母巖性質(zhì)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 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029；2.南京水利科學(xué)研究院 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，南京 210029）

土石壩筑壩材料主要以棱角明顯的堆石料和渾圓度較好的砂礫料為主，其強(qiáng)度和變形特性事關(guān)到土石壩的安全運(yùn)行，因此國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)粗顆粒材料的靜、動(dòng)力特性開展了大量的研究工作，取得了一定的成果［1－5］.母巖性質(zhì)是影響粗顆粒材料動(dòng)力特性的重要因素，主要包括顆粒大小、形狀、強(qiáng)度以及表面粗糙程度等，粗顆粒材料的動(dòng)力特性與它們有著緊密的聯(lián)系，其中某一因素的變化必然會(huì)引起其動(dòng)力特性的改變.對(duì)于爆破開采的堆石料，多棱角，表面粗糙，在高應(yīng)力的作用下易產(chǎn)生棱角破碎；相應(yīng)于堆石料，砂礫料顆粒則是顆粒比較光滑，渾圓度較好，不易被壓碎，抗剪強(qiáng)度較高，但在施工過程中易離析，帶來滲透系數(shù)偏低［6］.在上述兩大類的材料中，同時(shí)還會(huì)存在風(fēng)化程度的影響，目前大部分土石壩工程壩體填筑料中均會(huì)或多或少地存在強(qiáng)風(fēng)化料，常規(guī)設(shè)計(jì)是將這部分料和一些強(qiáng)度較高的粗顆粒材料混合起來布置在壩體下游上部區(qū)域，由于強(qiáng)度較低的母巖摻入，同樣會(huì)降低混合料的動(dòng)力特性，它們對(duì)土石壩抗震性能的影響也是一個(gè)值得關(guān)注的問題.

針對(duì)上述問題，試驗(yàn)挑選母巖性質(zhì)中強(qiáng)度和顆粒形狀這兩個(gè)主要因素，分別研究其對(duì)粗顆粒材料動(dòng)力特性的影響.

1 試驗(yàn)方案及過程

試驗(yàn)挑選不同強(qiáng)度和顆粒形狀的粗顆粒材料，分別研究母巖性質(zhì)的變化對(duì)其動(dòng)力特性的影響.試驗(yàn)設(shè)備選用大型動(dòng)三軸剪切儀，試樣尺寸為Φ300mm×700mm，試驗(yàn)所用試樣處于自然風(fēng)干狀態(tài)，分60～40 mm、40～20mm、20～10mm、10～5mm、5～0mm 5種粒徑范圍進(jìn)行試樣的制備，裝樣過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.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)要求開展不同類型的動(dòng)力特性對(duì)比試驗(yàn)研究.

2 母巖強(qiáng)度對(duì)粗顆粒材料動(dòng)力特性的影響

試驗(yàn)挑選的弱風(fēng)化花崗巖和弱風(fēng)化砂泥巖進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，其中弱風(fēng)化花崗巖母巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為80～150MPa，弱風(fēng)化砂泥巖母巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為30～50MPa，母巖強(qiáng)度差異較明顯.試驗(yàn)制樣密度和級(jí)配見表1.

表1 制樣密度及級(jí)配特性

兩種不同母巖強(qiáng)度的粗顆粒材料動(dòng)彈性模量試驗(yàn)結(jié)果見表2.根據(jù)前面的研究成果［7－8］，隨著孔隙率的增大，粗顆粒材料力學(xué)特性會(huì)產(chǎn)生一定降低.然而由表2，弱風(fēng)化花崗巖孔隙率比弱風(fēng)化砂泥巖大2.0%，而在相同的圍壓和固結(jié)應(yīng)力下，弱風(fēng)化花崗巖的最大動(dòng)彈性模量反而均要明顯高于弱風(fēng)化砂泥巖的，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是粗顆粒材料母巖強(qiáng)度的差異所導(dǎo)致，弱風(fēng)化砂泥巖母巖單軸抗壓強(qiáng)度明顯低于弱風(fēng)化花崗巖，母巖強(qiáng)度低、在動(dòng)荷載的作用下易被壓碎、產(chǎn)生的動(dòng)力變形大，必然導(dǎo)致最大動(dòng)彈模量值較弱風(fēng)化花崗巖會(huì)產(chǎn)生明顯降低，正是由于這種母巖強(qiáng)度的差異才導(dǎo)致了弱風(fēng)化花崗巖孔隙率大，但其動(dòng)彈性模量值不減反增這一反常的試驗(yàn)結(jié)果.表2同時(shí)還顯示，隨著圍壓由400kPa提高至2 200kPa，母巖強(qiáng)度的差異使得最大動(dòng)彈性模量增加率由13.7%增加至16.7%，強(qiáng)度高母巖動(dòng)力特性的優(yōu)勢(shì)隨著圍壓提高越明顯.

表2 不同強(qiáng)度的母巖動(dòng)彈性摸量試驗(yàn)結(jié)果

表3為不同圍壓、不同固結(jié)比作用下，不同母巖強(qiáng)度的粗顆粒材料最大動(dòng)軸向永久變形與最大動(dòng)體積永久變形對(duì)比表.由表3可以看出，永久變形試驗(yàn)成果的宏觀上與動(dòng)彈性模量試驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律性保持一致，即弱風(fēng)化花崗巖的孔隙率雖然大于弱風(fēng)化砂泥巖，但其動(dòng)永久變形同樣要明顯小于弱風(fēng)化砂泥巖.相對(duì)于弱風(fēng)化砂泥巖，弱風(fēng)化花崗巖最大動(dòng)永久軸向應(yīng)變減小了29.4%～48.0%，最大動(dòng)永久體積應(yīng)變減小了13.8%～46.2%.

表3 不同強(qiáng)度的母巖動(dòng)永久變形試驗(yàn)結(jié)果

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，提高母巖強(qiáng)度對(duì)粗顆粒材料在地震荷載下的動(dòng)力變形具有很好的抑制作用.由此高土石壩設(shè)計(jì)及施工過程中，使用母巖強(qiáng)度高的巖石作為土石壩壩體填筑材料是提高壩體整體抗震能力的一種簡(jiǎn)便易行的方法.

3 母巖顆粒形狀對(duì)粗顆粒材料動(dòng)力特性的影響

除母巖強(qiáng)度對(duì)混合料的動(dòng)力指標(biāo)具有重要影響外，母巖的顆粒形狀同樣會(huì)對(duì)混合料的動(dòng)力特性產(chǎn)生一定的影響.試驗(yàn)選渾圓度較好的砂礫石料和棱角比較明顯的灰?guī)r堆石料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)密度均采用2.22g／cm3，試驗(yàn)?zāi)M級(jí)配如圖1所示，兩種不同性質(zhì)的粗顆粒材料動(dòng)彈性模量試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表4.

圖1 級(jí)配曲線

表4 不同顆粒形狀的母巖動(dòng)彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)前人的研究成果［9－11］：級(jí)配變化導(dǎo)致混合料的力學(xué)變形特性相應(yīng)變化，細(xì)料含量相對(duì)較高的混合料的力學(xué)特性會(huì)明顯優(yōu)于細(xì)粒含量相對(duì)低的混合料的.圖1顯示，本次試驗(yàn)灰?guī)r料的細(xì)料含量為18.0%，砂礫料的細(xì)料含量為13.0%，灰?guī)r料的粗、細(xì)顆粒充填關(guān)系要優(yōu)于砂礫料，但表4顯示，在相同的圍壓和固結(jié)應(yīng)力下，砂礫料的最大動(dòng)彈性模量卻明顯要高于灰?guī)r料，究其原因，土石壩筑壩材料大多采用人工爆破等方法開采出來，往往存在很多肉眼無法看到的缺陷［12］，同時(shí)爆破開采的灰?guī)r堆石料棱角比較明顯，在地震荷載的作用下，顆粒易產(chǎn)生破碎，產(chǎn)生的動(dòng)力變形較大，而對(duì)于天然砂礫石料，由于顆粒渾圓度較好，不易被壓碎，使得混合料抵抗動(dòng)荷載的能力較強(qiáng).表4同時(shí)還顯示，隨著圍壓由400kPa提高至3 000kPa，砂礫料的最大動(dòng)彈性模量較灰?guī)r料增加率由17.0%提高至22.9%，母巖顆粒形狀對(duì)動(dòng)力特性的影響隨著圍壓的提高其優(yōu)勢(shì)性越來越明顯.

表5動(dòng)永久變形試驗(yàn)結(jié)果同樣顯示，砂礫料的最大軸向動(dòng)力永久變形較灰?guī)r料最大降低了35.2%，最大體積動(dòng)力永久變形最大降低了40.4%，這種差異性在相同圍壓下隨著動(dòng)應(yīng)力的增加逐漸增加；隨著圍壓的提高，這種差異性同樣變得越來越明顯.

表5 不同顆粒形狀的動(dòng)力永久變形試驗(yàn)結(jié)果

粗顆粒材料顆粒形狀的優(yōu)化對(duì)混合料提高其抗震能力有明顯的改善作用，因此，在高土石壩設(shè)計(jì)及施工過程中，對(duì)于壩體通過提高母巖強(qiáng)度或增加碾壓遍數(shù)均不能滿足抗震設(shè)計(jì)要求的區(qū)域，可考慮通過選用母巖渾圓度較好的粗顆粒材料來減小壩體在地震荷載作用下的變形，提高其整體抗震能力.

4 結(jié) 語

1）母巖強(qiáng)度的變化對(duì)其混合料動(dòng)力特性的影響較大，母巖強(qiáng)度越高，對(duì)應(yīng)的動(dòng)彈性模量值越大，動(dòng)永久變形量越小，這種差異性隨著圍壓的提高會(huì)變得越來越明顯.

2）爆破開采的堆石料由于顆粒存在裂隙及棱角比較明顯，在動(dòng)荷載的作用下較渾圓度好的砂礫石料易產(chǎn)生顆粒破碎，使得其動(dòng)彈性模量值產(chǎn)生一定的降低，而動(dòng)永久變形量產(chǎn)生相應(yīng)的增加.顆粒形狀的變化對(duì)混合料動(dòng)力特性的影響同樣隨著圍壓的提高會(huì)變得越來越明顯.

3）母巖性質(zhì)是影響粗顆粒材料動(dòng)力特性的重要因素，因此對(duì)于高土石壩選用母巖強(qiáng)度高、顆粒渾圓度較好的粗顆粒料作為壩體填筑材料是減小壩體在地震荷載作用下變形、提高其整體抗震能力的一種簡(jiǎn)便易行的方法.

［1］ 陳生水，韓華強(qiáng)，傅 華.循環(huán)荷載下堆石料應(yīng)力變形特性研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32（8）：1151－1157.

［2］ 張 兵，高玉峰，毛金生，等.堆石料強(qiáng)度和變形性質(zhì)的大型三軸試驗(yàn)及模型對(duì)比研究［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2008，28（1）：122－126.

［3］ Indraratna B，Wijewardena L S S，Balasubramaniam A S.Large－scale Triaxial Testing of Greywacke Rockfill［J］.Geotechnique，1993，43（1）：37－51.

［4］ 孔憲京，賈革續(xù)，鄒德高，等.微小應(yīng)變下堆石料的變形特性［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2001，23（1）：32－37.

［5］ 張克昌.堆石料的若干工程性質(zhì)［J］.浙江水利科技，1987：32－39.

［6］ 傅 華，凌 華，蔡正銀.砂礫石料滲透特性試驗(yàn)研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2010，8（4）：69－71.

［7］ 傅 華，李國英.級(jí)配和密度對(duì)粗顆粒材料強(qiáng)度和變形特性影響［A］／／第24屆全國土工測(cè)試學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集［C］.鄭州：黃河水利出版社，2005：111－116.

［8］ 傅 華，凌 華，張亞麗，等.堆石料制樣方法對(duì)其強(qiáng)度和變形特性影響［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2012，33（5）：49－52.

［9］ 郭慶國.粗粒土的工程性質(zhì)及應(yīng)用［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1998.

［10］傅 華，韓華強(qiáng)，凌 華.粗顆粒材料級(jí)配縮尺方法對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的影響［J］.巖土力學(xué)，2012，33（9）：2645－2649.

［11］傅 華，凌 華，蔡正銀.粗顆粒土顆粒破碎影響因素試驗(yàn)研究［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，37（1）：75－79.

［12］日本土質(zhì)工學(xué)會(huì).粗粒料的現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)［M］.郭熙靈，文丹，譯.北京：中國水利水電出版社，1999：32.