密度對(duì)粗顆粒材料動(dòng)力特性影響試驗(yàn)研究

傅華，韓華強(qiáng)，凌 華

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210029；2.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210029；

3.水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210029）

密度對(duì)粗顆粒材料動(dòng)力特性影響試驗(yàn)研究

傅華1，2，3，韓華強(qiáng)1，2，3，凌 華1，2，3

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210029；2.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210029；

3.水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210029）

密度是影響粗顆粒材料動(dòng)力特性的重要因素。隨著密度值的提高，粗顆粒材料的最大動(dòng)彈性模量產(chǎn)生一定的增加，但增加率隨著圍壓的提高呈逐漸減弱的趨勢(shì)；隨著密度值的提高，粗顆粒材料在動(dòng)荷載作用下的初次動(dòng)軸向永久變形降低的較明顯，后期隨著振次的增加，動(dòng)永久軸向變形呈逐漸收斂趨勢(shì)，密度值的提高對(duì)動(dòng)軸向永久變形的影響要明顯大于對(duì)體積變形的影響。因此，對(duì)于高土石壩工程來(lái)說(shuō)，提高壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)有利于改善粗顆粒材料的力學(xué)特性，控制壩體的整體變形即提高其抗震性能。

密度；粗顆粒材料；動(dòng)力特性；影響因素；試驗(yàn)研究

1 研究背景

土石壩壩體填筑材料的密度是控制壩體變形的重要因素，隨著土石壩的日益發(fā)展，特別是近幾年300 m級(jí)高土石壩的興建，研究表明［1-7］，控制壩體變形主要工程措施仍然是提高堆石體碾壓密度。密度是土石壩設(shè)計(jì)以及施工過(guò)程中非常關(guān)鍵的控制指標(biāo)，研究表明［8-14］，密度對(duì)粗顆粒材料的剪脹效應(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)。不同的孔隙性狀使得粗顆粒材料具有不同的初始結(jié)構(gòu)性，因而表現(xiàn)出不同的力學(xué)性質(zhì)，粗顆粒材料在松散狀態(tài)下內(nèi)摩擦要明顯的低于密實(shí)狀態(tài)。由于密度是決定粗顆粒材料結(jié)構(gòu)性的重要因素，初始密度決定了粗顆粒材料的初始結(jié)構(gòu)性，并最終決定其在動(dòng)荷載的作用下的應(yīng)力應(yīng)變特性，因此，研究粗顆粒材料的動(dòng)力特性有必要對(duì)其密度進(jìn)行更深入的探討，分析密度對(duì)其動(dòng)力特性的影響。同時(shí)在土石壩壩體設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，根據(jù)壩體的受力及變形規(guī)律，通常會(huì)在壩體不同的填筑區(qū)設(shè)置不同的碾壓標(biāo)準(zhǔn)，從而形成不同的填筑密度，密度的改變必然會(huì)引起筑壩材料動(dòng)力特性的改變，因此研究密度變化對(duì)筑壩材料動(dòng)力特性的影響對(duì)于保證壩體各分區(qū)在地震作用下的變形協(xié)調(diào)同樣還具有十分重要的工程意義。

2 試驗(yàn)方案及過(guò)程

圖1 試驗(yàn)級(jí)配曲線

試驗(yàn)挑選灰?guī)r料和砂礫料分別進(jìn)行了不同密度的對(duì)比試驗(yàn)，其中灰?guī)r料密度分別選取2.02 g/cm3和2.05 g/cm3，砂礫料密度分別選取2.20 g/cm3和2.26 g/ cm3。圖1為二種材料的試驗(yàn)級(jí)配曲線。試驗(yàn)選用大型動(dòng)力三軸剪切儀，試樣尺寸為Φ300×700 mm，試驗(yàn)所用的試樣均處于自然風(fēng)干狀態(tài)，分60～40mm、40～20mm、20～10mm、10～5mm、5mm～0五種粒徑范圍進(jìn)行試樣的備制，裝樣過(guò)程中主要控制好兩點(diǎn)：①試樣分5層進(jìn)行鋪裝，盡量減少試樣粗、細(xì)顆粒的離析；②采用表面振動(dòng)器對(duì)試樣進(jìn)行分層振動(dòng)，保證整個(gè)試樣的密度均勻性，其中密度的差異性主要通過(guò)控制每層試樣的振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)控制。試樣制好后采用水頭飽和法自下而上對(duì)試樣進(jìn)行飽和，然后根據(jù)要求開(kāi)展不同類型的動(dòng)力特性對(duì)比試驗(yàn)研究。

3 密度對(duì)動(dòng)彈性模量的影響

為了研究密度對(duì)動(dòng)彈性模量的影響，分別繪制灰?guī)r料和砂礫石料在不同制樣密度下動(dòng)力彈性模量的倒數(shù)1/Ed與動(dòng)應(yīng)變的εd對(duì)比曲線，見(jiàn)圖2。

圖2 不同密度下1/Ed～εd對(duì)比曲線

由上圖可知，隨著密度值的提高，1/Ed～εd直線擬合段的截距明顯變小，對(duì)應(yīng)于每級(jí)圍壓下最大動(dòng)彈性模量值Edmax顯著變大，表示為數(shù)值如表1和表2所示。砂礫料密度值由2.20 g/cm3增加至2.26 g/cm3，對(duì)應(yīng)于各級(jí)圍壓下最大動(dòng)彈性模量均產(chǎn)生一定的增加，增加率為10.4％～18.8％；灰?guī)r料密度值由2.02 g/cm3增加至2.05 g/cm3，對(duì)應(yīng)于各級(jí)圍壓下最大動(dòng)彈性模量增加率為9.6％～17.2％。繪制兩種材料隨著密度值的提高，最大動(dòng)彈性模量增加率與圍壓的關(guān)系曲線，如圖3所示。圖形顯示，隨著密度值的提高，最大動(dòng)彈性模量增加率隨著圍壓的增加均呈逐漸減小趨勢(shì)。究其原因，在低圍壓狀態(tài)下，由于初始圍壓較小，對(duì)粗顆?；旌狭系某跏冀Y(jié)構(gòu)性影響較小，隨著圍壓的逐漸提高，固結(jié)應(yīng)力逐漸克服粗、細(xì)顆粒初始的骨架充填效應(yīng)，粗顆粒棱角在固結(jié)應(yīng)力的作用下產(chǎn)生一定的破碎、滑移和顆粒重組，在這個(gè)過(guò)程中，密度低的粗顆粒材料對(duì)應(yīng)的固結(jié)變形量要明顯大于密度高的材料，低密度試樣在高固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)下密實(shí)度得到明細(xì)提高，從而使得試樣初始制樣密度的影響逐漸減弱。因此，密度值的增加對(duì)粗顆粒材料最大動(dòng)彈性模量影響隨著圍壓的提高呈逐漸減弱的趨勢(shì)。

表1 不同圍壓下砂礫料最大動(dòng)彈性摸量值

表2 不同圍壓下灰?guī)r料最大動(dòng)彈性摸量值

圖3 動(dòng)彈性模量增加率隨圍壓變化曲線

圖4 Edmax/Pa～σ3/Pa關(guān)系曲線

4 密度對(duì)動(dòng)永久變形特性的影響

表3 動(dòng)模量參數(shù)表

針對(duì)上述兩種材料分別開(kāi)展了不同密度下的動(dòng)永久變形試驗(yàn)，試驗(yàn)得到典型曲線如圖5所示。不同密度下動(dòng)軸向永久變形曲線對(duì)比顯示，隨著密度值的提高，在動(dòng)荷載作用下第1次初始應(yīng)變明顯降低，后期隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，試樣逐漸被振密實(shí)，永久變形曲線均逐漸收斂，因此用函數(shù)來(lái)描述永久變形的發(fā)展過(guò)程曲線時(shí)，應(yīng)考慮到初始密度偏低會(huì)造成第1次應(yīng)變突變這一現(xiàn)象；對(duì)于動(dòng)體積永久變形曲線，隨著密度值提高并沒(méi)有出現(xiàn)第1次初始體變明顯減小的現(xiàn)象，這主要跟試樣在動(dòng)荷載作用下孔隙水在短時(shí)間內(nèi)很難迅速排出有關(guān)，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，排水量呈逐漸增大趨勢(shì)，當(dāng)振動(dòng)次數(shù)達(dá)到30次時(shí)，動(dòng)體變永久變形曲線的收斂程度不及動(dòng)軸向永久變形曲線好。

圖5 不同干密度最大動(dòng)力永久變形典型試驗(yàn)曲線對(duì)比

表4—表5分別列出了同一試樣在不同密度下的最大動(dòng)永久軸向變形與最大動(dòng)永久體積變形值。試驗(yàn)結(jié)果顯示，灰?guī)r料密度值提高1.5％，對(duì)應(yīng)的最大動(dòng)永久軸向應(yīng)變減小17.5％～47.0％，最大動(dòng)永久體積應(yīng)變減小9.7％～37.2％；砂礫料密度值提高2.7％，對(duì)應(yīng)的最大動(dòng)永久軸向應(yīng)變減小16.2％～54.5％，最大動(dòng)永久體積應(yīng)變減小9.6％～43.2％。試驗(yàn)結(jié)果表明，密度變化對(duì)粗顆粒材料的動(dòng)永久變形特性影響非常明顯，隨著密度值的提高，軸向動(dòng)永久變形和體積動(dòng)永久變形均產(chǎn)生一定的降低，其中對(duì)軸向動(dòng)永久變形的影響要明顯大于對(duì)體積變形的影響。密度大、小表示了粗顆粒材料孔隙比的大、小，密度越大，孔隙比越小，顆粒間咬合的越緊密，加之顆粒間接觸點(diǎn)數(shù)增加，有緩解顆粒破碎的作用［15］。因此，不論從咬合還是從顆粒破碎方面，壓實(shí)都可以說(shuō)起著有利于提高粗顆粒材料的力學(xué)特性、改善土石壩壩體的抗震性能的作用。

表4和表5數(shù)據(jù)對(duì)比同時(shí)還顯示，隨著圍壓的增加，密度值的增加對(duì)粗顆粒材料永久變形的影響宏觀上呈逐漸減弱的趨勢(shì)，這一規(guī)律與密度值的增加對(duì)動(dòng)彈性模量影響的規(guī)律保持一致。

表4 不同干密度下灰?guī)r料最大動(dòng)力永久變形對(duì)比

5 結(jié)論

（1）隨著密度值的提高，粗顆粒材料的最大動(dòng)彈性模量產(chǎn)生一定的增加，但增加率隨著圍壓的提高呈逐漸減弱的趨勢(shì)，這一現(xiàn)象導(dǎo)致描述最大動(dòng)彈性模量的參數(shù)k和n同樣發(fā)生規(guī)律性變化，即隨著密度值的提高，參數(shù)k值變大、參n值逐漸降低。

（2）隨著密度值的提高，粗顆粒材料在動(dòng)荷載作用下的初次動(dòng)永久軸向變形產(chǎn)生明顯的降低，后期隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，動(dòng)永久軸向變形呈逐漸收斂趨勢(shì)；密度值的提高對(duì)動(dòng)軸向永久變形的影響要明顯大于對(duì)體積變形的影響，增加率均隨著圍壓的提高呈逐漸減弱的趨勢(shì)。

（3）密度是影響粗顆粒材料動(dòng)力特性的重要因素，對(duì)于高土石壩工程來(lái)說(shuō)，提高壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)有利于改善粗顆粒材料的力學(xué)特性、控制壩體整體變形及提高其整體抗震能力。

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Experim ental study on in fluence of density on dynam ic p roperties of coarse aggregate

FU Hua1，2，3，HAN Hua-qiang1，2，3，LING Hua1，2，3
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China；2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nan jing 210029，China；3.Key Laboratory of Earth-Rock Dam FailureMechanism and Safety Control Techniques，Ministry ofWater Resources，Nanjing 210029，China）

The density is an important factor for the dynamic properties of coarse aggregate.W ith the in?crease of its density，the largest dynamic elastic modulus of coarse aggregate has a certain increase，howev?er，the increment ratio exhibits a gradual decrease tendency with the increase of the confining pressure. W ith the increasing density，the initial dynam ic axial permanent deformation of coarse aggregate under dy?namic loads has obvious decrease，and it shows a gradual convergence tendency at the late stage with the increase of vibration number.The influence of the increasing density on the dynamic axial permanent defor?mation of coarse aggregate is obviously larger than that on the volume change.Accordingly，for high earth-rock dams，to raise compactness standard is beneficial to improving the mechanical properties of coarse aggregate，controlling the integrated deformation of dams and raising their seismic performance.

density；coarse aggregate；dynam ic property；influence factor；experimental study

TV641.4

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.03.017

1672-3031（2014）04-0437-05

（責(zé)任編輯：李琳）

2014-08-25

國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目（91215301）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（51309161）

傅華（1977-），男，江蘇響水人，高級(jí)工程師，博士生，主要從事粗顆粒土的試驗(yàn)研究，E-mail：hfu@nhri.cn