关键词:
风积沙
粉土
物理特性
力学特性
渗流分析
坝坡稳定分析
摘要:
我国西北地区分布着丰富的风积沙资源,但因其工程性质不良,一般无法在工程建设中直接使用,从而极大增加了工程建设的成本。基于此,国内外众多学者对风积沙开展了改良研究,但大多数采用添加化学固化剂的方式,这种方法虽然能够改良风积沙的工程特性,但存在着操作复杂和成本高的缺点。为了解决上述问题,从实际工程出发,因地制宜地采用粉土对风积沙进行改良,系统研究粉土改性风积沙的物理特性和力学特性,从而比选最优粉土掺比,并结合蓄水池工程实例进行渗流稳定分析,探讨其应用的可行性。主要研究结果如下:(1)颗粒分析试验结果表明,风积沙为级配不良土,掺入粉土能优化其粒径组成结构,达到级配改良的目的,粉土掺比在13%~29%之间时,风积沙为级配良好土。粉土的级配改良作用使风积沙的各项物理特性有所优化,其它物理特性试验结果显示:粉土的掺入能提高风积沙的比重值、最大和最小干密度,减小最大、最小孔隙比,降低风积沙的渗透系数,提高风积沙的持水能力。(2)进行重型击实试验,研究粉土改性风积沙击实特性,结果表明,掺入粉土不会改变风积沙“双峰”的击实特性,但是能够增大风积沙的最大干密度,减小最优含水率,解决风积沙“过击”的问题,使风积沙满足“易击实”条件。并基于假定的风积沙土体结构模型,从孔隙填充方面对粉土改性风积沙的击实机理进行解释。(3)进行直剪试验,研究粉土改性风积沙的剪切特性,试验结果表明,掺入粉土能显著提高风积沙抗剪强度,内摩擦角增大是其提高的主要原因,黏聚力的贡献较少;风积沙的剪应力-剪位移曲线的类型会因粉土掺入发生改变。室外、室内直剪试验获取的抗剪强度指标比值在0.8左右,产生差异的主要原因包括样品初始条件、制备条件、约束状态的不同和剪切速率、尺寸效应的影响。并基于假定的风积沙土体结构模型,从微观角度对粉土改良风积沙剪切特性内在机理进行了分析。(4)综合所有物理特性试验和力学特性试验进行分析,最终确定13%为较优粉土掺比,由此获得其在软件计算中的基本参数,并在数学模型拟合的基础上获得其计算分析所需的的两个非饱和土计算函数。(5)使用所获取的计算参数与函数,根据实际工程项目建模,在稳定渗流期对蓄水池堤坝进行渗流稳定分析,结果显示此工况下蓄水池安全运行。同时根据实际需求在水库水位骤降情况下对蓄水池堤坝进行渗流稳定分析,发现坝体内浸润线的下降会“滞后”于水库水位的下降速度,对上游坝坡稳定产生不利影响,但对下游坝坡稳定性有一定的增强作用,计算结果显示上下游坝坡的最小安全系数均满足规范要求,蓄水池安全运行。(6)在工程原方案1:3的上下游坡比设定下,稳定期与非稳定期的坝坡安全系数均大于规范要求且安全储备较大,考虑工程经济性,将上下游坡比设置为1:2.5和1:2.0,进行稳定期和非稳定期的坝坡稳定分析。结果显示,上下游坝坡为1:2.0时在稳定渗流期下游坝坡安全系数为1.15,小于规范1.25的要求;上下游坝坡为1:2.5时在稳定期、非稳定期渗流时坝坡安全系数均大于规范要求,且仍有一定的安全储备,所以认为上下游坡比为1:2.5为较优方案。