土石混合料固結(jié)濕化變形試驗研究

張延億，鄧 剛，張茵琪，王俊鵬，陳 輝，王曉慧

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100048；2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100048）

1 研究背景

堆石料的濕化變形是指在一定荷載條件下堆石材料因浸水軟化或顆粒礦物軟化而導(dǎo)致顆粒產(chǎn)生滑移、破碎和重新排列而產(chǎn)生的變形[1-2]。相關(guān)工程案例總結(jié)[3]和大壩變形監(jiān)測資料[4-6]反映出，蓄水濕化易使壩體產(chǎn)生濕陷變形[7]和不均勻沉降[8]，進而損壞大壩防滲體系和結(jié)構(gòu)體系，影響工程運行安全。堆石料濕化變形試驗研究主要采用的是以圍壓力和應(yīng)力水平為組合條件的三軸濕化試驗。三軸儀可模擬較為復(fù)雜的應(yīng)力條件，也能獲取較多的試驗參數(shù)，但因其試驗控制和量測系統(tǒng)較為復(fù)雜，試驗結(jié)果的影響因素較多。采用固結(jié)儀進行濕化試驗，僅需控制豎向應(yīng)力，量測豎向變形，試驗條件較為簡便，影響因素較少，成果較為可靠。相比人工填筑堆石壩通常有較為嚴格的壩料級配控制要求，堰塞壩為山體崩塌自然堆積而成，堆積料內(nèi)部物質(zhì)組成差異明顯（大部為土石混合料），材料空間分布極不均勻，材料級配組成通常具有顯著的寬級配特征。土石混合料的濕化變形也將是堰塞壩變形控制和長期穩(wěn)定安全的重要影響因素。

本文以紅石巖堰塞壩土石混合料為研究對象，選擇反映寬級配特征的三組代表性試驗材料，采用固結(jié)儀開展大型單軸固結(jié)濕化試驗研究。分析豎向應(yīng)力和材料級配對濕化變形的影響規(guī)律，提出固結(jié)濕化經(jīng)驗?zāi)Ｐ图澳Ｐ蛥?shù)，可為寬級配特征條件下粗粒料的濕化特性研究積累經(jīng)驗。

2 試驗方案

2.1 試驗材料試驗材料取自云南牛欄江紅石巖堰塞壩左岸古滑坡體平洞料場，結(jié)合鉆孔顆粒分析結(jié)果，選擇3 組代表性的壩體材料，其中粗顆粒含量較多的試驗材料，命名為Line1，各粒組分布相對連續(xù)且較為均勻的試驗材料，命名為Line2，細顆粒含量較多的試驗材料，命名為Line3。Line2 材料的級配值也為Line1和Line3的平均值。

原級配混合料的最大粒徑為600 mm，濕化試驗的試樣直徑為300 mm，根據(jù)《土工試驗方法標準》[9]要求需對土石混合料進行級配縮尺，以滿足試驗土料顆粒直徑小于1/5 試樣直徑的要求。根據(jù)材料級配特征，分別采用混合法對Line1和Line2、采用剔除法對Line3 試驗材料進行縮尺，縮尺后混合料的最大粒徑均為60 mm?？s尺前后材料級配曲線見圖1，試驗材料級配各粒組含量見表1。

圖1 試驗材料原始級配和試驗級配曲線

表1 試驗材料顆粒級配 （粒徑單位：mm）

2.2 試驗密度為便于進行試驗結(jié)果對比分析，試驗控制密度采用相同的相對密度（Dr=0.8）所對應(yīng)的干密度值。相對密度試驗中的最小干密度采用固定體積法，人工用小鏟將風(fēng)干后攪拌均勻的試驗材料輕輕填入試樣筒，裝填完對試樣表面整平，由裝填料的重量和充填后試樣的體積計算最小干密度。最大干密度采用表面振動法，試樣筒內(nèi)徑300 mm，高度340 mm。擊實器靜壓強14 kPa，振動頻率50 Hz，每次試驗擊實兩次，單次振動8 min。試驗結(jié)果及試驗控制密度見表2。

表2 試驗密度 （單位：g/cm3）

2.3 濕化試驗堆石料濕化變形試驗方法通常分為單線法和雙線法。單線法是在設(shè)定應(yīng)力條件下保持應(yīng)力水平恒定，試樣由干態(tài)浸水濕化至變形穩(wěn)定。雙線法是分別開展風(fēng)干狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的試驗，計算對應(yīng)同一應(yīng)力條件兩種狀態(tài)變形的差值。較多學(xué)者研究認為[10-11]，單線法模擬的濕化過程與堆石壩實際浸水過程較為接近，濕化試驗采用單線法較為符合實際。孫振遠[10]采用大型壓縮儀進行濕化變形研究后也建議采用單線法。

試驗研究采用單線法，將試驗過程劃分為兩個階段，第一階段是將風(fēng)干材料按密度要求進行制樣，然后分級施加豎向荷載至設(shè)計應(yīng)力水平，初始應(yīng)力為50 kPa，后續(xù)應(yīng)力等級為前一級的1倍，待每級應(yīng)力下試驗變形穩(wěn)定后施加下一級應(yīng)力。第二個階段為待風(fēng)干材料達到設(shè)計應(yīng)力條件且變形穩(wěn)定后，保持該豎向應(yīng)力條件不變，使試樣自下而上逐漸濕化飽和，濕化速率控制10 mm/min，直至濕化變形穩(wěn)定。

已有的相關(guān)研究成果中，兩個階段試樣變形穩(wěn)定標準尚未形成統(tǒng)一的標準。參照《土工試驗方法標準》[9]的建議和已有學(xué)者的研究成果[13-15]，本文以軸向變形速率作為判穩(wěn)依據(jù)，兩個階段的變形穩(wěn)定標準均為軸向應(yīng)變≤0.01 mm/10min。

3 試驗成果分析

試驗材料在800、1600和3200 kPa 三種豎向應(yīng)力條件下典型的濕化應(yīng)變時程曲線見圖2和圖3。圖示反映出，濕化變形初始階段的變形速率較快，隨著試驗時間的增加，變形速率逐漸趨緩。豎向應(yīng)力大小也對變形最終量值有顯著影響。符合一般的濕化變形發(fā)展規(guī)律。

三組材料對應(yīng)3種豎向應(yīng)力條件下的濕化變形量值見表3。其中：濕化變形為試驗第二階段的變形量值，濕化應(yīng)變?yōu)闈窕冃闻c濕化開始時試樣高度的比值，濕化變形占全部變形的比例為濕化變形與兩個階段變形的比值。結(jié)果表明：三組試驗材料對應(yīng)的濕化應(yīng)變最大值為1.06%，最小值為0.13%，反映出濕化應(yīng)變絕對值并不高。但從濕化變形占試樣全部變形比例約19.9%～41.77%可以看出，濕化變形在總變形中的比例也是較為顯著的。

根據(jù)試驗階段浸水濕化控制速率，試樣濕化時間約為30 min。為對比分析不同階段的濕化變形量值，也可以此將濕化變形劃分為濕化瞬時變形和濕態(tài)流變變形[16]，濕化瞬時變形是堆石料隨浸水飽和過程發(fā)生的變形，濕態(tài)流變變形是堆石料試樣在浸水飽和完成后發(fā)生的隨時間的變形?？梢园l(fā)現(xiàn)，材料級配特征對瞬時變形量值及其變化規(guī)律均有較為顯著的影響。

圖2 Line1 濕化應(yīng)變與時間關(guān)系曲線

圖3 line3 濕化應(yīng)變與時間關(guān)系曲線

表3 濕化變形成果

圖4 濕化應(yīng)變與豎向應(yīng)力關(guān)系曲線

3.1 豎向壓力的影響濕化應(yīng)變時程曲線反映出，豎向應(yīng)力對其量值大小和變化規(guī)律有顯著影響。將三組試驗材料的濕化應(yīng)變與豎向應(yīng)力繪制在圖4?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著豎向應(yīng)力的增加，濕化應(yīng)變有較為明顯的增加趨勢，并可較好地用對數(shù)曲線的關(guān)系來描述。同時發(fā)現(xiàn)，豎向應(yīng)力在相對較低范圍內(nèi)時增加時所引起的濕化應(yīng)變增加幅度要比其在較高范圍內(nèi)增加時更為顯著。分析認為，豎向應(yīng)力的增大，會顯著增加粗顆粒間的接觸應(yīng)力，致使顆粒及顆粒棱角破碎化加劇，顆粒位置更容易發(fā)生調(diào)整、轉(zhuǎn)移以及重新排列，最終導(dǎo)致濕化變形量值增加。

3.2 級配特征的影響濕化變形影響因素研究成果中，李廣信[17]認為細顆粒遇水易于浸透及產(chǎn)生毛細管力對濕化變形影響較大，P.Anthiniac[18]、Ordemir[19]以及保華富[20]等學(xué)者的研究也認為材料級配是影響濕化變形的主要因素。因此，進一步分析材料級配特征對固結(jié)濕化變形的影響規(guī)律。

材料級配特征（見表4）反映出，Line1的＜5 mm 含量遠小于另外兩組材料，且除不均勻系數(shù)外級配特征值均為最大，反映出該級配材料具有粗顆粒為主且級配不均勻的特征。相反地，Line3的＜5 mm 含量約為Line1的2倍，且除不均勻系數(shù)外級配特征值均為最小，說明其材料以細顆粒為主且級配不均勻。而Line2的＜5 mm 含量和大部分特征值均居中，且屬于級配良好材料。從濕化變形結(jié)果（見表3）可以看出，Line1 總的濕化應(yīng)變最小，瞬時濕化應(yīng)變占比最高，800 kPa時高達93%；Line3 總的濕化應(yīng)變較大，瞬時濕化應(yīng)變占比最低；Line2的濕化應(yīng)變量值與Line3 接近。

由此分析認為，細顆粒含量為材料濕化變形的主要影響因素。一般地，細顆粒含量高且級配均勻的材料，其濕化變形量值較大。而當細顆粒含量較低時，其濕化變形量值較小，且其濕化變形主要發(fā)生在浸水過程中，也反映出細顆粒含量對濕化變形的影響程度較因粗顆粒表面棱角浸水軟化的影響更為顯著。

表4 試驗材料級配特征

4 固結(jié)濕化模型和模型參數(shù)

如前所述，已有學(xué)者的研究主要是采用三軸儀在圍壓力和應(yīng)力水平組合條件下開展?jié)窕冃卧囼炑芯?，濕化模型主要分析的是濕化軸向應(yīng)變、濕化剪切應(yīng)變或濕化體積變形與圍壓力或應(yīng)力水平的關(guān)系。其中濕化軸向應(yīng)變與應(yīng)力水平之間的對應(yīng)關(guān)系與單軸固結(jié)濕化試驗中軸向變形和豎向應(yīng)力的關(guān)系較為接近，主要有雙曲線關(guān)系[21-24]、指數(shù)函數(shù)關(guān)系[10，25]以及與平均主應(yīng)力呈冪函數(shù)關(guān)系[26]等多種類型。

從三組土石混合料單軸固結(jié)濕化試驗過程曲線可以看出，Line2和Line3 兩組材料在不同豎向應(yīng)力條件下的材料濕化變形呈現(xiàn)相同規(guī)律，即濕化應(yīng)變與濕化時間在常對數(shù)坐標下呈較好的雙曲線關(guān)系特征。如前分析，Line1 材料因級配特征值均較小且＜5 mm 含量較低，其在浸水過程中的濕化應(yīng)變規(guī)律有一定差異。為便于對比分析，將三組材料的變化規(guī)律均按雙曲線關(guān)系來描述。

以濕化變形時間tw為橫軸，濕化應(yīng)變εw為縱軸，采用雙曲線的函數(shù)表達式描述為：

式中： εw為濕化應(yīng)變，%；tw為濕化時間，h；a和b為模型參數(shù)。

變換縱坐標后可表達為：

以濕化時間tw為橫軸，濕化時間與濕化應(yīng)變的比值為縱軸，將三組試驗材料在不同豎向應(yīng)力條件下的濕化應(yīng)變繪制在一起，可以發(fā)現(xiàn)過程曲線均可用線性函數(shù)關(guān)系較好表達?？紤]到浸水濕化初期變形受材料級配等的影響較大，直接從起始階段進行描述會影響對后期濕化變形規(guī)律的預(yù)測，因此采用從浸水完成（也即濕化時間達到30 min）開始繪制曲線，見圖5和圖6。

圖5 Line1 材料的～tw 關(guān)系曲線

圖6 Line3 材料的～tw 關(guān)系曲線

將圖示曲線采用線性函數(shù)關(guān)系式進行擬合，參數(shù)a為與縱軸的截距，即為起始濕化應(yīng)變速率的倒數(shù)；參數(shù)b為擬合直線的斜率，即為濕化應(yīng)變極限值的倒數(shù)。參數(shù)a 越大，起始濕化變形隨時間發(fā)展越慢，參數(shù)b 越大，最終的濕化應(yīng)變值越小。

從參數(shù)a和參數(shù)b 值的變化規(guī)律可以看出，兩項參數(shù)均與豎向應(yīng)力相關(guān)。分別以a和b 兩個參數(shù)為縱軸，以豎向應(yīng)力σa/pa（pa取100 kPa）為橫軸繪制曲線，見圖7和圖8。

可以發(fā)現(xiàn)，參數(shù)a和參數(shù)b與豎向應(yīng)力之間均可用冪函數(shù)關(guān)系式較好地描述，表達為：

式中：參數(shù)s、t和參數(shù)m、n 均為試驗擬合參數(shù)。據(jù)前述計算公式，分別整理出了三組試驗材料的模型參數(shù)，如表5所示。

將式（3）和式（4）代入式（1）可得，單軸固結(jié)濕化的經(jīng)驗?zāi)Ｐ凸綖椋?/p>

圖7 參數(shù)a與σa 關(guān)系曲線

圖8 參數(shù)b與σa 關(guān)系曲線

表5 濕化模型參數(shù)匯總表

圖9 Line1 試驗結(jié)果與模型時程曲線

圖10 Line2 試驗結(jié)果與模型時程曲線

圖11 Line3 試驗與模型時程曲線

表6 試驗結(jié)果與模型結(jié)果

將表5中的模型參數(shù)代入濕化模型表達式（5），可計算出濕化應(yīng)變模型過程數(shù)據(jù)。典型的試驗曲線和模型曲線對比分別見圖9—圖11。對比發(fā)現(xiàn)，對于Line2和Line3 兩組材料，模型反映的濕化應(yīng)變時程規(guī)律與試驗過程能較好地符合。對于Line1 材料，受其級配特征值均偏小且＜5 mm 含量較小的影響，濕化浸水過程的變化規(guī)律存在差異，但濕化變形后期的發(fā)展較為符合。通過對比表6中試驗結(jié)束時的濕化應(yīng)變與模型試驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)除個別值外，三組材料試驗結(jié)果與模擬擬合計算值之間的差異均較小。由此說明，基于單軸固結(jié)濕化應(yīng)變試驗建立的濕化經(jīng)驗?zāi)Ｐ涂梢暂^好地反映材料濕化變形特征。

5 結(jié)論

采用固結(jié)儀對具有寬級配特征的三組堰塞壩土石混合料開展了單線法固結(jié)濕化試驗研究，分析了濕化變形的發(fā)展規(guī)律。研究表明：（1）濕化變形初始階段的變形速率較快，隨著試驗時間的增加，變形速率逐漸趨緩。濕化應(yīng)變絕對值不高，但在試樣變形中的占比不容忽視。（2）試驗材料的級配特征顯著影響濕化應(yīng)變量值。當級配特征值均較小且細顆粒含量較高的材料，其濕化應(yīng)變量值較大，而級配特征值較大且細顆粒含量較低的材料，其濕化應(yīng)變量值較小。（3）豎向應(yīng)力對濕化應(yīng)變有顯著的影響。濕化應(yīng)變隨著豎向應(yīng)力的增加呈對數(shù)增加趨勢，且在高應(yīng)力范圍內(nèi)應(yīng)力增加時流變變形增量更為顯著。（4）根據(jù)試驗成果建立了四參數(shù)雙曲線型的固結(jié)濕化經(jīng)驗?zāi)Ｐ停Ｐ湍茌^好地反映材料濕化變形特征，模擬結(jié)果較為準確。

受本文采用的研究對象、試驗控制條件等方面的限制，研究結(jié)論存在一定局限性。此外，根據(jù)試驗所得濕化變形規(guī)律如何預(yù)測實際工程變形，也還需要進一步的深入研究。