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    水泥礫質(zhì)土三軸試驗研究

    2012-11-05 07:24:08朱俊高劉漢龍
    巖土力學(xué) 2012年7期
    關(guān)鍵詞:礫石心墻模量

    劉 忠,朱俊高,劉漢龍

    (1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室,南京 210098;2.河海大學(xué) 巖土工程研究所,南京 210098)

    1 引 言

    土石壩由于就地取材、適應(yīng)地基變形能力強和壩體抗震性能好等優(yōu)點而備受青睞。近年來,我國高土石壩建設(shè)迅猛發(fā)展,許多200 m甚至300 m級的高壩正在設(shè)計或施工中,如糯扎渡(高263.5 m)和雙江口(高316 m)等均采用土石壩。這些高壩對設(shè)計和施工提出了更高的要求,其中,最大程度地降低高土石壩心墻應(yīng)力拱效應(yīng)是一個亟需解決的問題。由于拱效應(yīng)對心墻抗水力劈裂能力有著直接的影響,因而,受到工程界的高度重視[1-2]。

    為了減少心墻和堆石體間的不均勻變形和拱效應(yīng),防止心墻水力劈裂現(xiàn)象的發(fā)生,要求心墻防滲土料應(yīng)具有較高的變形模量,很多學(xué)者開展了相關(guān)研究[3-6]。目前常用的辦法是在(細(xì)粒)土料中摻入一定量的粗粒(礫石)料做心墻料,即所謂的礫質(zhì)土心墻料。但是,對200 m甚至300 m級高心墻壩,由于礫質(zhì)土心墻料和堆石壩殼的變形模量相差依然較大,心墻應(yīng)力拱效應(yīng)通常仍較強烈,對心墻抗水力劈裂不利[7]。如果摻入更多的礫石,心墻變形模量無疑可以提高,但其滲透性難以滿足心墻防滲要求。因此,如何能進(jìn)一步提高心墻模量,減輕心墻應(yīng)力拱效應(yīng)值得深入研究。

    吳夢喜等[8]研究了一種新型的筑壩硬填料,該材料類似于貧混凝土,其模量相對較高而且較經(jīng)濟(jì),但用于心墻可能存在滲透難以滿足的問題;又如,在公路工程中,有用水泥穩(wěn)定礫石土作為路基或橋頭回填料的做法[9-10],就是在礫石土中摻入水泥提高其模量,效果良好;再如,在水利水電工程中用(水泥與黏土、砂礫石混合材料)塑性混凝土做土石壩(或圍堰)中的防滲墻[11-14]等,應(yīng)用很成功。這些研究的共同點是在土和(或)礫石中摻入水泥,提高其模量。是否有可能采用類似方法研究模量較高的新型心墻材料代替現(xiàn)有常用心墻料?基于此,作者提出在礫質(zhì)黏土中摻入一定量水泥,改善其力學(xué)特性后用作心墻料。這無疑可以提高心墻料的強度和變形模量,從而達(dá)到減輕心墻應(yīng)力拱效應(yīng)的目的,同時又能滿足防滲要求。當(dāng)然,水泥摻量多少能夠達(dá)到較優(yōu)性能,必須進(jìn)行相關(guān)研究。

    因此,本文以某心墻堆石壩心墻土料及摻礫所用礫石料作為基材,摻入一定比例水泥形成一種新的混合料——水泥礫質(zhì)土,對不同水泥含量的水泥礫質(zhì)土進(jìn)行三軸固結(jié)排水剪試驗,研究其應(yīng)力-應(yīng)變及強度特性。

    2 試驗土料與試驗方案

    試驗采用中型三軸儀,試樣直徑為 101 mm,高度為 200 mm。試驗所用黏土為某堆石壩摻礫心墻料所用的土料,剔除大于2 mm顆粒后,其液限34.8%,塑限為16.4%,塑性指數(shù)為19.4,土粒相對密度為2.61,黏土分類為CL(低液限黏土)。摻礫所用礫石料為人工碎石,最大粒徑為20 mm,其級配列于表1。黏土料摻礫石量(簡稱摻礫量)為30%。所摻礫石料級配及試驗用礫質(zhì)土級配見表1所示。

    配制試驗用水泥礫質(zhì)土料時,首先將黏土樣烘干粉碎,過2 mm篩,然后按照確定的配合比將土、水泥、礫石料等摻和,攪拌均勻,加入預(yù)定質(zhì)量的水,攪拌使土與水及摻入材料均勻混合,靜置30~45 min;然后,分5層裝入制樣筒并擊實至預(yù)定密度。

    水泥礫質(zhì)土所摻水泥為325#普通硅酸鹽水泥。水泥摻入量多少以水泥摻入比wc(水泥質(zhì)量/干黏土質(zhì)量)控制。本文對 3種水泥摻入比wc(3%、5%和8%)的水泥礫質(zhì)土進(jìn)行了試驗。由于水泥在水化過程中需要吸收水分,同時考慮到最優(yōu)含水率制樣時容易壓實,因此,配料時所加入的水量包含礫質(zhì)土最優(yōu)含水率對應(yīng)的水量和水泥水化用水量??紤]水泥水化用水,水灰比(水質(zhì)量/水泥質(zhì)量)控制為0.4。

    礫質(zhì)土的最優(yōu)含水率及最大干密度依據(jù)規(guī)范[15]采用輕型擊實試驗方法確定。然后按比例將礫石(占礫石+干黏土總量的30%)、干黏土、水泥(摻入比3%、5%和8%)以及水混合后的水泥礫質(zhì)土按照礫質(zhì)土最大干密度的0.96倍(即壓實度0.96)壓實制備試樣。水泥礫質(zhì)土試樣的制樣干密度為1.854 g/cm3。

    試樣制成后,在室內(nèi)自然條件下養(yǎng)護(hù)24 h后脫模,然后用塑料袋封裝置于(20±5)℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱,齡期7 d進(jìn)行試驗。試樣采用真空飽和,各向等壓固結(jié)后排水剪切,剪切速率0.016 mm/min。

    對表1中的摻礫30%礫石土進(jìn)行4種方案試驗,即M30-0、M30-3、M30-5和M30-8,分別對應(yīng)水泥摻入比wc為0%、3%、5%和8%。每組試驗4個試樣,圍壓分別為200、500、800、1200 kPa。

    3 試驗結(jié)果及分析

    3.1 應(yīng)力-應(yīng)變特性

    圖1給出了不同水泥摻入比wc(3%、5%、8%)時摻礫量為30%水泥礫質(zhì)土不同圍壓下的主應(yīng)力差(σ1-σ3)-軸向應(yīng)變εa、體積應(yīng)變εv-軸向應(yīng)變εa關(guān)系曲線。為便于比較,圖中同時給出了不摻水泥礫質(zhì)土試樣的關(guān)系曲線。圖中曲線編號30-3-200含義:30表示摻礫量 30%、3表示水泥摻入比 3%、200表示圍壓200 kPa。

    圖1可以看出,wc=3%時,各圍壓下的(σ1-σ3)-εa關(guān)系基本為應(yīng)變硬化型,但圍壓200 kPa時εv-εa關(guān)系表現(xiàn)為剪脹,其他較高圍壓均表現(xiàn)為剪縮。隨wc的增加,(σ1-σ3)-εa關(guān)系軟化現(xiàn)象逐步增強,且軟化過渡段逐漸變陡。除wc=8%試樣在200 kPa圍壓下的 (σ1-σ3)-εa曲線呈脆性破壞外,其他曲線均與超固結(jié)土應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似,曲線上沒有明顯的折點,為光滑駝峰形,呈現(xiàn)出塑性破壞形態(tài)。圖1(a)、1(b)、1(c)均顯示,水泥摻入比一定時,隨著圍壓的升高,軟化和剪脹都逐漸減弱。上述應(yīng)力-應(yīng)變性質(zhì)與文獻(xiàn)[16]對水泥土的研究所得到的結(jié)論相似。

    圖1 不同水泥摻入比下的 (σ1-σ3)-εa-εv關(guān)系曲線Fig.1 Curves of (σ1-σ3)-εa-εvat different cement mixing ratios

    為了更清楚地分析水泥含量對應(yīng)力-應(yīng)變的影響,給出了(摻礫量30%)wc=3%、5%、8%試樣在相同圍壓下 (σ1-σ3)-εa和εv-εa關(guān)系曲線,如圖2所示。為便于比較,圖中同時給出了不摻水泥礫質(zhì)土試樣的關(guān)系曲線。

    圖2 相同圍壓下的 (σ1-σ3)-εa-εv關(guān)系曲線Fig.2 Curves of (σ1-σ3)-εa-εvunder the same σ3

    圖 2顯示,不同圍壓下,不摻水泥礫質(zhì)土的(σ1-σ3)-εa關(guān)系為硬化型,εv-εa關(guān)系表現(xiàn)為剪縮。

    圖2還可以看出,相同圍壓下,隨wc的增加,試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系軟化現(xiàn)象逐步增強,低圍壓下尤其顯著;同時,試樣的剪脹性也隨wc增大顯著增強。

    在相同圍壓下,隨wc的增加,破壞時軸向附加應(yīng)力(峰值強度)顯著增大。相對于不摻水泥情況,wc為3%、5%、8%(M30-3、M30-5和M30-8)試樣在4種圍壓下平均峰值強度分別是不摻水泥試樣M30-0的1.4倍、1.7倍和2.1倍。由此可見,即使水泥含量較少,水泥對礫石土強度提高顯著。

    根據(jù)試驗結(jié)果整理出了各試樣不同圍壓下的峰值強度,如圖3所示??梢钥闯觯谙嗤鄵饺氡认?,峰值強度 (σ1-σ3)f隨圍壓σ3的增加近似呈線性增長,可用直線擬合。圖3可以看出,不同水泥摻入比下,直線斜率相差不大,但截距隨wc增加顯著增大。

    圖3 不同水泥摻入比下 (σ1-σ3)f-σ3關(guān)系Fig.3 Relationships of (σ1-σ3)f-σ3at different cement mixing ratios

    3.2 強度特性

    作者整理了各組試驗破壞時的摩爾圓及強度包線。限于篇幅,只給出了M30-8試驗的結(jié)果,如圖4所示。可以看出,各破壞摩爾圓的包線基本為直線,因此,對本文所研究的水泥摻入比及礫石摻量下的水泥礫質(zhì)土,其強度仍可用摩爾-庫倫強度準(zhǔn)則,且強度指標(biāo)為線性,即不隨圍壓變化。

    根據(jù)試驗結(jié)果整理得試驗土料的強度指標(biāo),對應(yīng) M30-0、M30-3、M30-5、M30-8試驗,其黏聚力分別為91.2、153.5、417.4、757.9 kPa,內(nèi)摩擦角分別為25.0°、28.4°、26.9°、26.4°。可以看出,和未摻水泥礫質(zhì)土相比,水泥礫質(zhì)土的內(nèi)摩擦角φ因水泥摻入比的不同而有不同程度的提高。黏聚力c隨水泥摻入比的增加顯著增大,如試驗M30-8的c是M30-0的 8.3倍,而內(nèi)摩擦角φ隨水泥含量增加而提高的幅度較小。

    圖4 M30-8試驗的摩爾圓及強度包線Fig.4 Mohr circles at failure and strength envelopes for test M30-8

    3.3 變形特性

    為了進(jìn)一步研究水泥含量對水泥礫質(zhì)土變形性質(zhì)的影響,整理出了各試驗不同圍壓下割線模量E1(即對應(yīng) 1%軸向應(yīng)變時的割線模量)和割線模量E50(即對應(yīng)50%峰值時的割線模量)隨水泥摻入比的變化關(guān)系,如圖5所示。

    圖5 割線模量-水泥摻入比關(guān)系Fig.5 Relationships between secant moduli and cement mixing ratios

    由圖5可知,不同圍壓下,E1和E50均隨圍壓的增大而增加;在相同的圍壓下,E1和E50均隨wc的增加而增大。在200 kPa圍壓下,M30-8的模量E1和E50分別是M30-0的11.2倍和12.6倍;在1200 kPa圍壓下,M30-8的模量E1和E50分別是 M30-0的 3.7倍和6.5倍。

    由此可見,水泥含量增加對水泥礫質(zhì)土的E1和E50的提高顯著,其提高幅度隨圍壓的增加而降低。

    由于本文僅對一種摻礫量下的水泥礫質(zhì)土進(jìn)行了試驗,不能研究摻礫量對模量E1和E50的影響,僅能得出水泥含量對土料變形性質(zhì)影響的初步結(jié)論。

    為更清楚地反映水泥礫質(zhì)土模量隨圍壓變化關(guān)系,整理出了不同wc下 E1/pa隨圍壓 σ3/pa變化關(guān)系,如圖6所示,其中,pa為大氣壓力。圖6表明,盡管模量E1隨σ3有增大趨勢,但是提高wc對提高E1似乎影響更顯著。圖5(b)表明,E50隨wc、σ3的關(guān)系與E1相似,而高土石壩沉降一般占壩高 1%左右,因此,這里只整理了E1隨圍壓關(guān)系,E50關(guān)系不再整理。

    圖6 不同水泥摻入比下E1/pa-σ3/pa關(guān)系Fig.6 Relationships between E1/paand σ3/paat different cement mixing ratios

    圖6可以看出,E1與σ3關(guān)系可近似用直線擬合,而且,這些直線斜率相差不大。因此,為總結(jié)水泥礫質(zhì)土變形模量與水泥摻入比的關(guān)系,為后文研究水泥礫質(zhì)土對實際土石壩變形影響提供參數(shù),這里近似認(rèn)為不同水泥含量下E1與σ3關(guān)系直線斜率為常量k。

    整理了截距與 關(guān)系,如圖7所示。可以看出,截距與wc關(guān)系也可近似用直線表示。因此,割線模量可以近似表示如下

    式中:k、a、b為擬合參數(shù),對所試驗的水泥礫質(zhì)土,分別為36.93、212.12和36。

    要較準(zhǔn)確地分析水泥礫質(zhì)土的變形性質(zhì),還需要研究其體積變形模量或泊松比。這里,筆者擬對所試驗的水泥礫質(zhì)土的體積模量進(jìn)行研究。

    根據(jù)三軸試驗應(yīng)力路徑,其對應(yīng)軸向應(yīng)變 1%時的體積模量K1可以用此時的主應(yīng)力差和體積應(yīng)變確定,即 K1=(σ1-σ3)/(3εv),這里,類似于前面的E1,稱K1為軸向應(yīng)變1%時的割線體積模量。整理出不同圍壓下K1隨wc變化關(guān)系,如圖8所示。

    圖7 截距隨摻入比變化關(guān)系Fig. 7 Relationship between intercept and cement mixing ratio

    圖8 不同圍壓下K1-wc關(guān)系Fig.8 Relationship of K1-wcat different confining pressures

    圖8顯示,體積模量K1隨水泥摻入比變化顯著,如200 kPa圍壓下,M30-8的模量K1是M30-0的16.5倍,而 1200 kPa圍壓下,M30-8的模量K1是M30-0的4.6倍。相比之下,K1隨圍壓變化不大。整理出不同水泥含量下 K1/pa隨 σ3/pa變化關(guān)系,如圖9所示??梢越朴弥本€擬合,且直線的斜率和截距隨wc表現(xiàn)出較好地規(guī)律性,如圖10所示。圖10表明,斜率與wc可近似用直線擬合,而截距與wc關(guān)系可用二次函數(shù)擬合。

    因此,割線體積模量K1可近似用下式表示:

    式中:k、s、a、b、c為擬合參數(shù),對所試驗的水泥礫石土,分別為 4.58 k=-、s=22.9、a=24.77、b=37.50和c=66.5。

    圖9 不同水泥摻入比下K1/pa-σ3/pa關(guān)系Fig.9 Relationships between K1/paand σ3/paat different cement mixing ratios

    圖10 斜率和截距隨水泥摻入比變化關(guān)系Fig.10 Variations of slope and intercept vs. wc

    4 水泥礫質(zhì)土對減小沉降作用的分析

    上節(jié)式(1)和式(2)給出了水泥礫質(zhì)對應(yīng)于應(yīng)變 1%時的楊氏變形模量和體積模量。盡管圖 1表明水泥礫質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有明顯的非線性,但在軸向應(yīng)變小于1%時,非線性相對較弱,因此,可用式(1)和式(2)確定的模量來定性分析其變形性質(zhì)。

    因此,為更清晰地顯示出水泥礫質(zhì)土對減小高土石壩心墻沉降的作用,作者借用某280 m高的心墻堆石壩設(shè)計剖面,并對其等比例縮小或放大,分別建立了200、300、400 m高的心墻堆石壩三維有限元模型。大壩最大橫剖面如圖11所示。

    計算時,分別考慮心墻為wc=0%、3%、5%、8%情況的礫質(zhì)土或水泥礫質(zhì)土,其彈性模量和體積模量分別用式(1)和式(2)計算。堆石料、過渡料和反濾料(密度分別為2.23、2.17、2.20 g/cm3)采用實際大壩的設(shè)計參數(shù)(采用鄧肯-張E-ν模型),如表2所示。不考慮蓄水情況,計算結(jié)果列于表3。

    圖11 大壩最大橫剖面Fig.11 The maximum cross-section of dam

    表2 心墻堆石壩計算參數(shù)Table2 Parameters of core rockfill dam

    表3 各方案下心墻最大沉降(單位: cm)Table3 Maximum settlements of the core wall under different schemes (unit: cm)

    表3可以看出,對水泥礫質(zhì)土心墻堆石壩,隨心墻料wc的增加,心墻最大沉降逐漸減小,而且,在wc較低時,同樣的wc增量引起的沉降減小幅度更加顯著。200 m壩高,心墻料wc=8%的心墻沉降是不含水泥的礫質(zhì)土心墻沉降的26.8%;400 m壩高,wc=8%的心墻沉降為不含水泥的礫石土心墻沉降的40%。水泥礫石土對減小心墻堆石壩沉降效果非常顯著。

    如前所述,由于礫質(zhì)土摻水泥后脆性增強,發(fā)生剪切破壞后滲透性能否滿足心墻抗?jié)B要求,還有待于深入研究。但是,從前面的試驗結(jié)果可以看出,水泥摻量較低、壓力較高時水泥礫質(zhì)土基本均表現(xiàn)為剪縮,由此也可初步判斷即使發(fā)生剪切破壞,其滲透系數(shù)可能不會顯著增大,當(dāng)然,需進(jìn)一步研究。

    作者也同時進(jìn)行了水泥礫質(zhì)土的滲透性試驗(將另文介紹),結(jié)果表明,其滲透系數(shù)比未摻水泥情況低。因此,作者認(rèn)為,這種材料用作心墻料是有可能的。但是,在高壩中應(yīng)用這種材料時,不一定整個心墻都用,比如,可考慮只用在大壩的中下部應(yīng)力較高區(qū)域,且類似于礫質(zhì)土心墻的做法,在剪切變形較大的地方設(shè)置接觸黏土。土石壩有限元計算結(jié)果表明,心墻剪切變形較大的部位在壩肩及與岸坡接觸部位,其他部位應(yīng)力水平較低。因此,只要局部做好過渡,完全有應(yīng)用的可能。當(dāng)然,水泥、礫石摻量的多少能達(dá)到較優(yōu)性能,必須進(jìn)行相關(guān)研究。

    5 結(jié) 論

    (1)在不同圍壓條件下,不摻水泥礫質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均為硬化型;隨水泥摻量的增加,水泥礫質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出不同程度的軟化現(xiàn)象,在低圍壓(200 kPa)高水泥摻入比(8%)下軟化現(xiàn)象比較顯著。

    (2)在相同圍壓條件下,隨水泥摻入比的增加,水泥礫質(zhì)土試樣的剪脹性顯著增強,但水泥摻入比一定時,隨著圍壓的升高,剪脹呈逐漸減弱趨勢。

    (3)水泥礫質(zhì)土的強度指標(biāo)隨水泥含量的增加而增大,尤其對黏聚力c影響比較顯著;而對內(nèi)摩擦角φ提高幅度有限。

    (4)礫質(zhì)土摻入水泥后,其變形模量顯著提高,割線彈性模量E1和體積模量K1均隨水泥摻量的增加大幅提高。

    (5)不同高度的心墻堆石壩三維有限元算例表明,水泥礫質(zhì)土作為心墻材料可以顯著降低土石壩心墻沉降,從而達(dá)到有效減輕心墻應(yīng)力拱效應(yīng)的目的。

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