抛填饱和软粘土围堰模型试验相似材料研究

章立辰，黄北圪，黄 勇，祝俊华，罗 伟，朱碧堂

（1.江西省港航建设投资集团石虎塘航电枢纽分公司，江西 南昌 330008；2.华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌 330013；3.华东交通大学江西省地下空间技术开发工程研究中心，江西 南昌 330013；4.江西省路港工程有限公司，江西 南昌 330299）

模型试验是根据相似理论将现场工程原型进行缩尺研究的试验方法，相比现场足尺试验，具有成本低、周期短且能真实模拟现场施工过程等优点。 相较于数值模拟分析，模型试验能够再现现场破坏过程，真实地模拟复杂工程结构，更加直观地看到模型在各个阶段的试验现象，在岩土工程等领域应用广泛[1-6]。

相似材料是模型试验成功的前提和保证[7-15]。国内外专家学者对岩土体相似材料做了大量的研究。张延杰等[16]通过湿陷试验，采用砂、工业盐等研制了一种与天然黄土相似且容重调节较广的相似材料。李昀等[17]以越江隧道为背景，配制了一种高容重低弹模特点的土质相似材料。 李国梁等[18]基于深基坑大型物理模型试验，研制出一种能有效模拟深基坑支护中桩锚土钉联合支护变形机制的相似材料。Li[19]等通过分析MSB 材料和NIOS 材料的优点， 开发了一种新型的岩土力学类材料， 并将其应用于后续的隧道岩土力学模型试验中。缪圆冰等[20]提出黏土、重晶石粉等为原材料配置土质相似材料，并将其应用到了边坡稳定的振动台模型试验。 窦远明等[21]研制了一种软弱土相似材料， 为后续地铁隧道结构的模型试验奠定了基础。

上述材料均采用重晶石粉、滑石粉、膨润土、粉质粘土等传统的相似材料添加剂。 初期试配试验表明，这些相似材料无法得到本次模型试验所需要的重度相对较大、强度超低的土质相似材料。 本研究借鉴盾构隧道中渣土改良试验，引入泡沫能够有效降低相似材料的粘聚力和内摩擦角，且价格低廉，没有毒副作用。

1 相似材料指标的确定

1.1 工程背景

江西信江双港航电枢纽工程施工建设过程中，为了工期和就地取材，围堰填料采用的是左岸导流明渠浚挖的饱和粉质粘土夹淤泥质土，且通过抛填方式填筑形成上下游围堰。 粉质粘土夹淤泥质土处于饱和状态，具有强度低、渗透性低的特点，同时受水下浚挖和水上抛填双重扰动， 强度进一步降低。考虑到采用粉质粘土进行抛填形成的围堰成功案例极少，在围堰使用阶段，除了原位围堰实时监控确保围堰和堰内航电枢纽工程的安全施工外，项目指挥部建议通过室内模型试验研究围堰的抛填施工特性及其在水位升降影响下的安全性能。 由于浚挖和抛填的粉质粘土夹淤泥质土强度低，现场形成的围堰规模尺寸大， 考虑到室内模型槽尺寸有限，本次模型试验相似比大，相应的相似材料抗剪强度指标和渗透性均很低。

江西信江双港航电枢纽工程上下游围堰设计如图1 所示。 围堰迎水面坡比1∶5，背水面坡比1∶4，断面材料从上到下依次为：①填筑料（包括外购回填土和明渠回填土，土方比为：1∶10）；②圆砾；③基岩（强风化砂岩）。材料厚度分别取21，4.5 m 和3 m。原型材料基本物理力学参数列入表2。

图1 信江双港某围堰断面设计图(单位：mm)Fig.1 Cross-sectional view of a cofferdam in Xinjiang Shuanggang Project (Unit: mm)

1.2 相似理论与相似关系

根据模型试验相似理论，要求模型的几何尺寸、边界条件、 荷载及相似材料的特性及水理特征均遵循一定的相似规律[22-23]。综合考虑该围堰工程原型、试验场地条件， 拟定模型试验中两个主控因素的相似比为:几何相似比1/30 和密度相似比1/1。其余物理量的相似关系可由量纲分析法得到，如表1 所示。

1.3 相似材料指标

根据表1 所列相似比，模型试验所需岩土体相似材料物理力学参数也列入表2。由表可见，相似材料的力学参数粘聚力、内摩擦角和不排水剪强度很低。 经过试配试验，采用传统的相似材料，无法获得需要的重度和超低的强度参数。

表1 各物理量相似关系Tab.1 Similarity relations of physical quantities

表2 原型和模型材料参数Tab.2 Material parameters of prototype and model

2 土质相似材料的研制

2.1 原材料的选择

相似材料研制的成功与否决定了后续模型试验数据的价值大小[24-25]。 为了得到一种低强度低渗透性的相似材料。 选取重晶石粉、粉细砂、滑石粉、膨润土、泡沫和水作为相似材料原料，其中重晶石粉、粉细砂为骨料，滑石粉为胶结剂，膨润土和泡沫为添加剂，所选原材料参数如表3 所示。

表3 相似材料原料参数Tab.3 Raw material parameters of similar materials

2.2 试件制备过程

首先，把重晶石粉、滑石粉、粉细砂、膨润土、水按照规定的配比称量并倒入搅拌机内充分搅拌均匀； 其次将配制出的浓度为3%的泡沫液用泡沫机发泡，量取规定量的泡沫倒入搅拌机内与混合土充分搅拌，直至将泡沫完全打入土体；再次取出配制好的土体， 装入搪瓷盘内用保鲜膜包好并贴上标签，放在常温下静置一昼夜；最后将土样分层装入装土器和土壤渗透仪，进行不排水抗剪强度试验和渗透实验。

2.3 基本力学参数测试

根据具体项目需要，本次相似材料基本力学参数测试包括材料的密度， 不排水抗剪强度和渗透系数。试验过程严格按照 《铁路工程土工试验规程》（TB 10102—2010）和《水电水利工程土工试验规程》（DL/T 5355—2006）的要求进行试验操作，测定方法如下：

1） 密度测试：密度测试按《铁路工程土工试验规程》（TB 10102—2010）中的环刀法测试。

2） 不排水抗剪强度测试：由于本次相似材料的强度目标值很小，有些配比的材料强度小到无法用直接剪切试验测出抗剪强度参数。 本次试验采用十字板剪切仪测试配比材料的不排水抗剪强度（图2），十字板剪切仪配备多组十字板头，不同规格的十字板头适用范围见表4。因为本次研究的相似材料强度较低，所以板头采用D×H=25.4 mm×50.8 mm，其中D为板头直径，H 为板头高度。 为消除边界效应，装土器直径需≥6D。

图2 不排水抗剪强度测试图Fig.2 Undrained shear strength test

表4 不同规格板头对应扭矩M-抗剪强度Cu 换算表Table 4 Corresponding torque M-shear strength Cu conversion table of different specifications plate head

3） 渗透系数测试：由于本次试验所制备的材料渗透性较小，水的流量较小，水位控制困难，故采用变水头渗透仪进行测试，又因试验组数多，为了提高效率，所以采用五联变水头管，如图3 所示。 试验时（以第1 根变水头管为例），首先将供水装置注满水，打开阀门1、阀门2 和阀门3，进行排气处理，然后关闭阀门3， 使变水头管的水头到达一定高度后关闭阀门1 和阀门2，打开阀门3，待土壤渗透仪出水口出水稳定时，开始计时。

图3 渗透试验图Fig.3 Setup for permeability test

2.4 正交试验设计

本次试验主要考量指标为相似材料的密度、不排水抗剪强度和渗透系数。 基于正交实验，设计以下5 种因素:因素A（（滑石粉+粉细砂）质量/（重晶石粉+滑石粉+粉细砂）质量）；因素B（（粉细砂质量/（滑石粉+粉细砂）质量）；因素C（膨润土质量/材料总质量）；因素D 含水量（水的质量/材料总质量）；因素E 泡沫掺量（泡沫体积/材料总体积）。 正交试验中各因素的水平设计如表5。 不同配比的试验结果见表6。

表5 相似材料正交设计水平Tab.5 Orthogonal design level of similar materials

表6 正交试验方案及结果Tab.6 Orthogonal test scheme and result

3 正交试验结果分析

极差分析法又称R 法， 第j 列因素的极差为Rj，Rj=max（kj1，kj2，…，kjm）-min（kj1，kj2，…，kjm），表示第j 列因素各水平参数指标平均值的最大值与最小值的差。 Rj越大，表明该因素对参数指标的影响越大，说明该因素起主导作用。 根据Rj的大小就可确定因素的主次。下面采用R 法对各因素进行敏感性分析。

3.1 密度影响因素的敏感性分析

根据表6， 求出密度的各影响因素水平的均值和极差，结果见表7。 由表7 可知，含水量的极差最大，其次是泡沫摻量，说明含水量对密度参数起主导作用。 各因素对密度的敏感性由大到小为：D>E>A>C>B，由此可知，含水量和泡沫掺量是密度参数的主要控制因素。

表7 密度极差分析Tab.7 Analysis of density range

为进一步研究密度在各因素不同水平下的规律，制作图4。 由图4 可知，相似材料密度随含水量和泡沫掺量的增大而减小，其余3 个因素的极差比较小，说明A，B，C 3 种因素对密度影响不大。

图4 密度敏感性因素分析Fig.4 Sensitivity analysis on density

对照表2， 大部分组配比都满足信江枢纽围堰的模型试验材料所要求的明渠回填土与外购回填土的密度。

3.2 不排水抗剪强度影响因素的敏感性分析

根据表6， 求出不排水抗剪强度的各影响因素水平的均值和极差，结果见表8。 由表8 可知，含水量的极差最大，其次是膨润土掺量，各因素对不排水抗剪强度敏感性由大到小为：D>C>E>A>B, 说明含水量对相似材料不排水抗剪强度起控制作用。

表8 不排水抗剪强度极差分析Tab.8 Range analysis of undrained shear strength

为进一步研究不排水抗剪强度在各因素不同水平下的规律，制作图5。由图5 可知不排水抗剪强度随因素C 的增大而增大， 随因素D 和因素E 的增大总体趋势减小，因素A，B 影响不大。

图5 不排水抗剪强度敏感性因素分析Fig.5 Sensitivity analysis on undrained shear strength

对照表2， 第10 组和第19 组配比可得到信江枢纽围堰的模型试验材料所要求的明渠回填土不排水抗剪强度，第6、11、14、15 组和18 组均满足外购回填土不排水抗剪强度。

3.3 渗透系数影响因素的敏感性分析

根据表6， 求出渗透系数的各影响因素水平的均值和极差，结果见表9。 由表9 可知，因素（（滑石粉+粉细砂质量）/（重晶石粉+滑石粉+粉细砂质量和））的极差最大，其次是膨润土掺量。 各因素对黏聚力敏感性由大到小为：A>C>D=B>E。 由极差分析说明因素A 对渗透系数起控制作用，但因素A 中的渗透系数皆为10-5级以上， 其影响范围并不大，膨润土掺量对渗透系数的影响范围为1.25×10-7～4.11×10-3cm/s，说明膨润土才是渗透系数的主要控制因素， 且渗透系数随膨润土掺量的增大而减小。这也间接说明， 当对比数据不在同一个量级时，极差分析法并不适用。

表9 渗透系数极差分析Tab.9 Analysis of permeability coefficient range

对照表2， 大部分组配比均可满足信江枢纽围堰的模型试验材料所要求明渠回填土与外购回填土的渗透系数。

4 结论

以滑石粉、重晶石粉、粉细砂、膨润土、泡沫和水为原材料，配制抛填饱和粉质粘土夹淤泥质土围堰模型试验相似材料，并基于正交设计方法，通过密度试验、十字板剪切试验与渗透试验，对影响土质相似材料物理力学参数的各配比因素进行敏感性分析，得到如下主要结论：

1） 不同配比相似材料的不排水抗剪强度较低，其余参数调节范围较广， 其密度分布范围为1.57～2.05 g/cm3，不排水抗剪强度分布范围为0～10.4 kPa，渗透系数变化分布范围为6.5×10-8～1.29×10-2cm/s， 特别适合用来模拟模型试验中水环境下的软弱土质。

2） 在土质相似材料配比中，含水量对材料密度和不排水抗剪强度起主要控制作用，而泡沫掺量对密度和不排水抗剪强度影响仅次于含水量，密度随含水量和泡沫掺量的增大而减小，不排水抗剪强度随膨润土掺量的增大而增大，随含水量和泡沫掺量的增大总体趋势减小。 极差分析法不适用于分析本次试验中的渗透系数，膨润土掺量为渗透系数的主要控制因素且渗透系数随膨润土掺量的增大而减小。

3） 试验15# 和试验19# 的配比可满足模拟信江双港航运枢纽中某围堰原型中外购回填土和明渠回填土的相似要求。

4） 试验结果不仅满足本次模型试验的要求，对工程项目具有一定的指导意义，也可为类似工程提供借鉴参考。