002～4.5 mm/min，本文试验样品加载全过程应变速率均为0.6 mm/min。三轴试验缸内可实现对多尺寸试样完成无侧限抗压试验或其他类型的三轴剪切试验，试样尺寸直径可为40～80 mm，高度最大可为200 mm，本文试验所用样品尺寸直径、高度均为50、100 mm。

图1 土体三轴试验仪

从拟建泵站工程现场取回样品，测试其含水量分布在15%～21%，经室内捣碎重塑后，添加相对应的目标含量纤维，按照多次少量洒水原则，完成目标含水量试样制作，并放入养护箱内养护24 h[12-13]。本文为研究掺纤维含量对土体力学特征影响，设计两个影响参数试验组。第一个试验组为纤维含量，设定含量为1%、2%、3%、4%、5%，另设置有从工程现场取回的原状土作为对照组；第二个试验组设定含水量为15%、17%、19%、21%，围压统一设定为100、200和300 kPa。本试验中各方案具体参数见表1。

表1 各组试样试验参数

3 纤维含量影响下土体力学特征

3.1 应力应变特征

根据对不同纤维含量土体试样开展力学加载试验所获得数据，经数据处理获得纤维含量影响下土体应力应变特征，见图2。从图2中可知，土体三轴加载应力水平随纤维含量影响变化具有阶段性特征。当纤维含量在0%～3%时，纤维含量愈多，则试样加载应力水平愈高；而纤维含量超过3%后，加载应力水平愈低。在围压100 kPa下，应变6%时原状土加载应力为141.6 kPa，而纤维含量为1%、3%时相同应变下的加载应力较前者分别增长44.8%、109.8%，而纤维含量增长至5%时加载应力相比含量3%下又减少20.6%；当围压增大至200 kPa后，纤维含量3%试样相同6%应变下的加载应力相比原状土时增长141.5%，但相比含量5%时减少22.8%；围压升高后，纤维成分对土体承载应力影响更为显著。

图2 纤维含量影响下土体应力应变特征

从本文应力应变特征结果可说明，纤维含量对土体加载应力水平影响具有节点，本试验中该节点含量为3%，而围压效应对纤维成分的节点效应具有促进作用。笔者认为，当土体加入纤维量低于节点含量时，此时土体颗粒骨架正处于较为松散状态，愈多的纤维成分，对土体颗粒骨架的稳定性以及颗粒间黏结性均具有促进作用，因而呈现加载应力水平增高的现象[14-15]。但超过节点含量后，此时土体内部颗粒骨架已达到最稳定状态，颗粒骨架最佳稳定性所需纤维量已达到饱和状态，再多的纤维量存在于土体内部，只会形成软弱结构面，从而造成加载应力水平降低的态势。

分析不同纤维含量下试样应变特征可知，土体三轴变形全过程可分为“线弹性-塑性硬化”两阶段特征，两阶段应变转折点在各掺纤维试样中基本一致，围压100、200 kPa下各试样应变阶段转折点分别对应4.75%、5.84%，表明纤维含量对土体试样应变转折点影响较弱。图2中两围压下除原状土外，其余试样均未出现显著应力峰值点，表明掺纤维试样下塑性变形硬化能力得到增强。相同围压下，土体线弹性模量特征仍以纤维含量3%为变化节点，围压100 kPa下该节点含量试样的线弹性模量为111.9 kPa，为各掺纤维试样中最高，纤维含量1%、5%试样的线弹性模量相比前者分别减少55.7%、43.6%。

3.2 力学特征参数

根据对应力应变特征数据处理，获得纤维含量影响下土体试样三轴抗压强度变化特征，见图3。从图3中可看出，试样抗压强度以纤维含量3%下为最高，在围压100 kPa时该含量下试样强度为356.8 kPa，而纤维含量1%、5%试样较之降低17.5%、12.2%。从强度变化区间可知，围压100 kPa下纤维含量0～3%区间内，纤维含量每增长1%，试样强度平均增幅为17.8%，而在含量3%～5%区间内，强度平均降幅为6.3%。同理，在围压200、300 kPa中强度变化与之基本一致，纤维含量0～3%区间增幅分别为18.8%、21.9%，而在含量3%～5%区间降幅分别为6.5%、6.8%。从强度有效性改善来看，地基处理时选择纤维含量3%更有利于工程结构承载性能提升。

图3 纤维含量影响下土体抗压强度特征

根据3个围压下应力应变数据，获得抗剪强度特征参数变化关系，见图4。从图4中可知，黏聚力随纤维含量为先增后减变化，纤维含量3%试样的黏聚力最高，达56.2 kPa，且黏聚力参数与纤维含量具有二次函数关系；在纤维含量0～3%与3%～5%两区间内，黏聚力平均增幅与降幅分别为9.6%、12%，表明纤维量的变化，对黏聚力的影响是承载强度变化的重要体现。各纤维含量试样内摩擦角分布为28.8°～32°，全过程均为递增变化，但变化幅度较小，纤维含量增长1%，内摩擦角增大增幅仅为3.7%，平均增幅2.1%，表明内摩擦角受纤维含量影响敏感度不及黏聚力。

图4 抗剪强度特征参数变化关系

4 含水量影响下土体力学特征

4.1 强度特征

根据对不同含水量试样力学数据处理，获得典型围压下土体试样应力应变特征与试样三轴抗压强度变化特征曲线，见图5。从图5(a)可看出，含水量与土体加载应力水平具有负相关关系，应变4%时含水量15%试样的加载应力为453.5 kPa，而含水量为17%、21%试样加载应力相比前者分别减小23.5%、69.1%。分析认为，含水量愈多，则试样内部颗粒孔隙愈多，水分子所处结构面处承载能力愈弱，表现在加载应力水平降低特征[16]。在图5(b)中，3个围压下试样强度变化特征均为负相关，且强度与含水量具有线性函数关系，含水量增大2%，围压100、300 kPa下试样强度分别平均损耗33.7%、6.2%，即围压升高，含水量对强度抑制作用有所减弱。

图5 试样应力应变特征与三轴抗压强度特征

4.2 抗剪特征

根据不同含水量试样三轴力学试验数据，获得不同含水量试样的抗剪特征参数，见图6。两抗剪特征参数均为递减变化，含水量19%、21%试样的黏聚力相比含水量15%下分别减少14.2%、17.8%，含水量增高2%，黏聚力平均减少6.3%。各含水量试样的内摩擦角波动幅度最大不超过1%，而含水量对内摩擦角影响平均幅度为0.5%，表明与纤维含量影响下两抗剪特征参数敏感度类似，黏聚力受影响敏感程度高于内摩擦角。分析认为，内摩擦角是与颗粒间接触关系的抗剪参数，而含水量或纤维含量改变，对颗粒间咬合度以及接触性均影响较小，而黏聚力受之影响会发生较大影响，因而敏感性较强。

图6 不同含水量试样的抗剪特征参数

5 结 论

1) 土体加载应力随纤维含量影响具有阶段性特征，以含量3%下为最高，围压100kPa下纤维含量0～3%与3%～5%区间内，纤维含量每增长1%，土体强度平均增幅17.8%与降幅6.3%；围压增大，强度受纤维含量影响更显著。

2) 土体试样掺纤维后塑性变形硬化能力增强，线弹性模量、黏聚力均以纤维含量3%试样为最大，黏聚力参数与纤维含量具有二次函数关系，纤维含量增长1%，内摩擦角增幅为2.1%，且其受纤维含量影响敏感度不及黏聚力参数。

3) 含水量与土体加载应力水平以及抗剪特征参数均具有负相关关系，且含水量与土体强度具有线性函数关系，围压100、300 kPa下试样强度平均损耗33.7%、6.2%；含水量增高2%，黏聚力平均减少6.3%，内摩擦角最大波动幅度不超过1%。