堆石料制樣方法對(duì)其強(qiáng)度和變形特性影響

傅 華，凌 華，張亞麗，韓華強(qiáng)

（1.南京水利科學(xué)研究院 巖土工程研究所，江蘇，南京，210029；2.中國水電顧問集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院，北京，100024）

0 前言

堆石料是高土石壩的主要筑壩材料，其強(qiáng)度和變形特性事關(guān)土石壩安全，因此國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)堆石料的強(qiáng)度和變形特性開展了大量的研究工作，取得了重要進(jìn)展［1－5］.但堆石料室內(nèi)試驗(yàn)制樣方法對(duì)其強(qiáng)度和變形特性影響的研究很少有人涉及.堆石料的制樣方法主要影響其干密度，研究表明［6－11］，堆石料的干密度對(duì)其剪脹效應(yīng)、顆粒的破碎和重排均具有明顯影響，從而影響其強(qiáng)度和變形指標(biāo).隨著水利水電開發(fā)進(jìn)程的推進(jìn)，我國還將興建一批高土石壩.為提高堆石料的密實(shí)度，減小土石壩的后期變形，重型碾壓設(shè)備已在土石壩碾壓施工中普遍使用，對(duì)土石壩筑壩材料現(xiàn)場碾壓的密實(shí)度要求也越來越高.因此，研究堆石料室內(nèi)試驗(yàn)制樣方法對(duì)其強(qiáng)度變形指標(biāo)的影響，提出能合理模擬土石壩碾壓施工過程的堆石料制樣方法顯得很有必要.

筆者分別針對(duì)棱角明顯的堆石料和渾圓度較好的砂礫料，進(jìn)行了表面振動(dòng)器壓實(shí)法和振動(dòng)臺(tái)法制樣比較試驗(yàn)，研究了上述兩種制樣方法對(duì)其干密度以及相應(yīng)強(qiáng)度和變形指標(biāo)的影響，在此基礎(chǔ)上對(duì)堆石料的制樣方法提出了建議.

1 堆石料制樣方法比較試驗(yàn)

最大干密度試驗(yàn)分別采用振動(dòng)臺(tái)法和表面振動(dòng)器壓實(shí)法進(jìn)行，試樣筒尺寸為Φ300×360 mm.試驗(yàn)用料分別選用棱角明顯的爆破料和顆粒渾圓度較好的砂礫石料，其級(jí)配曲線如圖1所示.振動(dòng)臺(tái)法制樣時(shí)，在試樣表面施加荷重為14 k Pa的靜載，在振幅為0.64 mm的振動(dòng)臺(tái)上連續(xù)振動(dòng)8 min；表面振動(dòng)器壓實(shí)法制樣時(shí)，試樣分3次鋪裝，采用試樣表面靜載為14 k Pa，振動(dòng)頻率為40 Hz的表面振動(dòng)器對(duì)試樣進(jìn)行壓實(shí)，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間為8 min.

圖1 試驗(yàn)級(jí)配Fig.1 Gradation curves

試驗(yàn)得出的上述兩種式樣的干密度見表1.從表中可以看出，對(duì)于同一級(jí)配的試樣，表面振動(dòng)器壓實(shí)法得出的最大干密度值明顯要高于振動(dòng)臺(tái)法得出的最大干密度值.爆破料提高了0.06 g／c m3，砂礫石料提高了0.10 g／c m3.導(dǎo)致試樣干密度產(chǎn)生上述差異的原因與制樣方法有關(guān).振動(dòng)臺(tái)法制樣時(shí)采用固定靜載，通過試樣下部的激振源使試樣在一定振幅下振動(dòng)密實(shí)；而表面振動(dòng)器法制樣時(shí)，將激振源和靜載聯(lián)合在一起，在試樣表面進(jìn)行振動(dòng)密實(shí)，一方面表面振動(dòng)器“活荷載”比振動(dòng)臺(tái)法的“死荷載”能夠產(chǎn)生更大的沖擊力，更易使試樣產(chǎn)生顆粒破碎，有利于試樣粗、細(xì)顆粒之間的滑移和充填，另一方面，現(xiàn)場壩體的填筑也是

通過一定功率的碾壓設(shè)備分層表面振動(dòng)碾壓，表面振動(dòng)器制樣方法更接近于土石壩施工碾壓實(shí)際過程.對(duì)于同樣級(jí)配曲線，在同樣的振動(dòng)功率下，砂礫料的密度要明顯高于堆石料，主要原因就是砂礫料的渾圓度要明顯優(yōu)于堆石料，在同樣的振動(dòng)功率下，粗、細(xì)顆粒之間更易于滑移和充填，形成較高的密實(shí)度.

表1 兩種試驗(yàn)方法的最大干密度比較Tab.1 The maximum dry density under different sample prepar ation method g·c m－3

2 堆石料強(qiáng)度與變形特性試驗(yàn)

針對(duì)上述兩種制樣方法得出的爆破料試樣，利用大型三軸剪切儀對(duì)其強(qiáng)度和變形特性開展了試驗(yàn)研究，大型三軸剪切儀試樣尺寸為Φ300×700 mm，試樣均處于自然風(fēng)干狀態(tài)，分60～40 mm、40～20 mm、20～10 mm、10～5 mm、5 mm～0五種粒徑范圍進(jìn)行試樣的備制，制樣過程中主要控制好兩點(diǎn)：①進(jìn)行分層鋪裝，盡量減少試樣粗、細(xì)顆粒的離析；②分層振動(dòng)，保證整個(gè)試樣的密度均勻性，然后按要求分別進(jìn)行不同圍壓和不同垂直應(yīng)力條件下的試驗(yàn).

2.1 制樣方法對(duì)強(qiáng)度特性的影響

通過大型三軸試驗(yàn)所得不同圍壓下的破壞峰值和強(qiáng)度指標(biāo)見表2.

表2 破壞峰值和強(qiáng)度指標(biāo)Tab.2 Failure stress and strength indexes

表2顯示，在每一級(jí)圍壓下，表面振動(dòng)器法對(duì)應(yīng)試樣的破壞峰值均高于振動(dòng)臺(tái)法.圍壓400 k Pa時(shí)，振動(dòng)臺(tái)法的破壞峰值為2 085.2 k Pa，表面振動(dòng)器法對(duì)應(yīng)試樣的破壞峰值為2 214.7 k Pa，較振動(dòng)臺(tái)法提高了129.5 k Pa；圍壓3 000 k Pa時(shí)，振動(dòng)臺(tái)法的破壞峰值為10 365.4 k Pa，表面振動(dòng)器法的為10 674.7 k Pa，較振動(dòng)臺(tái)法提高了309.3 k Pa.兩種試樣破壞峰值的差值隨圍壓的增大而增大，這是因?yàn)樵诘蛧鷫籂顟B(tài)下密度的優(yōu)勢不明顯，隨著圍壓的增加，密度高的由于顆粒間咬合的越緊密，顆粒間接觸點(diǎn)數(shù)增加，有緩解顆粒破碎的作用，相應(yīng)于破壞峰值差異性就比較明顯，用強(qiáng)度指標(biāo)表示，Φ 值由37.9°提高至38.3°，提高了1.06%，c值由235.7 k Pa提高至257.4 k Pa，提高了9.21%.

2.2 制樣方法對(duì)變形特性的影響

通過大型三軸試驗(yàn)所得兩種制樣方法所對(duì)應(yīng)試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線和體積曲線見圖2和圖3，整理出鄧肯模型參數(shù)見表3.

表3 鄧肯（E－B）模型試驗(yàn)參數(shù)Tab.3 Test parameters of Duncan’s E－B model

圖2 應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.2 Stress－strain curves

（1）應(yīng)力～應(yīng)變曲線.圖2表明，兩種應(yīng)力應(yīng)變曲線均屬于應(yīng)變軟化性，表面振動(dòng)器法對(duì)應(yīng)密度2.24 g／c m3試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線要明顯陡于振動(dòng)臺(tái)法對(duì)應(yīng)密度2.18 g／c m3試樣.隨著圍壓的增加，曲線形狀差別增大.這種曲線形狀差別反映了試樣初試剪切模量Ei相差較大，不同圍壓下初始切線模量值Ei值見表4.密度值由2.18 g／c m3增加至2.24 g／c m3，相應(yīng)于初試切線模量Ei則產(chǎn)生大幅度的增加，增加率為11.4%～33.3%，表現(xiàn)為鄧肯模型參數(shù)則是k值由883.3增加至1 162.4，提高了31.6%.

圖3 體積變化曲線Fig.3 Volume Change curves

表4 不同圍壓下初始切線模量值Tab.4 Initial tangent modulus under different cell pressure

（2）體積變化曲線.由圖3，兩種試樣體積變化曲線在低圍壓下均發(fā)生了明顯的剪脹，隨著圍壓的增大，剪脹性逐漸減弱.圍壓400 k Pa時(shí)，表面振動(dòng)器法試樣最大體變?yōu)?.68%，振動(dòng)臺(tái)法的最大體變?yōu)?.17%；圍壓3 000 k Pa時(shí)，表面振動(dòng)器法的為2.52%，振動(dòng)臺(tái)法的體變?yōu)?.38%.表面振動(dòng)器法所對(duì)應(yīng)試樣的密度大，孔隙率小，在各級(jí)圍壓下的體積變化均小于振動(dòng)臺(tái)法對(duì)應(yīng)試樣的體積變化，并且這種差值隨著圍壓的增大而逐漸變大.試驗(yàn)結(jié)果表示為鄧肯模型參數(shù)kb值由456.6提高至624.9，提高了36.8%.

通過上述的試驗(yàn)比較，可以看出，表面振動(dòng)器壓實(shí)法得出的最大干密度值明顯要高于振動(dòng)臺(tái)法得出的最大干密度值，而制樣密度的差異必然對(duì)堆石料的力學(xué)特性產(chǎn)生影響.①對(duì)強(qiáng)度特性的影響，用Φ值表示，提高了1.06%，用C值表示，提高了9.21%，制樣密度的差異對(duì)強(qiáng)度特性的影響較小；②對(duì)變形特性的影響，用鄧肯模型參數(shù)K值表示，提高了31.6%，用鄧肯模型參數(shù)Kb值，表示提高了36.8%，制樣密度的差異對(duì)變形特性的影響則非常明顯.

隨著重型碾壓設(shè)備在土石壩碾壓施工中的普遍使用，我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范規(guī)定的粗粒料的最大干密度測試的振動(dòng)臺(tái)測試方法已遠(yuǎn)不能與高土石壩大功率的碾壓設(shè)備相匹配.自20世紀(jì)80年代開始，以南京水科院為代表的我國水電水利行業(yè)部分單位均已采用表面振動(dòng)器法來測定最大干密度，目前，表面振動(dòng)器法也已寫入到《水電水利工程土工試驗(yàn)規(guī)程》DL／T 5355—2006，修訂后《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL 237—1999也將編入表面振動(dòng)器法.考慮到堆石壩的填筑施工常用振動(dòng)碾為18～25 t，最大已達(dá)到32 t，而目前室內(nèi)表面振動(dòng)器底板壓應(yīng)力常選用為14 k Pa，因此即使選用表面振動(dòng)器壓實(shí)法，仍會(huì)出現(xiàn)室內(nèi)試驗(yàn)試樣最大干密度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的情況.考慮到密度是影響堆石料強(qiáng)度和變形特性的重要因素，因此，室內(nèi)試驗(yàn)制樣時(shí)，可通過增大振動(dòng)器底板靜壓力、延長振動(dòng)時(shí)間來提高振動(dòng)功率，盡量減小室內(nèi)的最大干密度與現(xiàn)場碾壓密度的差異，使室內(nèi)試驗(yàn)成果能更準(zhǔn)確反映現(xiàn)場堆石料的力學(xué)特性，特別是變形特性.

3 結(jié)論

（1）表面振動(dòng)器壓實(shí)法相對(duì)于振動(dòng)臺(tái)法由于更易使試樣產(chǎn)生顆粒破碎，有利于試樣粗、細(xì)顆粒之間的滑移和充填，用其得出的最大干密度值明顯要高于振動(dòng)臺(tái)法.表面振動(dòng)器制樣方法更接近于土石壩施工碾壓實(shí)際過程，將其作為堆石料室內(nèi)試驗(yàn)制樣方法是合適的.

（2）針對(duì)兩種制樣方法得出的試樣進(jìn)行的大型三軸剪切和壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，制樣方法對(duì)堆石料的強(qiáng)度和變形指標(biāo)具有明顯影響，表面振動(dòng)器法對(duì)應(yīng)試樣的強(qiáng)度和變形指標(biāo)均優(yōu)于振動(dòng)臺(tái)法，其中對(duì)變形特性指標(biāo)的影響更為顯著.

（3）隨著重型碾壓設(shè)備在土石壩碾壓施工中的普遍使用，堆石料室內(nèi)試驗(yàn)制樣時(shí)，應(yīng)通過增大振動(dòng)器底板靜壓力、延長振動(dòng)時(shí)間來提高振動(dòng)功率，盡量減小室內(nèi)的最大干密度與現(xiàn)場碾壓密度的差異，使室內(nèi)試驗(yàn)成果能更準(zhǔn)確反映現(xiàn)場堆石料的強(qiáng)度和變形特性.

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