水布埡堆石料三軸試驗中橡膠模嵌入量修正及影響因素探究

葉　朗

(三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖北 宜昌　443002)

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水布埡堆石料三軸試驗中橡膠模嵌入量修正及影響因素探究

葉朗

(三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖北 宜昌443002)

摘要：粗粒料的大型三軸試驗中，為了取得較為精確的體變數(shù)據(jù)，必須對橡膠膜的嵌入量進行修正．而橡膠膜的嵌入量由試樣側(cè)表面的孔洞、膜間自由水、試樣表面的疏松層以及橡膠膜張力的變化等因素造成．張丙印論證了等向固結(jié)試驗校正法校正橡膠膜嵌入量的合理性，發(fā)現(xiàn)了橡膠膜嵌入量大小與圍壓的關(guān)系可以用雙曲函數(shù)來表示．三峽大學(xué)粗粒土實驗室利用水布埡堆石料進行了大量常規(guī)三軸試驗，取得了一系列有效的數(shù)據(jù)，通過對試驗中橡膠膜嵌入量的校正計算得出一些規(guī)律．

關(guān)鍵詞：粗粒料；三軸試驗；嵌入量；校正

粗粒料是目前最常用的筑壩材料，對其本構(gòu)特性的研究依賴于大型常規(guī)三軸試驗，在一定的圍壓下進行更接近于工程實際的試驗，而實驗設(shè)備的缺陷和試驗技術(shù)的不足使得實驗中出現(xiàn)誤差在所難免．這時候如何最大限度消除誤差，如橡膠膜嵌入量的影響就顯得非常重要．Newland P L和Allely B H[1]等采用了很多方法來減少或消除橡膠膜嵌入的影響，諸如在膜與試樣問放人小塊薄銅片、涂液體橡膠薄層、涂聚氨脂或硅橡膠等，但有些做法在大型三軸試驗誤差過大．可以通過等向固結(jié)試驗校正法來對嵌入量進行計算校正．

1等向固結(jié)試驗校正法

根據(jù)等向固結(jié)試驗的成果，可以回歸出橡皮膜的嵌入量和側(cè)壓力的關(guān)系．由于膜嵌入量的主要因素為側(cè)壓力，應(yīng)力路徑對其影響很小，故上述用等向固結(jié)試驗法所求得的膜嵌入量與側(cè)壓力的關(guān)系式可直接推廣應(yīng)用于等應(yīng)力比及其他應(yīng)力路徑的三軸試驗中．上述方法簡單實用，不需增加任何附加的試驗設(shè)備．

等向固結(jié)試驗校正法影響因素：1)試樣各向異性的影響．試樣各向同性假設(shè)是三軸試驗的一個普遍．2)不同試樣的差異．即使是嚴格控制制樣程序，不同試樣間側(cè)面麻面的差異將對精度產(chǎn)生明顯影響．3)試驗中軸向變形和孔隙水壓力量測精度的影響．軸向變形的量測精度越高，嵌入量的計算也越能使實驗結(jié)果準確[2]．張丙印等對關(guān)門山主堆石料、西北口石渣料等石料試驗的嵌入量進行了驗證，根據(jù)校正后等應(yīng)力比成果反算的石渣料的側(cè)壓系數(shù)值的修正結(jié)果對工程實際進行演算，發(fā)現(xiàn)結(jié)果非常合理．而校正橡皮膜嵌入量后所得的等應(yīng)力比成果，不但其自身的規(guī)律性較好，而且同壓縮試驗的成果相符．這表明，用等向固結(jié)試驗法校正橡皮膜的嵌入量是可行和合理的，能滿足試驗的要求．

2橡膠膜的嵌入量

三峽大學(xué)粗粒土實驗室采用的試驗土料是水布埡大壩主堆石料料場采集的粗粒料，其顆粒級配曲線如圖1所示．試驗土料的最大粒徑為60 mm，制樣密度為2.18 g/cm3．

圖1　顆粒級配曲線

試驗時，首先綁好橡膠膜，分5層干法填裝試料，每一層填裝時，用重錘擊實，并使試驗土料與橡皮膜接觸的孔隙用1～2 mm細砂填塞，以保證試樣側(cè)表面的光滑，盡量減少試樣固結(jié)時的橡皮膜嵌入．采用振動器表面振動密實使試料達到要求的干密度．制樣完成后，采用抽氣飽和法使試樣飽和，通過軟件控制飽和、固結(jié)、加載、剪切、卸載等全部過程．

在等向固結(jié)實驗中，量測到的排水量ΔV可視為兩部分組成：一是骨架正常變形ΔVS，二是橡膠膜的嵌入量ΔQ，有

假設(shè)試樣為各向同性，在圍壓σ3作用下，有

根據(jù)《土工試驗規(guī)程SL_237-1999》表5.1.1.

圖2　規(guī)范中試樣尺寸變化計算

可得固結(jié)后試樣體積：

則有

其中，因試樣直徑應(yīng)變和高度應(yīng)變并不相同，經(jīng)過多次試驗的體變數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)實際結(jié)果中，應(yīng)對式(2)中系數(shù)3取修正量2.97(經(jīng)多次實測)，則

整理得

由此，結(jié)合試驗修正以及等向固結(jié)試驗校正法[3]，可計算嵌入量的具體數(shù)值．

3數(shù)據(jù)計算與分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)的情況選取12組圍壓下的實驗數(shù)據(jù)(0.2，0.45，0.8，1.0，1.2，1.4，1.6，1.8，2.15，2.5，2.7，3.0 MPa)進行分析計算．

1)雙藍布的影響

暫將實驗數(shù)據(jù)分為加雙藍布和不加雙藍布兩組．通過式(3)求出的值與圍壓作出如圖3、圖4所示擬合曲線．

圖3　有雙藍布

圖4　無雙藍布

橡膠模嵌入量ΔQ大部分在低圍壓的情況下完成，且與圍壓σ3呈雙曲線型規(guī)律，可用下式歸納：

式中，A，B為試驗常數(shù)，分別為擬合直線上的截距和斜率．修正數(shù)據(jù)分別見表1和表2．

表1　加雙藍布(A=19 497，B=2 519.3)

表2　不加雙藍布(A=-765.28，B=4 065.4)

其中，A，B為試驗常數(shù)，ΔV為排水量，ε1為修正前的軸變，ε為修正后的軸變．

計算修正數(shù)據(jù)顯示，兩組所求得的嵌入量都較小，體變的變化幅度可忽略不計，有雙藍布試驗組的嵌入量平均值0.039 45 ml，無雙藍布試驗組的嵌入量平均值0.024 6 ml．

結(jié)論：①有雙藍布和無雙藍布試驗組的嵌入量都較小，不需修正．②有雙藍布試驗組的嵌入量是無雙藍布試驗組的1.6倍．

2)橡膠膜層數(shù)的影響

此次試驗選擇的是水布埡大壩堆石料，選取的試驗組有0.2(2組)，0.45，0.8，1.0，1.2，1.4(2組)，1.6，1.8(3組)，2.15，2.5，2.7，3.0 MPa．根據(jù)以上等向固結(jié)校正法，整理結(jié)果如圖5～6所示．

圖5　定參數(shù)A，B

圖6　嵌入量與圍壓的雙曲線函數(shù)關(guān)系

由圖5可確定參數(shù)A=-765.28，B=4 065.4，由此可計算；由圖6可發(fā)現(xiàn)嵌入量的數(shù)值是關(guān)于圍壓的雙曲函數(shù)．

由表3～5中計算嵌入量修正的數(shù)據(jù)顯示，雙層膜和3層膜試驗組的嵌入量非常接近，而且兩組所求得的嵌入量都較小，體變的變化幅度可忽略不計；單層膜到雙層膜軸變的平均修正率為1.984%，而雙層膜到3層膜的軸變的平均修正率為0.562%．

表3　圍壓0.2 MPa，單層膜和雙層膜

表4　圍壓1.4 MPa，雙層膜和3層膜

表5　圍壓1.8 MPa雙層膜和3層膜

由以上3組實驗對比發(fā)現(xiàn)：1)橡膠膜的層數(shù)對嵌入量的影響比較小，可以忽略．2)試樣加第一層膜比加第二層膜產(chǎn)生的嵌入量對軸變修正產(chǎn)生的影響大．

4結(jié)論

橡膠膜嵌入量是影響試驗精度的主要因素，應(yīng)該予以校正，消除影響．但是，通過在試樣制備階段的一些工藝，比如人工擺放石料并在周邊填撒細沙，或者通過薄壁金屬圓筒用滑筒法等方法裝填[4]，雖然不能完全消除橡皮膜嵌入的影響，但都能有效降低其對體變的影響．本文結(jié)論有：

1)裝填試樣時套兩層膜可以同時有效降低嵌入量帶來的誤差和橡膠模約束帶來的影響，而同時膜的材質(zhì)的選取對嵌入量大小也有較大影響，本批實驗所采用的橡膠膜可有效控制嵌入量．

2)裝填試樣時在橡膠膜內(nèi)壁附上一層雙藍布雖然能有效保護橡膠膜，但是帶來的嵌入量是原來的1.6倍，這使體變數(shù)據(jù)的誤差增大．

此外，本批次試驗中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明：在試樣周圍填充0.1～0.25 mm細砂以及采用振動器擊實等方法不僅保證了裝料的均勻性，還可以使試樣側(cè)表面在排水固結(jié)時光滑，有效地消除粗粒土試樣橡膠膜嵌入對試驗結(jié)果的影響．

等向固結(jié)校正法可以準確度量大型三軸試驗中橡膠膜的嵌入量，除了橡膠膜嵌入量對軸變體變的影響，還有橡皮膜因?qū)υ嚇赢a(chǎn)生徑向約束作用對試樣的排水強度產(chǎn)生的較大影響，并且這種影響隨著試樣徑向應(yīng)變的增大而增大，合理的校正方法是建立在橡皮膜影響與試樣的徑向應(yīng)變的關(guān)系上的．但是，橡皮膜對試樣強度及破壞形式的影響不僅與橡皮膜的尺寸、厚度、剛度等因素有關(guān)，而且與試樣的性質(zhì)、試驗方法、條件等因素有關(guān)．本文就其中嵌入量的一部分影響因素進行了探討，其它影響因素有待進一步的分析驗證．

參考文獻：

[1]Newland P L，Allely B H. Volume Changes During Undrained Triaxial Tests on Saturated Dilatant Granular Materials[J]．Geotechnique，1959，9．

[2]王昆耀，常亞屏，陳寧.粗粒土試樣橡皮膜嵌入影響的初步研究[J]．大壩觀測與土工測試，2000，24(4)：45-49．

[3]張丙印，呂明治，高蓮士.粗粒料大型三軸試驗中橡皮膜嵌入量對體變的影響及校正[J]．水利水電技術(shù)，2003，34(2)：30-33．

[4]王洪瑾．三軸試驗中橡皮膜順變性對體積變化和孔隙水壓力的影響[J]．巖土工程學(xué)報，1985，7(1)：76-84．

[責(zé)任編輯周文凱]

The Research on Embedded in the Ammount of Rubber Mold and

Correction Factors in Triaxial Tests on Shuibuya Rockfills

Ye Lang

(College of Civil Engineering & Architecture, China Three Gorges Univ., Yichang 433002, China)

AbstractIn order to obtain more accurate data of volume change in the large-scale triaxial tests of coarse aggregate, the amount of embedded rubber membrane needs to be amended. The amount of the rubber film is embedded in the hole from the side surface of the specimen; the membrane between the free water and changes the loose layer rubber film tension specimen surface factors. Zhang Bingyin has proved to rationality of isotropic consolidation tests correction method to correct the rubber membrane penetration and found the relationship between the size of a rubber membrane penetration; and the confining pressure can be represented by hyperbolic function. The Coarse Grained Soil Laboratory of China Three Gorges University conducted a lot of conventional triaxial tests on Shuibuya rockfills and obtained a series of valid data.By correcting the calculation of the amount of testing embedded rubber membrane, we can draw some useful rules.

Keywordscoarse grained soil;triaxial test;embedding amount;correction

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51379068、51139001)；江蘇省杰出青年基金項目(BK20140039)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20120094110005、20120094130003)

收稿日期：2015-06-25

中圖分類號：TU458+.3

文獻標識碼：A

文章編號：1672-948X(2015)06-0038-04

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.008

通信作者：葉朗(1990-)，男，碩士研究生，主要從事粗粒土工程特性研究．E-mail：734246589@qq.com