筑壩粗粒料力學(xué)性質(zhì)及本構(gòu)模型參數(shù)試驗(yàn)研究

王樂(lè)樂(lè)，周建國(guó)，李驍男，許曉峰，何 佳

(1.華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450046； 2.濟(jì)南市交通工程建設(shè)保障中心，山東 濟(jì)南 250014；3.河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450002； 4.中國(guó)機(jī)械工業(yè)國(guó)際合作有限公司，河南 鄭州 450018)

粗粒料具有壓實(shí)性強(qiáng)、透水性好、變形小及抗剪強(qiáng)度高等工程特性，常被用于工程建設(shè)當(dāng)中，尤其是作為大壩的筑壩材料。國(guó)內(nèi)外學(xué)者[1-9]通過(guò)大型三軸試驗(yàn)，對(duì)粗粒料的力學(xué)特性及變形規(guī)律進(jìn)行了一系列研究，得出了影響粗粒料強(qiáng)度特性及變形特征的因素有圍壓、密度、級(jí)配、顆粒粒徑、應(yīng)力路徑等。

姜景山等[10]研究了密度和圍壓對(duì)粗粒土強(qiáng)度特性的影響，最高圍壓為1 600 kPa；夏加國(guó)等[11]研究了含超粒徑顆粒土石混合體在不同含石量、圍壓下的力學(xué)性質(zhì)，最高圍壓為1 200 kPa；石熊等[12]對(duì)改良粗粒土填料進(jìn)行了力學(xué)強(qiáng)度研究，最高圍壓為1 800 kPa；蔡正銀等[13]對(duì)粗粒料的強(qiáng)度和變形特性進(jìn)行了研究，最高圍壓為2 000 kPa。根據(jù)研究現(xiàn)狀，目前對(duì)于在高圍壓下粗粒料的研究有待提高，而且國(guó)內(nèi)外200 m以上的高壩修筑較少，缺乏經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)筑壩料在大壩中起到主要的受力作用。所以，研究粗粒料在高圍壓下的力學(xué)特性及變形規(guī)律，了解筑壩料的工程特性是十分必要的。鄧肯—張E-B模型[14-16]經(jīng)常被用于巖土工程的數(shù)值分析中，尤其是對(duì)壩體穩(wěn)定安全數(shù)值分析計(jì)算提供了很大的幫助，為壩體的合理性和安全性評(píng)估提供了有力的參考依據(jù)。

本文通過(guò)大型三軸儀對(duì)某超高面板壩的2種筑壩粗粒料進(jìn)行固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，分析在低圍壓(100～400 kPa)—高圍壓(800～3 000 kPa)及不同級(jí)配條件下，1號(hào)土樣堆石料和2號(hào)土樣砂礫料的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系、變形特征，并對(duì)計(jì)算得到的鄧肯—張E-B模型參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行討論。

1 儀器設(shè)備

試驗(yàn)儀器采用SZLB-4大型三軸試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示。該儀器集傳感器、電子、機(jī)械、計(jì)算機(jī)等技術(shù)，儀器允許的試樣尺寸直徑300 mm，高600 mm；允許最大周圍壓力3 MPa，最大軸向荷載為1 500 kN，最大軸向行程為300 mm。

圖1 試驗(yàn)儀器裝置Fig.1 Experimental equipment

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料是從料場(chǎng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破得到的粒徑小于60 mm的粗粒料，1號(hào)土樣為堆石料，母巖巖性以花崗巖、砂巖、微晶灰?guī)r為主；2號(hào)土樣為砂礫料，母巖巖性主要為微晶灰?guī)r夾少量薄層微晶灰?guī)r。2種土樣的現(xiàn)場(chǎng)最大粒徑分別為800、500 mm。由于試驗(yàn)儀器允許的顆粒最大粒徑為60 mm，采用等量替代法對(duì)超粒徑粒料進(jìn)行縮尺，既保持了級(jí)配的連續(xù)性和相似性，也沒(méi)有改變細(xì)顆粒料的含量。縮尺后的級(jí)配曲線如圖2所示。

圖2 筑壩粗粒料縮尺后級(jí)配曲線Fig.2 Gradation curve of coarse-grained materials after dam construction

室內(nèi)試驗(yàn)制樣時(shí)，1號(hào)土樣堆石料的試驗(yàn)控制干密度為2.200 g/cm3；2號(hào)土樣砂礫料取相對(duì)密度0.90作為試驗(yàn)干密度的控制標(biāo)準(zhǔn)，上包線、平均包線、下包線的試驗(yàn)控制干密度分別為2.310、2.380、2.287 g/cm3；對(duì)2種土樣的上包線、平均包線、下包線分別在圍壓為100、200、400、800、2 000、3 000 kPa下進(jìn)行固結(jié)排水剪切試驗(yàn)。此次試驗(yàn)依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》[17]和《水電水利工程粗粒土試驗(yàn)規(guī)程》[18]實(shí)施。

室內(nèi)試驗(yàn)分為試樣配制與裝樣、試樣飽和、排水固結(jié)、剪切4部分：①試樣配制與裝樣。根據(jù)縮尺后的級(jí)配稱取每個(gè)粒組范圍的試樣質(zhì)量混在一起，將制備好的試樣分為6份，開(kāi)始裝樣，用擊實(shí)錘進(jìn)行擊實(shí)，使每層的試樣保持厚度一致約為10 cm，每層擊實(shí)后進(jìn)行刮毛，以免出現(xiàn)分層現(xiàn)象。裝樣后檢查裝置氣密性，氣密性好則裝樣成功；如果有漏洞，則需要重新裝樣。裝樣完成后，先進(jìn)行抽真空直至孔隙壓力達(dá)到-70 kPa，關(guān)閉閥門，如果孔壓基本穩(wěn)定，證明裝置氣密性良好，裝樣成功。②試樣飽和。先進(jìn)行抽真空飽和，然后進(jìn)行水頭飽和，飽和5～6 h后，測(cè)量飽和度是否滿足試驗(yàn)要求。飽和度不小于95%或孔隙壓力系數(shù)不小于0.95時(shí)，則視為試樣飽和。③排水固結(jié)。試驗(yàn)以各向等壓固結(jié)方式進(jìn)行排水固結(jié)，等排水量隨時(shí)間增加而不發(fā)生變化時(shí)(固結(jié)曲線隨時(shí)間的變化無(wú)明顯變化時(shí))，即可認(rèn)為固結(jié)完成。④剪切。剪切的控制方式為應(yīng)變式，參考《水電水利工程粗粒土試驗(yàn)規(guī)程》[18]粗顆粒土三軸壓縮試驗(yàn)剪切速率設(shè)定為每分鐘軸向應(yīng)變0.5%的速率施加軸壓，進(jìn)行剪切。

試驗(yàn)破壞標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)應(yīng)力—應(yīng)變曲線出現(xiàn)峰值點(diǎn)時(shí)，取峰值點(diǎn)為破壞點(diǎn)；當(dāng)應(yīng)力—應(yīng)變曲線無(wú)峰值點(diǎn)時(shí)，取應(yīng)變15%所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為破壞點(diǎn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 強(qiáng)度特性

1號(hào)土樣堆石料和2號(hào)土樣砂礫料在低—高圍壓下3個(gè)包線的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可以看出，不同圍壓、級(jí)配下粗粒料的強(qiáng)度特征變化不同。

圖3 筑壩粗粒料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of coarse-grained materials for dam construction

2號(hào)土樣砂礫料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線關(guān)系如圖3(d)—圖3(f)所示，在低圍壓(100～400 kPa)以及高圍壓800 kPa下應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系均呈弱應(yīng)變軟化。在高圍壓(2 000～3 000 kPa)下為硬化型，剪切初始階段，砂礫料的軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變之間近似呈線性關(guān)系，軸向應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而呈線性增加，隨著圍壓的升高階段，其線性階段的斜率越大，表明隨著圍壓的升高對(duì)應(yīng)的初始切線模量越大；從低圍壓到高圍壓階段，隨圍壓的升高，試樣達(dá)到峰值時(shí)所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變就越大。從微觀角度看，三軸試驗(yàn)就是試樣顆粒之間發(fā)生碰撞、重新排序穩(wěn)定的一個(gè)過(guò)程，圍壓越大，對(duì)顆粒間的翻轉(zhuǎn)提供的約束力就越大，對(duì)應(yīng)所克服其約束產(chǎn)生的軸向應(yīng)力越大，試樣在軸向應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)的軸向應(yīng)變就越大。隨著不同級(jí)配顆粒中含石量的增加，相同條件下所對(duì)應(yīng)的峰值力也越大。

1號(hào)土樣堆石料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖3(a)—圖3(c)所示，堆石料上包線、平均包線的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，無(wú)論是在低圍壓還是高圍壓下均為硬化型，下包線在低圍壓以及高圍壓800kPa和2 000 kPa時(shí)也為應(yīng)變硬化，但在3 000 kPa時(shí)，曲線出現(xiàn)了弱應(yīng)變軟化。按照常規(guī)，中、高密度的土樣在低圍壓下易發(fā)生軟化，隨著圍壓的升高而會(huì)過(guò)渡為硬化型。砂礫料在圍壓100～800 kPa階段和堆石料下包線在高圍壓3 000 kPa時(shí)均出現(xiàn)軟化，但堆石料在剪切過(guò)程中為體縮，所以兩者發(fā)生軟化的原因應(yīng)該不同。堆石料顆粒相對(duì)破碎率Br[19]與σ3/Pa之間的關(guān)系曲線[20]如圖4所示，隨著圍壓的升高，Br升高，顆粒破碎程度增大。由圖4(c)可知，堆石料下包線的圍壓為2 000 kPa時(shí)，Br為9.8%；圍壓為3 000 kPa時(shí)，Br達(dá)到14.0%。分析認(rèn)為，堆石料下包線圍壓為100～2 000 kPa時(shí)，圍壓的升高對(duì)粗粒料強(qiáng)度的提高大于由顆粒破碎所引起的粗粒料強(qiáng)度降低；下包線圍壓為3 000 kPa時(shí)，顆粒破碎引起粗粒料強(qiáng)度的降低大于圍壓的升高對(duì)粗粒料強(qiáng)度的提高。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，圍壓和相對(duì)破碎率的主次分界值分別為2 000 kPa<σ3<3 000 kPa、Br(σ3=2 000 kPa)

圖4 堆石料Br與σ3/Pa關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve between Br and σ3/Pa of rockfill materials

1號(hào)土樣堆石料和2號(hào)土樣砂礫料的內(nèi)摩擦角與圍壓之間的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，內(nèi)摩擦角隨圍壓的增大而快速變小，在高圍壓下時(shí)，內(nèi)摩擦角的減小變慢。剪切的過(guò)程，應(yīng)該是顆粒之間的重新排列的一個(gè)階段。①低圍壓時(shí)，圍壓并不能夠抑制顆粒的重新排列翻轉(zhuǎn)，容易發(fā)生剪脹，顆粒間的接觸變松散，顆粒破碎較少，所以認(rèn)為內(nèi)摩擦角的快速變小與在低圍壓下堆石料發(fā)生的剪脹有關(guān)；②高圍壓時(shí)，雖然顆粒接觸更加緊密，但粗顆粒容易發(fā)生破碎，導(dǎo)致粗顆粒減少、細(xì)顆粒增多，從而引起內(nèi)摩擦角的緩慢減小，所以認(rèn)為在高圍壓下，內(nèi)摩擦角的緩慢減小應(yīng)是由于大量的顆粒破碎造成的。從圖5(b)得到砂礫料平均包線的內(nèi)摩擦角整體要比上包線、下包線的高，這應(yīng)該與平均包線的密度最大有關(guān)，密度越大，土顆粒咬合作用就越強(qiáng)，土顆粒間的孔隙小，接觸越密，內(nèi)摩擦角就相對(duì)較大。

圖5 筑壩粗粒料φ與σ3/Pa關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between φ and σ3/Pa of coarse aggregate for dam construction

3.2 變形特性

1號(hào)土樣堆石料和2號(hào)土樣砂礫料上包線、平均包線、下包線在各個(gè)圍壓下的體變—應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 筑壩粗粒料的體變—應(yīng)變曲線Fig.6 Volume strain curve of coarse-grained materials for dam construction

由圖6(a)—圖6(c)可知，堆石料在低圍壓下發(fā)生剪脹，在剪切初始階段，隨著軸向應(yīng)變的增加，試樣發(fā)生剪縮，當(dāng)體縮達(dá)到一定值后隨軸向應(yīng)變的增加試樣發(fā)生剪脹，隨著圍壓的升高剪脹性逐漸減弱，高圍壓下，變?yōu)榧艨s。隨著P5的變化，堆石料在不同圍壓下發(fā)生剪脹時(shí)所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?nèi)鐖D7所示(當(dāng)只發(fā)生剪縮時(shí)默認(rèn)對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?yōu)?5%)。由圖7可以看出，在低圍壓下隨著各個(gè)包線粗顆粒含量的增加，試樣發(fā)生剪脹時(shí)的軸向應(yīng)變?cè)叫?，表明低圍壓下隨粗顆粒含量的增加，剪脹性越顯著；高圍壓下，發(fā)生剪縮，從上包線到下包線，隨粗顆粒含量的增加所對(duì)應(yīng)的體變值就越大?？赡苡捎谠嚇颖旧淼拇诸w粒含量過(guò)大，所以軸向應(yīng)變減小的幅度較小。

由圖6(d)—圖6(f)可以看出，砂礫料在低圍壓及800 kPa下發(fā)生剪脹，同樣在剪切初始階段試樣先發(fā)生剪縮，然后發(fā)生剪脹；當(dāng)在高圍壓(2000、3 000 kPa)下，試樣只發(fā)生剪縮，這一規(guī)律總結(jié)為先縮后脹、低脹高縮。產(chǎn)生這一規(guī)律的原因應(yīng)該是粗粒料中的粗顆粒形成連續(xù)的顆粒骨架，在剪切初始階段，細(xì)顆粒填充顆粒骨架，發(fā)生剪縮，低圍壓下，隨軸向應(yīng)變的增加，圍壓所提供的約束力較小，試樣中的粗顆粒難以破碎，顆粒強(qiáng)度本身較大，難以抑制顆粒間的相互翻越，所以產(chǎn)生體脹變形；高圍壓下，隨著剪切位移增加，剪應(yīng)力變大，粗顆粒易發(fā)生破碎，顆粒強(qiáng)度相對(duì)降低，高圍壓能提供更大的約束力，抑制粗顆粒間的翻轉(zhuǎn)，試樣發(fā)生剪縮。對(duì)比砂礫料3個(gè)包線的體變曲線，得到砂礫料平均包線的剪脹性明顯要大于上包線和下包線，根據(jù)資料顯示低圍壓下試樣密度越大，對(duì)應(yīng)剪脹性越顯著，由于平均包線的密度最大，所以剪脹性就相對(duì)顯著。

圖7 堆石料剪脹時(shí)軸變與P5的關(guān)系Fig.7 The relationship between axial change and P5 of rockfill materials during dilatancy

3.3 模型參數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的鄧肯—張E-B模型參數(shù)[21]見(jiàn)表1、表2。

表1 堆石料模型參數(shù)Tab.1 Model parameters of rockfill

表2 砂礫料模型參數(shù)Tab.2 Model parameters of gravel

根據(jù)得到的模型參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，堆石料和砂礫料的非線性強(qiáng)度指標(biāo)隨圍壓變化范圍的不同發(fā)生了變化。在低圍壓下φ0、Δφ最大，隨著圍壓的增大，φ0與Δφ都依次降低。另外，由于砂礫料顆粒渾圓，母巖性質(zhì)比較堅(jiān)硬，顆粒破碎程度低。因此，φ0與Δφ的變化相對(duì)不如堆石料顯著。不同圍壓范圍對(duì)材料的變形指標(biāo)具有一定的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)增大圍壓時(shí)，鄧肯—張E-B模型參數(shù)有k值增大、n值降低、Rf減小、Kb降低、m增大的趨勢(shì)。對(duì)于砂礫料各級(jí)配包線試樣，試驗(yàn)控制的干密度為2.380g/cm3，由于平均線試樣顆粒咬合最緊密、填充最密實(shí)、孔隙率最低，粗細(xì)顆粒能充分地協(xié)同分擔(dān)荷載，因此平均包線試樣的力學(xué)性能最優(yōu)。相比平均包線試樣，上包線試樣粒徑小于5 mm顆粒含量偏高，細(xì)顆粒有阻礙粗顆粒形成骨架的趨勢(shì)；而下包線試樣細(xì)顆粒偏少，不能完全充填粗顆粒骨架形成的孔隙。因此，這2種級(jí)配料壓實(shí)性能均略遜于平均線試樣，并且試驗(yàn)控制干密度略低，相應(yīng)由試驗(yàn)得到的強(qiáng)度指標(biāo)和切線彈性模量有所偏小。由于上包線試樣的干密度達(dá)到2.310 g/cm3，高于下包線試樣的2.287 g/cm3。因此，其力學(xué)指標(biāo)要優(yōu)于下包線試樣。堆石料在低圍壓條件下堆石顆粒不易破碎，由于下包線試樣粗顆粒含量高、吸收的擊實(shí)功能大，因此其咬合力和初始切線模量大；但在高圍壓條件下，下包線試樣的顆粒破碎程度最嚴(yán)重，而上包線試樣的級(jí)配優(yōu)勢(shì)能得到逐漸發(fā)揮。所以，試樣的級(jí)配、密度不同，獲得的模型參數(shù)也隨著變化，對(duì)其模型參數(shù)的取值也具有很大的影響。

4 結(jié)論

(1)1號(hào)土樣堆石料及2號(hào)土樣砂礫料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線具有非線性和彈塑性等一般規(guī)律，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線基本符合鄧肯—張模型曲線。

(2)粗粒料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線特征與圍壓有關(guān)，一般高圍壓下粗粒料應(yīng)力—應(yīng)變曲線為應(yīng)變硬化，低圍壓下密度大的粗粒料試樣會(huì)發(fā)生應(yīng)變軟化。但當(dāng)高圍壓下粗顆粒含量多時(shí)，粗顆粒會(huì)發(fā)生破碎，顆粒破碎降低的強(qiáng)度高于圍壓提供的強(qiáng)度，也會(huì)產(chǎn)生軟化現(xiàn)象。

(3)粗粒料的變形特征與圍壓、密度和含石量均有關(guān)系，低圍壓下易發(fā)生剪脹，隨圍壓的增大剪脹性逐漸減弱，高圍壓下體變過(guò)渡為剪縮；并且體變變化與含石量和密度有關(guān)，隨著含石量和試樣密度的增加，土樣的剪脹性也越顯著。

(4)鄧肯—張E-B模型參數(shù)的取值，隨圍壓的升高、級(jí)配的變化呈一定的規(guī)律性變化；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，砂礫料和堆石料強(qiáng)度指標(biāo)較高、切線彈性模量較大、力學(xué)指標(biāo)較優(yōu)，這2種材料均為較優(yōu)良的壩體填筑料。