灌区渠基土改良下力学试验及冻胀特征研究.pdf
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1、2023年7月收稿日期:20221221作者简介:张西法(1972),男,工程师,主要从事水利水电工程管理工作。DOI:10.3969/j.issn.1004-7328.2023.07.026灌区渠基土改良下力学试验及冻胀特征研究张西法(费县许家崖水库管理中心,山东临沂273400)摘要:为评估分布黄土改良治理效果,以黄土渠基为试验对象,设计了木质素改良下黄土力学试验,并基于此开展黄土干渠衬砌结构冻胀仿真计算。由试验结果得知,木质素成分含量高或低,均不会改变改良土试样应变破坏特点,但木质素含量提高,改良土应力水平会增大,但在掺量3%后提高效果会减弱。相比之下,含水率因素会改变改良土试样应力应变
2、曲线特征,在含水率14%18%与20%22%下分别为应变软化、应变硬化特点;含水率提高,峰值应力降低,而围压增大,可减弱含水率对改良土承载应力的负面作用。基于冻胀仿真计算,获得了原状渠基土与改良黄土衬砌结构冻胀位移在断面上均为对称分布,峰值冻胀位移处于断面1 m处,且改良黄土衬砌结构冻胀位移值低于原状渠基土,经改良后渠基土受含水率影响冻胀危害弱于后者。本研究可为输水灌渠土体物化治理设计及冻胀仿真计算提供参考。关键词:渠基土;改良;力学;冻胀;许家崖水库中图分类号:TV146+.3文献标识码:A文章编号:1004-7328(2023)07-0100-06Mechanical Testing an
3、d Freeze-thaw Characteristics of Canal Bed SoilModification in Irrigation DistrictsZHANG Xi-fa(Xujiaya Reservoir Management Center of Feixian County,Linyi 273400,China)Abstract:In order to evaluate the effectiveness of distributed loess improvement measures,taking loess canal foundationas the test o
4、bject,the mechanical test analysis of loess under lignin modification is designed,and based on this,the frostheaving simulation of loess trunk canal lining structure is carried out.The test results show that varying lignin content didnot change the strain failure characteristics of the modified soil
5、 sample.However,an increase in lignin content led to anincrease in stress level in the modified soil,although this effect diminished after a 3%dosage.On the other hand,moisturecontent influenced the stress-strain behavior of the modified soil specimens,exhibiting strain softening characteristics atm
6、oisture contents of 14%to 18%and strain hardening characteristics at moisture contents of 20%to 22%.Increasingmoisture content reduced peak stress while increasing confining pressure,thereby mitigating the negative impact ofmoisture content on the bearing stress of the modified soil.Freeze-thaw simu
7、lations revealed that both the original canalbed soil and the modified loess lining exhibited symmetric distribution of freeze-thaw displacements along the cross-section.The peak freeze-thaw displacement occurred at a distance of 1 meter from the cross-section,with the modifiedloess lining experienc
8、ing lower displacements compared to the original canal bed soil.Furthermore,the modified canal bedsoil demonstrated a lower vulnerability to freeze-thaw damage influenced by moisture content compared to the original soil.This research provides valuable insights for the design of physical and chemica
9、l treatments for irrigation canal soils and forfreeze-thaw simulation calculations.Key words:canal foundation soil;modification;dynamics;freeze-thaw;Xujiaya Reservoir不论是溢洪道、大坝等大型水工建筑,还是输水干渠、闸室等小型水工设施,考虑岩土体材料稳定性1,2,有助于提高水工设计水平,对后续水工建筑运营标准、运营能效提升均有帮助。李丽华等3、沈筠等4为研究岩土体材料力学特征,借助颗粒流PFC海河水利1002023.No.7等离散元
10、仿真方法,从模型微观特征、物理力学参数影响入手,开展了离散元模型的三轴模拟加载分析,评价了土体宏、细观应力、应变影响变化特征。邵应峰等5、胡再强等6基于室内试验方法和结果,分析了土体试样在冻融、干湿等不同物理作用或其他自身因素影响下7应力、应变变化过程,丰富了土体宏观力学基础试验研究成果。针对不良土体,钱健等8、韦富杰9通过物化改性、植物体改良等方法,对改良后土体力学、渗透等特性开展了对比分析,探讨了不同改性治理方法下土体承载能力与抗渗能力的变化。基于许家崖水库黄土体在木质素改性下力学特性,分析了木质素掺量、含水率等因素对土体宏观力学影响,并在相应衬砌结构中开展了冻胀仿真计算成果对比,为工程改
11、良黄土体设计提供了依据。1试验方法1.1工程概况许家崖水库是临沂地区重要的地表蓄水枢纽,借助温凉河充沛水资源拦坝蓄水建成,承担着地区农业灌溉、水力发电、防洪排涝、生态补水等重要任务,流域内水系分布如图1所示。从图1可以看出,许家崖水库处于温凉河中下游,控制着温凉河、石井河汇入区河段流量,有助于梯级调节河道流量。工程资料表明,水库设计总库容为2.93亿m3,控制河道集水面积超过580 km2,上、下游河道长度超过54 km,经一、二期规划建设,水库枢纽包括溢洪道、输水干渠、主、副坝以及发电厂房等水利设施。通过许家崖水库智慧水利监测系统,可以宏观呈现各类水工设施运营现状,实时控制各类水工设施运营效
12、能,确保水库枢纽工程运营可靠性。许家崖水库作为与农业生产密切相关的枢纽设施,不仅设有引水隧洞等水力发电建筑,同时设有引水干渠等输水通道,与高桥、白彦等农业灌区干、支渠构建起立体式灌溉系统,面向农业生产年输供水量超过2 800万m3,惠及干、支渠长度超过150 km。从许家崖水库工程、下游输水干渠工程调查得知,在水库溢洪道消能池末端、泄洪闸基、灌区渠基等处,出现有分布较广的弱风化黄土体,其塌陷性以及固结性均不利于工程运营。水库管理部门考虑针对重点区域黄土体开展治理设计,为区域内黄土整治提供参照。1.2试验方法为研究许家崖水库分布黄土治理设计,从引水干渠分布的渠基土取样,针对其开展治理设计,并分析
13、其治理后渠道防冻胀效果。TSZ-3B三轴力学试验设备如图 2 所示,该试验设备轴向荷载精度为0.5%,最大轴荷为 200 kN,剪切速率量程为 0.0014.8 mm/min,加载台面最大向上引伸高度为90 mm,台面内试样尺寸最大可为100 mm。该试验设备配置有LVDT位移监测传感器和机器自身红外线测量装置,前者量程为-1515 mm,精度可达 0.01%,测量波动频率为0.01 Hz;后者测量装置量程较大,可为-2525 mm,试验中常作为机器限位保护装置。不论是轴荷加载还是围压加载,加载系统均配置有活塞作动器,确保加载过程每一步序均处于可控状态。试验前,对所有试验设备进行了误差标定,以
14、减少机器误差干扰。鉴于黄土分布涉及溢洪道、输水干渠以及部分发电厂房,且现场原位测定表明许家崖水库黄土物理力学参数均较为接近,含水率差异性较大为13.5%22%,渗透系数为3.610-57.810-5cm/s,土层厚度为 1.84.6 m,本试验从输水干渠现场钻孔取样,获得黄土体原状土样,取样面位于高桥灌区桩号6+230处,土样所在渠面如图3所示。黄土体的治理分为物化改性与人工夯实等方法,从室内试验对比考虑,采用物化改性治理方案,通过原状土样与木质素的混合10,制作成木质素改良黄土体,探讨改良土样在输水干渠中的承载力以及抗冻胀效果。木质素与木质素改良黄土体试样分别如图4(a)(b)所示,图1许家
15、崖水库流域内水系分布图2TSZ-3B三轴力学试验设备白彦温凉河许家崖水库王家邵庄棠梨树河高桥石井许家崖张西法:灌区渠基土改良下力学试验及冻胀特征研究1012023年7月所有试样均与木质素混合重塑,经分层压实与含水率控制后,制作出满足试验要求样品。改良黄土试样击实特征曲线如图4(c)所示,最大干密度为1.62 g/cm3,较原状黄土体试样干密度整体水平有所提高。所有制备后试样在饱和桶内完成8 h饱和后才可开始力学试验。图3土样所在渠面示意图4试样制备与击实特征(a)木质素(b)制备后试样(c)击实特征曲线作为黄土体改良治理重要一环,木质素掺量控制较为关键。在击实试验中,共有多个木质素掺量样品,分
16、布为1%5%,而改良后土样含水率同样设定有14%、16%、18%、20%、22%5组不同梯次方案,并设定有一组原状黄土试样(掺量0、含水率18%)。试验中,围压设定为 120、240、360 kPa,各组试验参数详见表1。基于木质素改良方法下黄土体力学试验结果,对输水干渠衬砌结构冻胀特征开展对比分析。2木质素改良下黄土体力学特征变化2.1木质素掺量影响基于两围压下典型试样力学试验结果,获得了木质素掺量影响下的试样应力应变特征,如图5所示。从图5可以看出,围压120、360 kPa下,在各木质素掺量下,试样应力应变特征呈现一致性变化特征,前者围压下试样具有应变软化特征,在峰值应变3.6%后出现应
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