摻礫黏土樣的大型三軸流變特性試驗(yàn)研究

趙 娜，周 密，何曉民

（長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010）

1 引 言

近年來(lái)，我國(guó)的高土石壩發(fā)展迅速，在建和擬建的高壩大多為200～300 m級(jí)的心墻堆石壩[1]，例如長(zhǎng)河壩240 m、糯扎渡261 m、兩河口295 m、雙江口314 m等心墻料多是采用礫質(zhì)土[2－3]。由于壩高的增加，心墻土體將承受較大的應(yīng)力，單純采用黏性土作為心墻防滲土料已無(wú)法滿足強(qiáng)度和壓縮性的要求，因此，大于200 m的高心墻堆石壩心墻材料大部分都采用礫質(zhì)土材料。

筑壩材料的流變特性是壩工專家和工程師廣泛關(guān)注研究的問題之一，以往的研究多集中在粗粒料和純黏土兩部分。粗粒料是高堆石壩的主要填料，其流變特性是土石壩流變研究的關(guān)鍵因素，眾多學(xué)者對(duì)其流變特性進(jìn)行了系列研究[4－7]，認(rèn)為采用指數(shù)衰減函數(shù)或者冪函數(shù)可基本描述粗粒料的流變特性。對(duì)于飽和軟黏土的流變特性，一般采用廣義開爾文（Kelvin）模型及其擴(kuò)展模型、冪函數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、時(shí)間硬化經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ兔枋鲕涴ね恋牧髯兲匦訹8－10]，對(duì)高土石壩中礫質(zhì)土的流變特性基本沒有研究，因礫質(zhì)土中含有較大顆粒，試驗(yàn)需要大型試驗(yàn)儀器，又含有大比例的黏性土、滲透系數(shù)低[11－12]、大尺寸試驗(yàn)排水、飽和困難，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，難度大。

長(zhǎng)江科學(xué)院近些年來(lái)針對(duì)礫質(zhì)土大尺寸試樣的試驗(yàn)過程中飽和、排水困難等問題，提出了在試樣中預(yù)留砂芯進(jìn)行加速飽和、排水的方法，使大尺寸的礫質(zhì)土試驗(yàn)成為可能[11,13]。本次在室內(nèi)配制了摻礫黏土試樣，采用大型三軸試驗(yàn)儀（試樣尺寸（直徑φ ×高度H）300 mm×600 mm），進(jìn)行三軸流變?cè)囼?yàn)，研究摻礫黏土的流變特性。

2 摻礫黏土樣的加速排水方法

本次試驗(yàn)的難點(diǎn)即是大尺寸試樣的充分飽和及試驗(yàn)過程中的排水通暢，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠，因此對(duì)預(yù)留砂芯加速排水方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

摻礫黏土樣加速排水的基本要求是在不影響力學(xué)性質(zhì)的條件下盡量縮短試樣飽和、排水時(shí)間，提高效率。長(zhǎng)江科學(xué)院基本做法是在直徑為 300 mm的大尺寸摻礫黏土樣中沿軸向均勻分布 13個(gè)直徑6 mm的預(yù)成孔，在孔中灌砂形成砂芯，砂芯起到有效減小排水距離，提高試樣的飽和度、排水速度的作用。

砂芯占試樣截面積的比例為 0.52%，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證有砂芯樣和無(wú)砂芯樣的三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線十分近似，如圖1所示。試樣尺寸φ300 mm×H600 mm，圍壓為500 kPa，砂芯的設(shè)置對(duì)礫石土試樣的強(qiáng)度及應(yīng)力-應(yīng)變特性的改變不大。有砂芯樣的孔壓消散過程明顯加快，砂芯的排水作用明顯，如圖2所示。因此，在保證剪切過程中完全排水的前提下砂芯可以大大提高試驗(yàn)的剪切速率。砂芯加速排水方法使摻礫黏土樣大型三軸試驗(yàn)成為可能。

3 流變?cè)囼?yàn)方案

3.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)的工程背景為某高心墻堆石壩，壩高達(dá)到300 m級(jí)，其心墻填筑料場(chǎng)為黏性土，需要進(jìn)行摻礫，滿足心墻的變形協(xié)調(diào)。根據(jù)試驗(yàn)材料設(shè)計(jì)了 2組試驗(yàn)，一組為純黏土的流變?cè)囼?yàn)，另一組為摻礫后的流變?cè)囼?yàn)。

圖1 砂芯樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系對(duì)比[13]Fig.1 Comparison of stress and strain in samples with sand cores[13]

圖2 砂芯樣孔壓消散曲線對(duì)比[13]Fig.2 Comparison of pore pressure dissipation in samples with sand cores[13]

對(duì)于高土石壩，填筑期心墻料的含水率一般為最優(yōu)含水率，為非飽和狀態(tài)。當(dāng)水庫(kù)蓄水以后，心墻料從非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變到飽和狀態(tài)，又根據(jù)飽和狀態(tài)設(shè)計(jì)了2組流變?cè)囼?yàn)，一組非飽和狀態(tài)的流變?cè)囼?yàn)，另一組飽和狀態(tài)的流變?cè)囼?yàn)。

試驗(yàn)共4組，分別進(jìn)行黏土樣的非飽和狀態(tài)試驗(yàn)、飽和狀態(tài)試驗(yàn)，摻礫樣的非飽和狀態(tài)試驗(yàn)、飽和狀態(tài)試驗(yàn)。文中非飽和狀態(tài)特指最優(yōu)含水率狀態(tài)。

3.2 試驗(yàn)級(jí)配

黏土樣其液限為 28.8%，塑限為 15.2%，塑性指數(shù)為 13.6，按《土工試驗(yàn)規(guī)程》[14]定義為低液限黏土。

摻礫樣的摻礫比例為土料:礫料= 6:4，土料為純黏土，礫料為板巖料，礫料級(jí)配見表1。

表1 礫料試驗(yàn)級(jí)配Table 1 Grain size distribution of gravel material

3.3 試驗(yàn)密度

在室內(nèi)進(jìn)行大型擊實(shí)試驗(yàn)，獲得試驗(yàn)料的最大干密度和最優(yōu)含水率。擊實(shí)試驗(yàn)為重型擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)筒尺寸φ300×H288 mm，擊實(shí)錘質(zhì)量為35.2 kg，落高60 cm。試樣分3層填裝，每層擊數(shù)88次，單位體積功能2 688.2 kJ/m3。

擊實(shí)試驗(yàn)成果見表 2。按重型擊實(shí)試驗(yàn)壓實(shí)度95%計(jì)算試驗(yàn)干密度。

表2 大型擊實(shí)試驗(yàn)成果表Table 2 Results of large-scale compaction test

3.4 試驗(yàn)儀器

采用長(zhǎng)江科學(xué)院的大型高壓三軸儀，對(duì)試樣進(jìn)行三軸流變?cè)囼?yàn)，試樣尺寸φ300×H600 mm，最大周圍壓力為3.0 MPa，最大豎向荷載為1 500 kN。儀器配有大型高壓穩(wěn)壓罐，最長(zhǎng)穩(wěn)壓時(shí)間不少于60 d。

試驗(yàn)圍壓為0.3、1.0、1.7、2.4 MPa四級(jí)，每個(gè)圍壓下分別進(jìn)行4級(jí)應(yīng)力水平（SL= 0.2、0.4、0.6、0.8）。試樣的體積變化通過外體積變化測(cè)定。試驗(yàn)時(shí)控制環(huán)境溫度在（20±1）℃。

流變?cè)囼?yàn)時(shí)按圍壓和應(yīng)力水平計(jì)算需施加的偏應(yīng)力豎向荷載。已知應(yīng)力條件下穩(wěn)定應(yīng)力狀態(tài)若干時(shí)間（不少于7 d），記錄不同時(shí)刻試樣的軸向變形和體積變形，當(dāng)變形趨于穩(wěn)定后施加下一級(jí)荷載。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 流變?cè)囼?yàn)成果

流變?cè)囼?yàn)加載的代表性曲線如圖3、4所示，為黏土樣非飽和狀態(tài)的過程曲線。從圖中可以看出，流變曲線是一個(gè)逐漸趨于停止的衰減曲線，也就是說流變是收斂的。

圖3 流變?cè)囼?yàn)的軸向蠕變與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.3 Curves of axial creep strain and load time at rheological test

將蠕變量與時(shí)間關(guān)系繪制在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下可以看出，其呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，說明可以采用冪函數(shù)來(lái)描述其流變特性。仍以黏土樣非飽和狀態(tài)的試驗(yàn)為例，其軸向變形的蠕變量與時(shí)間關(guān)系的代表性圖形如圖5所示，體積變形的蠕變量與時(shí)間關(guān)系的代表性圖形如圖6所示。

圖4 “流變?cè)囼?yàn)”體積蠕變與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.4 Curves of volumetric creep strain and load time at rheological test

圖6 體積蠕變與時(shí)間曲線（σ3 = 1.0 MPa）Fig.6 Curves of volumetric creep strain and load time(σ3 = 1.0 MPa)

4.2 含水率對(duì)變形量的影響

為分析飽和狀態(tài)對(duì)蠕變變形量的影響，4組流變?cè)囼?yàn)的軸向蠕變量和體積蠕變量整理列表 3、4中，蠕變量是該級(jí)試驗(yàn)前后的應(yīng)變差值。

從蠕變量與應(yīng)力水平的關(guān)系曲線（見圖 7）可以看出，蠕變量整體趨勢(shì)上表現(xiàn)為隨圍壓和應(yīng)力水平的增加而增大，飽和試樣的變形量大于非飽和試樣的變形量。

圖7 黏土樣軸向蠕變量與應(yīng)力水平關(guān)系Fig.7 Curves of axial creep strain and stress level of clay

4.3 摻礫對(duì)變形量的影響

為分析摻礫對(duì)蠕變變形量的影響，將表 3、4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以飽和樣為例（見圖8），摻礫后的蠕變變形量較小，說明摻礫對(duì)降低心墻堆石壩填筑完成后的蠕變變形有較好的作用。

表3 黏土樣的蠕變量對(duì)比分析Table 3 Creep strain comparative of clay materials

表4 摻礫樣的蠕變量對(duì)比分析Table 4 Creep strain comparative of clay material with gravel

圖8 飽和樣軸向蠕變量與應(yīng)力水平關(guān)系曲線Fig.8 Curves of axial creep strain and stress level

5 蠕變模型

長(zhǎng)江科學(xué)院針對(duì)粗粒料進(jìn)行了大量蠕變?cè)囼?yàn)研究，發(fā)現(xiàn)蠕變量與時(shí)間曲線在雙對(duì)數(shù)座標(biāo)系下呈良好的線性關(guān)系，剩余蠕變應(yīng)變與時(shí)間曲線在雙對(duì)數(shù)座標(biāo)系下也呈良好的線性關(guān)系，在此基礎(chǔ)上采用冪函數(shù)表達(dá)粗拉料的蠕變量的時(shí)間曲線，提出了9參數(shù)蠕變模型[4－7]。

在摻礫黏土樣的三軸蠕變?cè)囼?yàn)中發(fā)現(xiàn)蠕變量與時(shí)間的關(guān)系也遵循上述關(guān)系，因此對(duì)蠕變成果的整理采用9參數(shù)模型，由于土料的初始變形量較大，導(dǎo)致軸向應(yīng)變與圍壓的關(guān)系表達(dá)式不通過0點(diǎn)，對(duì)原表達(dá)式進(jìn)行了修正，增加了2個(gè)參數(shù)（a、b），其余的參數(shù)與 9參數(shù)蠕變模型中的物理意義完全相同。

剩余蠕變量與時(shí)間曲線在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，如圖9所示。根據(jù)不同時(shí)間t的應(yīng)變?chǔ)趴蓴M合fε、λ，且fε、λ都是應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)，見式（4）、（5）。不同應(yīng)力水平下的fε與圍壓有很好的線性關(guān)系和λ與圍壓曲線符合冪函數(shù)關(guān)系分別如圖10、11所示。

圖 9 (εf-εL)-t曲線（σ3 = 1.0 MPa）Fig.9 Curves of (εf-εL)-t (σ3 = 1.0 MPa)

圖 10 εf-σ3曲線Fig.10 Curves of εf-σ3

圖 11 λ-σ3曲線Fig.11 Curves of λ-σ3

式中：a、b、c、d、η、m為軸變?nèi)渥冎笜?biāo)。

體積蠕變量的時(shí)間曲線同樣采用冪函數(shù)表達(dá)：

根據(jù)不同時(shí)間t的應(yīng)變?chǔ)臠V可以擬合εfV、Vλ，且εfV是應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)，如圖12所示，見式（7）。Vλ為與應(yīng)力狀態(tài)無(wú)關(guān)的常量。

式中：cα、dα、cβ、dβ、Vλ均為體變?nèi)渥冎笜?biāo)。本次試驗(yàn)得到的11個(gè)蠕變參數(shù)見表5。

圖 12 εfV-σ3曲線Fig.12 Curves of εfV-σ3

6 模型參數(shù)分析

在上述蠕變模型中，蠕變性指標(biāo)fε反映軸向蠕變量的大小，εfV反映體積蠕變量的大小。為了分析摻礫對(duì)蠕變量的影響，將得到的蠕變參數(shù)a、b、c、d代入式（4），將蠕變指標(biāo)cα、dα、cβ、dβ代入式（7），以圍壓3σ= 0.3 MPa為例，得到的fε與應(yīng)力水平的關(guān)系曲線如圖13所示，得到的εfV與應(yīng)力水平的關(guān)系曲線如圖14所示。從兩個(gè)圖中可以看出，相同飽和狀態(tài)下?lián)降[樣的蠕變指標(biāo)降低，說明摻礫起到了改變工程性狀的功能；相同土樣或者摻礫樣條件下飽和狀態(tài)下的蠕變指標(biāo)較高，說明當(dāng)水庫(kù)蓄水后，隨著土料逐漸從非飽和狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，會(huì)產(chǎn)生一定的后期濕化變形。

表5 土料蠕變參數(shù)Table 5 Creep parameters of soil material

圖 13 εf-SL曲線Fig.13 Curves of εf-SL

圖 14 εfV-SL曲線Fig.14 Curves of εfV-SL

從整體趨勢(shì)看，軸向蠕變指標(biāo)對(duì)比規(guī)律較好，體積蠕變的規(guī)律略差。這說明盡管采用了加速排水方法，試樣的飽和、排水通暢等仍存在需要改進(jìn)的地方。

7 結(jié) 論

（1）黏土樣三軸蠕變?cè)囼?yàn)的蠕變量與時(shí)間曲線在雙對(duì)數(shù)座標(biāo)系下呈很好的線性關(guān)系，符合冪函數(shù)關(guān)系式，長(zhǎng)江科學(xué)院提出的蠕變模型可以準(zhǔn)確表達(dá)剩余蠕變量和時(shí)間的關(guān)系。

（2）在相同飽和狀態(tài)下，摻礫樣的蠕變量和蠕變模型參數(shù)指標(biāo)較低，說明摻礫起到了改善土樣性狀的功能。

（3）在均為土樣（摻礫樣）條件下，飽和狀態(tài)的蠕變指標(biāo)明顯高于非飽和狀態(tài)下的蠕變指標(biāo)，說明砂芯加速排水的方法起到了明顯的作用，促進(jìn)了試樣的充分飽和。

（4）軸向蠕變指標(biāo)規(guī)律較好，體積蠕變的規(guī)律略差，說明盡管采用了預(yù)留砂芯加速排水的方法，但試樣的充分飽和、排水通暢等仍存在需要改進(jìn)的地方。

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