東魚河道堤防粉質壤土蠕變力學特性試驗研究

何昭寬

（水發技術集團有限公司，山東 濟寧 272000）

蠕變是各類工程中巖土體材料常會出現的力學問題，研究蠕變力學特性有助于推動對巖土體蠕變特征的認知[1，2]，對各類工程的耐久性、承載穩定性研究均具有參考意義。巖土體材料的蠕變力學特征與自身礦物成分、含水量以及工程環境等密切相關[3，4]，改變相關因素勢必會對材料蠕變力學特性產生影響。王立壯[5]、曾寅等[6]為研究鹽巖、砂巖等巖石類材料蠕變力學特性，設計開展了長持時的恒定單荷載蠕變試驗，甚至進行了長達1 a 的蠕變進程，分析了各階段蠕變特性，為實際相關巖石工程應用提供了基礎依據。胡惠華等[7]、蔣成等[8]從理論模型的建立入手，分析蠕變加速階段出現的節點，探討相關蠕變模型在各類巖土體材料中的應用，為工程蠕變失穩預警提供理論支撐。針對巖土體蠕變特性，張俊文等[9]、寧行樂等[10]通過分級加載等蠕變試驗方法，從試驗結果探討了試樣蠕變進程，并構建起與之相匹配的蠕變本構模型，從數學方法角度評價蠕變力學演化特征。本文為研究東魚河道堤防粉質壤土的蠕變力學影響特性，設計開展了含水率、壓實度以及改性劑摻量等影響下的試驗研究，豐富了實際工程建設參考成果。

1 蠕變試驗介紹

1.1 工程概況

東魚河為山東省西部最大人工河流，是山東引黃灌溉的重要河道，通流后是淮河流域微山湖重要供水通道，全長超過174 km，多個支流與之交匯，地表徑流量較為活躍，承擔起濟寧、菏澤等市農業生產用水任務，據估算東魚河干流及各支流年均可供農業用水超過1 500 萬m3，極大緩解了魯西南地區用水緊張問題。東魚河水系內支流有勝利河、新沖小河、惠河、東溝、南渠河等，其中流域面積在1 000 km2以上的有3 條、超過300 km2的近10 條。由此可見，東魚河乃是地區重要地表輸水通道以及蓄供水樞紐，其流域內水系分布如圖1 所示。根據水文調查得知，東魚河設計防洪水位最大為55.2 m，沿線設置有多個水利樞紐工程。如，成武水利節制閘，控制著東魚河北支河與干流的交匯，對上游菏澤地區過量的挾沙水流進行排沙、降沙。根據調查得知，目前成武閘樞紐改造成閘泵站一體式系統，具有排澇、防洪以及泄流水位調節作用，設計最大排澇流量可達200 m3/s，防洪流量為182 m3/s。但由于運營年限以及北支河夾沙水流影響，在東魚河濟寧段形成了較嚴重的堤防沖刷，部分堤防岸坡坡面沖蝕厚度超過8 cm，與原護坡厚度相比下降了42.5%，部分河段坡腳處空蝕嚴重，監測部分區段坡面流速超過2.5 m/s，對岸坡穩定性挑戰較大。同時，根據成武泵閘樞紐運營數據得知，濟寧段東魚河道泥沙淤積更為嚴重，部分沉沙、排沙設施出現“罷工”，在無人工干預情況下，河道泥沙淤積厚度將以每年0.35 m速度遞增，這將會進一步加劇岸坡失穩。根據濟寧“十四五”水利事業規劃，針對性解決河道堤防滑移問題是重中之重，需對東魚河部分河道堤防進行加固，滿足城區防洪排澇需求。為此，工程部門以濟寧東魚河道肖云大橋—張小樓村為示范治理區段，河道直線距離全長3.6 km，兩側堤防均以粉質壤土為堆筑層，經夯實后逐層壓實形成長達5.2 km 的河道堤防。作為河道治理區段內重要巖土體，粉質壤土的工程力學特性對堤防加固設計很有參考價值。為此，本文以樁號3+235段岸坡粉質壤土為研究對象，開展粉質壤土的蠕變力學試驗研究，壤土所在岸坡立面如圖2所示。

圖1 東魚河流域內水系分布

圖2 樁號3+235段岸坡立面

1.2 試驗方法

河道堤防岸坡中粉質壤土的變形實質上是一個長期過程，傳統室內力學試驗僅能描述出土體瞬時荷載下強度變形破壞特征，而對土體變形的時間效應無法準確描述[6]。蠕變表征了巖土體等材料在恒定荷載下位移隨時間變化的一種力學關系，土體蠕變特征的研究有助于衡量土體工程力學特性。本文采用土體側向力學試驗儀開展蠕變力學試驗，該試驗設備如圖3 所示，具有多通道傳輸、強穩定性、低振頻、高精度特點，所配備的試驗數據采集儀可實現24 h 全過程數據采集，并通過6～8 個通道數據進行位移、荷載等參數校驗。該試驗系統軸向荷載最大可達200 kN，位移數據監測包括有機器自配位移感應系統和LVDT 數據裝置，后者傳感器量程為-20～20 mm，蠕變數據采集間隔為2 s。開始試驗前，所有裝置均需完成誤差清零和標定，確保試樣間不存在機器誤差，且所有數據需實時傳輸至中控系統，實現試驗過程可視化與可變性。由于蠕變試驗歷時長，因而所有數據傳感器需在48～72 h 內不能有超過0.01 Hz 波頻，且試驗設備配置有停電保護系統，可避免其他試驗無關因素對試驗結果的影響。

圖3 蠕變試驗設備

從樁號3+235 段岸坡內多個孔段鉆取土樣，獲得含水率、孔隙率各有差異的粉質壤土。根據物理力學參數測量可知，該岸坡內壤土含水率分布為12%～20%，孔隙率受填筑料壓實度影響，分布有壓實度為0.75～0.95 的粉質壤土，相應孔隙率分布為5%～25%。經鉆孔取樣后，在實驗室開展試樣加工處理，按照原狀壤土與重塑壤土分別制作試樣，原狀壤土試樣直接通過環刀法取樣，獲得徑高分別為50、100 mm 試樣。重塑壤土試樣需經過顆粒過篩，與相應摻量的地聚物拌合后，并采用噴灑水分方式達到試樣目標含水率，而試樣壓實度通過壓樣器制備獲得。經環刀法取樣后的試樣需在恒溫恒濕環境下養護24 h，重塑壤土過篩、制樣過程如圖4所示。不論是原狀壤土或重塑壤土試樣，每個目標含水率、相應摻量的地聚物以及壓實度試樣至少制備5～6個試樣。

圖4 壤土重塑、制樣過程

根據粉質壤土蠕變力學試驗目的，設置有含水率、壓實度以及地聚物摻量3個不同類型的試驗組。按照岸坡內含水率分布，含水率試驗組設定有12%、16%、20%各5 組試樣；壓實度按照壓樣器制作條件與工程實際，設定有0.75、0.8、0.85、0.9、0.95；另為研究粉質壤土物化改良下效果，在確保地聚物改性劑摻量不超過3%的前提下，設定摻量為0（原狀壤土）、0.5%、0.75%、1%、1.25%、1.5%。各組試驗設計參數，詳見表1。

表1 試驗參數

在考慮粉質壤土抗壓強度的前提下，蠕變荷載梯級分別為100、200、300、500、800、1 200 kPa[1，11]?；诜圪|壤土蠕變力學試驗，探討土體工程蠕變力學特征。

2 粉質壤土蠕變力學特征

2.1 含水率影響

基于不同含水率下粉質壤土分級加載蠕變試驗，獲得蠕變曲線，如圖5所示。

圖5 不同含水率下試樣蠕變特征

分析各含水率下粉質壤土蠕變特征可知，不論含水率水平高低，在各級荷載施加下的蠕變過程均呈“倒L”特征，即在荷載施加初期具有變形遞增期，后變形速率減小，變形趨穩定。當試樣含水率一致時，施加荷載愈大則試樣蠕變應變愈大，如含水率12%試樣在荷載100 kPa 下蠕變應變穩定在0.016，而荷載200、500 kPa 下蠕變應變分別穩定在0.029、0.087。不僅如此，在試樣含水率一致下，蠕變荷載愈大，各級荷載蠕變初期變形遞增段時間愈長，在含水率16%試樣中荷載100 kPa 下達到蠕變初期遞增時間為7 h，而荷載200、800 kPa 下遞增時間分別為12、32 h。分析表明，施加荷載愈高，試樣顆粒骨架受荷載壓縮作用發生滑移的傾向性愈大，顆粒間產生的松動更明顯，因而蠕變應變愈高；同時，荷載愈大，會導致試樣內部顆粒骨架重新達到應力平衡所需時間也更長。比較不同含水率下蠕變特征可知，試樣含水率愈高則蠕變應變愈大，在荷載300 kPa 下，含水率12%、16%、20%下3 個試樣的蠕變穩定段應變分別為0.052、0.059、0.065，即粉質壤土顆粒含水愈多則試樣內部顆粒骨架孔隙愈多，在分級蠕變荷載下試樣顆粒骨架滑動位移愈大，宏觀上表現蠕變應變值愈高[12，13]。

2.2 壓實度影響

基于不同壓實度組蠕變試驗，獲得了粉質壤土壓實度影響下的蠕變特征，如圖6所示。依據圖6蠕變應變可知，壓實度愈大總體上蠕變應變愈小，在蠕變荷載100 kPa 時壓實度0.75 試樣蠕變穩定段應變為0.02，而壓實度0.85、0.95 時穩定蠕變應變分別為0.015、0.013，當壓實度每增大0.05，則試樣蠕變應變平均可下降10.1%。當蠕變荷載分別增大至200、500 kPa后，試樣蠕變應變隨壓實度變化引起的平均降幅分別為8.5%、6.2%。由此可知，試樣壓實度增大，不僅可以降低蠕變變形量，同時愈大的蠕變荷載對其蠕變應變影響也會減弱。對比蠕變初期變形速率減小階段可知，壓實度0.75 試樣在蠕變荷載100 kPa 下蠕變速率為0.002 h-1，而變形遞增時間為13 h；壓實度0.85、0.95 下相應的蠕變速率分別為0.001 4、0.001 h-1，而蠕變初期遞增時間分別為8、3 h，即壓實度愈大蠕變初期遞增段有所縮短，且蠕變速率降低。分析認為，當粉質壤土壓實度提高時，則試樣內部顆粒骨架密實性得到加強，整體承載能力以及抗荷載損傷能力均得到提高[3，14]，在分級蠕變荷載下，試樣的蠕變應變、蠕變速率以及遞增時間均會減小。

3 改性粉質壤土蠕變力學特征

通過摻加地聚物改性劑改良粉質壤土力學特征，獲得改性粉質壤土蠕變特征，如圖7所示。從圖7 蠕變曲線可知，總體上蠕變曲線與前文分析一致，均呈“倒L”形，即改性劑摻量不影響粉質壤土的蠕變曲線變化特征。但從蠕變應變特征對比來看，改性劑摻量愈多，總體上粉質壤土的蠕變應變愈小，當荷載為第一級100 kPa，改性劑摻量0.5%的試樣蠕變應變為0.02，而遞增段蠕變速率、初期蠕變遞增時間分別為0.002 2 h-1、13 h，當改性劑摻量增大至1%、1.5%后，蠕變應變分別減小至0.015 5、0.014，蠕變速率也分別降低至0.001 6、0.001 2 h-1，而初期遞增時間分別為7、4 h。分析表明，改性劑成分的存在有助于試樣內部顆粒骨架的整體穩定性，有助于提高粉質壤土抗恒定荷載蠕變損傷作用。但從總體來看，實質上改性劑摻量對蠕變曲線的影響逐漸減弱，摻量0.5%降至1%時試樣蠕變應變平均降低了12.2%，蠕變時間分別為13、9、7 h，而摻量1.25%～1.5%時試樣蠕變應變平均降幅為4.3%，較之前一摻量階段影響效應顯著減弱。目前認為，改性劑成分的存在應在合理區間，粉質壤土試樣內部能夠與改性劑結合的成分終究是有限的，控制改性劑摻量有助于提高粉質壤土的整體承載穩定性[15，16]，同時有利于節約工程成本。

圖7 不同改性劑摻量下試樣蠕變特征

4 結論

（1）蠕變分級荷載下蠕變曲線均為“倒L”形，該特征不受改性劑及含水率等自身因素影響；分級荷載愈大蠕變應變愈大，且蠕變初期遞增時間愈長。

（2）含水率愈高，蠕變應變愈大與蠕變初期遞增段更長，含水愈多試樣內部顆粒骨架松散性以及抗蠕變損傷能力均減弱。

（3）壓實度與蠕變特征值呈負相關，且分級荷載愈大，壓實度對蠕變特征值影響效應減弱，蠕變荷載100 kPa 下壓實度0.75、0.95 試樣蠕變速率分別為0.002、0.001 h-1，蠕變遞增時間分別為13、3 h。

（4）改性劑摻量愈多，試樣蠕變應變、蠕變速率以及蠕變初期遞增段均減小，且改性劑摻量為0.5%～1%時蠕變特征值受摻量因素影響更顯著，而摻量1.25%～1.5%下影響效應減弱，控制改性劑摻量在合理區間內有助于工程建設。