李旨洪

（江西省水利水电建设集团有限公司，江西南昌330025）

水利工程建设中必须考虑地基承载力要求，天然地基无法满足设计要求时，常需要通过地基处理改良，以满足结构安全设计要求，研究改良地基土体对推动地基处理设计水平提升具有重要指导意义[1-3]。李春好、王瑞等、王欣荣掺加化学试剂对土体进行改良，获得满足工程要求的改良土体，此类改良主要依赖于化学试剂与土发生化学反应，进而提升土体物理力学性质[4-6]。化学改良土体作用局限性较大，化学试剂成本较高，反应速率较慢，因而王龙威等、张桂荣等、卫杰等开始利用掺加良性土体或人工纤维等，对土体进行物理改良，提升原状土体力学表征，使重塑后土体能够满足工程设计要求[7-9]。土体力学性质研究主要采用室内试验与仿真模拟计算2种手段，仿真计算主要采用颗粒流类软件平台建立计算模型，分析土体模型在不同荷载工况中力学特征，提高对土体力学特性认知水平[10-12]；采用室内试验对土体进行力学加载测试，可真实获得重塑土体或原状土体力学性质影响特性，为研究改良土体提供数据参考[13-15]。根据西弥浦泵闸工程地基粉土实际，进行重塑黏质粉土三轴力学试验，开展黏质粉土力学影响特性分析，为该泵闸工程地基设计提供参考。

1 试验概况

1.1 试验背景

西弥浦泵闸工程位于上海市宝山区西南部，是西弥浦河与蕰藻浜汇合处重要控制水利枢纽。工程采用整体式结构，轴线长27 m，最宽处28.5 m，以弧形钢闸门作为流量调控设施，直径4.5 m，闸室净宽10 m。泵闸工程支护采用桩锚结构，总开挖深度8.1 m，支护桩长16 m，剖面直径800 mm，设置有12根支护桩。闸室基础也采用基础桩支护措施，每根桩长22 m，在特征剖面设置有监测设备，确保基础桩承载力满足工程需求。泵站最大提水能力8万m3/d，下游设有泄流孔，每孔直径1.5 m，可为下游输水渠提供重要水资源，也可为上游排涝、防洪等服务。该泵闸工程另设有拦污栅结构，泵站与拦污栅均采用闸墩支撑，每根闸墩厚度2.5 m，设有连系梁作为加固措施，其中横连系梁采用张拉预应力支护，确保泵站与拦污栅结构稳定性。由于地区雨季降雨量较大，对工程上游排涝具有显著影响，工程管理部门考虑建设一防汛墙结构，降低雨季暴雨等高径流下泵闸设施渗透破坏威胁，设计防汛墙基础埋深超过8 m。闸墩所在场地与防汛墙设计基础埋深相差无几，而目前地基土层以粉土为主，最厚处超过5.5 m，但其承载力不能满足工程设计要求，且土体粘结性较弱，作为地基土体性质不佳。为此，工程部门考虑对地基土体进行改良，并先行在实验室内开展物理改良土体性质研究，添加适量黏土质颗粒改良粉土力学性质[16，17]，为后续工程地基处理等提供依据。

1.2 试验介绍

利用GEOMEC1000冻融循环三轴试验仪开展物理改良粉土力学性质试验，该试验包括数据采集系统、加载系统、冻融试验模块以及辅助性监测系统，试验平台如图1所示。其中，数据采集系统可根据试验需求设定间隔为0.5～10 s，利用电脑程序处理试验数据，实时呈现试样试验状态变化特征。加载系统采用电脑程序液压控制，最大轴向荷载可达250 kN，围压加载可达40 MPa，荷载最大波动幅度不超过0.1%，确保加载精度不影响试验结果。冻融试验模块采用冻融试验箱控制，最低冻结温度可达-30℃，最高融化温度可设定为80℃，试验中选择冻、融温度分别为-20℃、20℃，经目标量的冻融循环次数后，试样放入三轴试验箱内完成加载试验。监测系统包括宏观变形监测传感器与细观监测设备，轴向变形量程为-25～25 mm，可满足径高比1/2、1/3等圆柱体、长方体试样开展试验，环向变形最大量程为15 mm，变形传感器监测误差不超过0.5%，试验中加载速率采用轴向变形控制方式，速率恒定为0.02 mm/min；细观监测设备主要指高速摄像头以及声发射等耦合设备。击实试验采用电动击实仪完成，重塑土样在击实筒内分多次、多层击实，测取每次击实后土样质量，取代表试样测取最优含水率。

图1 GEOMEC1000冻融循环三轴试验仪

粉土重塑物理改良方法较简单，取泵闸工程场地粉土击碎后养护，在工程场地附近钻孔取定量的黏土体，在实验室内分别击碎2种土体，用筛分法过滤掉粗颗粒；后将碎粉土、黏土按照2/1配比放入制样盘内，分多次洒水，每次洒水控制适量。2种土体搅拌击实混合后，在恒温恒湿养护箱内养护24 h，击实次数控制在20～25次；后采用环刀法制备满足试验要求的直径、高度分别为38、76 mm的改良重塑土样。改良重塑土样冻融循环次数分别为0、2、4、6、8、10、12次，黏质颗粒含量分别为5%、10%、15%、25%，另设置有原状粉土试样，各试验方案参数详见表1。

表1 各组重塑试样黏质颗粒含量与冻融次数

2 重塑土击实试验分析

对不同黏质颗粒含量的土样进行击实试验，获得重塑土击实曲线，如图2所示。从图2可知，各黏质含量试样的最佳含水量随黏质颗粒增大而递增，黏质颗粒5%试样的最佳含水量为9.44%，而黏质颗粒10%、15%时的含水量分别增大至9.86%、10.57%。从最大干密度变化特征来看，4个黏质颗粒试样最大干密度分布为2.03～2.04 g/cm3，各黏质颗粒间试样最大干密度最大变幅仅为0.6%。随黏质颗粒增大，最大干密度小幅降低，黏质颗粒10%、20%试样最大干密度相比黏质颗粒5%时降低了0.33%、0.61%，表明黏质颗粒对重塑土试样的最大干密度具有抑制性影响。

图2 各黏质含量重塑土击实曲线

黏质颗粒与击实试验两特征参数关系曲线，如图3所示。从图3曲线拟合来看，最优含水量与黏质含量具有二次函数正相关关系，黏质颗粒增大5%，最优含水量增长8.5%；而最大干密度与之亦具有二次函数关系，两者为负相关关系。分析认为，黏质颗粒愈多，粉土颗粒间粘结性愈强，保水性愈强，降低了水分的流失作用，且外界击实作用对其效果更佳，改良后重塑土样最优含水量愈大，但良好的压实效果降低了重塑土样的最大干密度。

图3 黏质颗粒与最大干密度、最优含水量间关系

3 重塑土三轴试验分析

3.1 黏质颗粒含量影响

经三轴冻融循环重塑土样加载力学试验，获得黏质颗粒含量影响下重塑土应力应变特征，如图4所示，图中各应力应变数据均为冻融次数为0次时数据。从2个围压下重塑土应力水平与黏质颗粒含量关系可知，整体上高黏质颗粒含量加载应力较大，且物理改良重塑土应力水平均高于原状粉土。在围压100 kPa时，应变3%下黏质颗粒含量5%试样的应力为37.2 kPa，而相同应变下黏质含量10%、20%试样应力相比前者分别增长了22.2%、69.8%。分析认为，三轴加载过程中原状粉土颗粒间粘结性较差、颗粒主骨架间咬合度较弱，在压缩应力作用下，粉土颗粒发生滑移，导致原状土加载应力水平较低；当原状土重塑后掺加黏质颗粒，具有粘结性的黏质颗粒可进入粉土主骨架，作为粉土颗粒间粘结剂减小颗粒间孔隙，增强颗粒骨架结构稳定性，且黏质颗粒含量愈多、颗粒骨架间隙愈小、粉土颗粒骨架粘结性愈强，加载应力水平愈高。

图4 黏质颗粒含量影响下重塑土应力应变特征

从变形特征来看，围压200 kPa时重塑土样在峰值应力后期下降幅度较小，在该围压下掺黏质颗粒含量10%试样峰值应力后期下降幅度为12.6%；而在围压100 kPa下的下降幅度为30.9%，围压愈大重塑黏质粉土试样塑性变形能力越强。从线弹性变形阶段可看出，围压100 kPa下各黏质粉土试样的线弹性模量基本相近，达22.9 kPa，但在围压200 kPa下试样线弹性模量增大了43.9%。分析认为，黏质颗粒含量对试样线弹性变形阶段影响较小，各重塑黏质粉土试样在相同围压下线弹性模量基本保持一致，围压越大线弹性模量值愈大。

为分析黏质颗粒含量与重塑土样抗压强度关系，给出两围压下黏质颗粒含量影响下的三轴抗压强度变化关系，如图5所示。从图5可看出，黏质颗粒含量与重塑土样抗压强度具有正相关关系，两者呈线性函数关系，在围压100 kPa时黏质颗粒含量5%试样抗压强度为35.3 kPa，而含量15%、20%试样强度相比前者分别增长了47.9%、81.8%。整体上看增幅可知，围压100 kPa下黏质颗粒含量增长5%，平均可提升重塑土样强度22.6%；而在围压200 kPa下，含量增长5%，重塑土样强度可增大28.6%。这表明围压增大，重塑土样强度受黏质颗粒含量影响更为显著。

图5 黏质颗粒含量影响下的三轴抗压强度变化

3.2 冻融次数

冻融次数对重塑后土样影响显著，典型冻融次数影响下重塑土应力应变特征如图6所示。从图6可知，冻融次数对重塑土样应力水平影响具有阶段性特征。黏质含量5%时，在冻融次数0～8次内，次数愈多则重塑黏质粉土加载应力水平愈低，应变3%时无冻融试样的加载应力为35.6 kPa，而冻融次数为4、8次试样的加载应力相比前者分别降低了26.7%、52.5%。该区间内平均增长2次冻融，加载应力水平可降低39.6%，表明该区间内冻融次数有抑制重塑土样加载应力水平效应。当冻融次数超过8次后，相同应变3%下次数为10、12次试样的加载应力相比8次分别增大了17.5%、36.8%，即冻融次数位于该区间内时，冻融效应对重塑土样加载应力具有促进作用。当黏质含量增大至20%后，依然以冻融8次为阶段节点，在该节点前、后区间内冻融次数对试样影响更为显著；在冻融0～8次内，应变3%时冻融4、8次试样的加载应力相比冻融0次分别降低了30.1%、49.9%；冻融8次后，相同应变3%下次数为10、12次试样的加载应力相比次数8次分别增大了24.2%、63.6%。笔者认为，冻融次数具有阶段节点且与黏质粉土内含水量有关，当冻融次数处于小区间内时，次数愈多，试样内颗粒骨架水晶体颗粒膨胀、收缩变形愈剧烈，对试样承载能力愈不利；黏质颗粒愈多，重塑土样内部颗粒骨架保水能力得到提高，受冻融效应影响更为显著，因而应力涨跌幅度愈大。

从图6（a）看出，冻融0～8次内，次数愈多，试样线弹性模量愈小，冻融8次的线弹性模量为5.59 kPa，而冻融0、4次线弹性模量相比前者提高了1.2倍、62.1%；在冻融8～12次内，线弹性模量随冻融次数具有递增效应。这表明不同冻融次数下，重塑黏质粉土试样在各变形阶段均具有显著差异性。

图6 冻融次数影响下重塑土应力应变特征

冻融次数影响下重塑土样三轴强度变化特征曲线，如图7所示。从图7可知，在黏质含量5%试验组中，冻融0～8次内，每增长2次冻融，强度平均损耗9.9%；而在冻融8次后，每增长2次冻融，重塑土样强度可升高11.2%；且当黏质含量增大时，冻融效应在重塑土样强度中更为显著。

图7 冻融次数影响下重塑土样三轴强度变化特征

4 结论

（1）重塑后黏质粉土最优含水量与黏质含量具有线性函数正相关关系，黏质颗粒含量增大5%，最优含水量增长8.5%；而最大干密度与黏质含量具有二次函数关系，两者为负相关关系。

（2）重塑后黏质粉土加载应力水平高于原状粉土，且黏质含量愈多则重塑黏质粉土加载应力水平愈大，围压100、200 kPa下黏质颗粒含量增长5%，分别可提升重塑土样强度22.6%、28.6%；围压愈大，重塑黏质粉土塑性变形能力愈强，围压200 kPa下线弹性模量相比100 kPa下增大43.9%。

（3）以冻融8次为阶段节点，在该节点前、后区间内冻融次数对试样加载应力分别为递减、递增效应，黏质含量5%下冻融0～8、9～12次内，每增长2次冻融，强度分别平均损耗9.9%、增大11.2%；黏质含量愈多，黏质粉土受冻融效应影响愈显著，应力涨跌幅度愈大。