堆石料濕化變形特性試驗(yàn)研究

于 浩

我國(guó)的水電開(kāi)發(fā)進(jìn)入了一個(gè)前所未有的高潮。在各種壩型中,土石壩以其突出的優(yōu)點(diǎn)備受重視。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要,高土石壩的數(shù)量越來(lái)越多,200 m乃至300 m級(jí)的高壩已經(jīng)有多座在建設(shè)或者規(guī)劃中。而對(duì)土石壩來(lái)說(shuō),壩體的沉降量是衡量施工質(zhì)量和大壩運(yùn)行狀況的重要指標(biāo)[1]。

堆石壩初次蓄水時(shí)會(huì)由于堆石料的浸水濕化變形而發(fā)生壩體的沉降、側(cè)移和應(yīng)力的重分布,有時(shí)甚至出現(xiàn)壩體開(kāi)裂等問(wèn)題。除了初次蓄水會(huì)引起壩體的濕化變形外,大壩運(yùn)行期因庫(kù)水位漲落和降雨造成的干濕循環(huán)作用也能導(dǎo)致壩體發(fā)生類(lèi)似于初次蓄水時(shí)的濕化變形,這種變形也屬于壩體長(zhǎng)期變形之列,這里稱(chēng)之為干濕循環(huán)變形。

堆石料的濕化變形問(wèn)題已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家的重視,并針對(duì)壩體初次蓄水的特點(diǎn)進(jìn)行了比較多的試驗(yàn)研究工作。

1973年,Nobari和Duncan[2]首先用三軸試驗(yàn)研究了這種濕化變形,并且提出了在非線(xiàn)性有限元法計(jì)算中考慮濕化變形的方法,成功地應(yīng)用于分析Oroville土壩的浸水變形。

保華富、屈智炯[3]通過(guò)對(duì)天生橋及魯布革堆石料的等壓和剪切濕化試驗(yàn)研究認(rèn)為:浸水時(shí)間是影響濕化變形及其發(fā)展的一個(gè)重要因素,并且濕化使得變形參數(shù)均發(fā)生變化。

李廣信[4]對(duì)小浪底堆石料進(jìn)行了比較系統(tǒng)的三軸濕化試驗(yàn),認(rèn)為單線(xiàn)法比雙線(xiàn)法更符合土體濕化變形的實(shí)際情況,單線(xiàn)法的濕化變形比雙線(xiàn)法明顯偏大;同時(shí)他們還對(duì)小浪底堆石料進(jìn)行了濕化變形的試樣縮尺效應(yīng)研究,研究堆石料的最大粒徑比實(shí)際縮小了50倍和12.5倍,其濕化變形試驗(yàn)結(jié)果表明,大試樣的變形比小試樣要小得多,其濕化軸向應(yīng)變?yōu)樾≡嚇拥囊话胱笥摇?/p>

但堆石料在濕化試驗(yàn)時(shí)一般只考慮干燥和飽和兩種狀態(tài),僅有少數(shù)研究涉及非飽和濕化變形問(wèn)題。至于模擬大壩運(yùn)行期因庫(kù)水位漲落和降雨造成的干濕循環(huán)作用,進(jìn)行堆石料循環(huán)增濕變形的研究成果目前很少見(jiàn)到。

1 試驗(yàn)儀器、材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用為適應(yīng)長(zhǎng)期加荷的應(yīng)力控制式靜力三軸儀,軸向壓力加載系統(tǒng)與周?chē)鷫毫刂葡到y(tǒng)為獨(dú)立加荷系統(tǒng),均采用半自動(dòng)砝碼系統(tǒng)加荷,通過(guò)液壓傳動(dòng)和油水交換系統(tǒng)提供軸向壓力與周?chē)鷫毫?這種加荷方式在恒壓加載過(guò)程中不必頻繁動(dòng)作,能夠?qū)崿F(xiàn)試驗(yàn)需要的長(zhǎng)期恒載穩(wěn)定要求。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用某堆石壩壩體堆石料,受儀器條件的限制,試驗(yàn)用料必須在原級(jí)配基礎(chǔ)上采用等量替代法進(jìn)行縮尺,以滿(mǎn)足儀器設(shè)備要求。由于儀器的試樣直徑為300 mm,相應(yīng)的試驗(yàn)用料的最大粒徑為60 mm,縮尺方法采用等量替代法,即用5 mm～60 mm粒組料等量替代超徑顆粒,小于5 mm粒組含量與原級(jí)配相同,如表1所示。試驗(yàn)的制樣干密度采用施工控制干密度。

表1 堆石料原級(jí)配與試驗(yàn)級(jí)配 mm

1.3 試驗(yàn)方法

試樣制備時(shí),按試樣控制密度及試樣體積測(cè)算出試驗(yàn)用料數(shù)量,分粒組稱(chēng)取,并拌和均勻。之后,分五層人工夯實(shí)制樣。試驗(yàn)一直維持軸向壓力與周?chē)鷫毫Ψ€(wěn)定,在干料上進(jìn)行待變形基本穩(wěn)定后從試樣底部浸水2 h左右,測(cè)得試樣的濕化軸向變形和體積變形,待濕化軸向變形基本穩(wěn)定時(shí)停止浸水。本次試驗(yàn)采用的圍壓為三級(jí),應(yīng)力水平為四級(jí)共12組試驗(yàn):圍壓為0.5 MPa,1.0 MPa,1.5 MPa,應(yīng)力水平為 0.2,0.4,0.6,0.7。

2 試驗(yàn)結(jié)果及初步分析

根據(jù)濕化試驗(yàn)結(jié)果,整理得到不同周?chē)鷫毫?、不同?yīng)力水平下的三軸濕化軸向應(yīng)變?chǔ)舧1和濕化體積應(yīng)變?chǔ)舧v的關(guān)系曲線(xiàn),如圖1～圖4所示。

由圖可知在同一圍壓下,隨著應(yīng)力水平增大,濕化軸變明顯增大,但圍壓越低,隨應(yīng)力水平提高軸向變形增長(zhǎng)速度越快。在相同應(yīng)力水平時(shí),在低應(yīng)力水平下,濕化軸變隨圍壓增大而增大;當(dāng)應(yīng)力水平在0.6,0.7時(shí),出現(xiàn)了低圍壓的濕化軸變大于高圍壓現(xiàn)象。

對(duì)于堆石料來(lái)說(shuō),當(dāng)試驗(yàn)密度一定時(shí),圍壓、顆粒大小、軸向應(yīng)變、顆粒破碎率等因素相互影響其剪脹性[5]。同一圍壓、低圍壓時(shí),應(yīng)力水平較小堆石料的濕化體變表現(xiàn)為剪縮,應(yīng)力水平較大后出現(xiàn)明顯剪脹。高圍壓、應(yīng)力水平較小時(shí),堆石料表現(xiàn)為剪脹,而應(yīng)力水平較大后表現(xiàn)出減縮。在相同應(yīng)力水平下,濕化體變隨圍壓增大而增大,且應(yīng)力水平越小,濕化體變?cè)龃笏俣仍娇臁H在應(yīng)力水平0.6時(shí)濕化體變稍微減小。

3 結(jié)語(yǔ)

堆石料的濕化變形特性研究是高堆石體應(yīng)力應(yīng)變分析的一個(gè)重要課題。本文在大型三軸濕化試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)某工程堆石料濕化變形與周?chē)鷫毫?、?yīng)力狀態(tài)的關(guān)系進(jìn)行了初步探討和分析,得到如下結(jié)論:堆石料的濕化變形隨著圍壓和濕化應(yīng)力水平變化而變化;在低圍壓、高應(yīng)力水平下堆石體產(chǎn)生剪脹;濕化軸向變形與應(yīng)力水平存在明顯的相關(guān)關(guān)系。

[1] 張丙印,于玉貞,張建民.高土石壩的若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題[A].中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)第九屆土力學(xué)與巖土工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[2] Nobari E S,Duncan J M.Movements in Dams due to Reservoir Filling[J].Performance of earth and Earth and Earth-Supported Structures,2007,1(1):23-24.

[3] 保華富,屈智炯.高土石壩筑壩關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的研究成果匯編[Z].“六五”國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目,2003.

[4] 李廣信.土的清華彈塑性模型及其發(fā)展[J].巖土工程學(xué)報(bào),2006,28(1):31-32.

[5] 傅志安,鳳家驥.混凝土面板堆石壩[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1993.