浸潤作用下土石壩粒料濕化變形特性研究

劉 姿

(商丘市睢陽區(qū)水務(wù)局，河南 商丘 476000)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市及農(nóng)村的生活及工業(yè)用水、農(nóng)田灌溉用水等用水需求量不斷增加，導(dǎo)致人類對(duì)水資源的依賴和利用程度不斷增加，其中修筑大壩進(jìn)行水資源的存儲(chǔ)及合理分配是目前最為常用的手段[1-2]。在眾多種類的大壩中，土石壩由于其材料堅(jiān)固、施工便捷和經(jīng)濟(jì)成本低等諸多優(yōu)勢(shì)被廣泛采用，我國現(xiàn)存的水庫大壩中土石壩占比高達(dá)95%以上[3-4]。

目前，世界范圍內(nèi)的土石壩種類較多及施工工藝較為完善。如1961年在塔吉克斯坦修建的高300 m的心墻土石壩、我國大渡河擁有高314 m的心墻堆石壩、1994年在小浪底修建的壤土斜心墻堆石壩等[5-6]。但是隨著施工環(huán)境的復(fù)雜化及施工進(jìn)度的推進(jìn)，土石壩也開始出現(xiàn)諸多的問題，如心墻滲透破壞、壩體沉降及壩頂裂縫等[7-8]?，F(xiàn)代大壩出現(xiàn)的病險(xiǎn)影響因素較多，但是其中最重要的影響因素是滲流、石料濕化變形、流變等。目前有許多學(xué)者通過改進(jìn)濕化模型及現(xiàn)場應(yīng)用相結(jié)合的方式對(duì)土石壩的濕化變形機(jī)理進(jìn)行了更加深入的研究[9-10]，但尚未形成一套較為完整的土石壩粒料濕化變形特性理論。

因此，本文在充分了解土石壩粒料濕化變形影響因素的基礎(chǔ)之上，通過室內(nèi)常規(guī)三軸試驗(yàn)，研究土石壩粒料濕化后的軸向變形和體積變形，并且根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出土石壩粒料濕化后的變形經(jīng)驗(yàn)公式，得到土石壩粒料濕化應(yīng)變模型，為更加全面了解土石壩粒料濕化變形特性提供理論基礎(chǔ)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本次試驗(yàn)所用的土石壩粒料是以某大壩筑壩粗粒料為原型，通過等效替代法進(jìn)行配制。首先根據(jù)現(xiàn)場粒料級(jí)配用相同比例的方式將粒料進(jìn)行縮小，這個(gè)過程需要維持原有級(jí)配的均勻系數(shù)，同時(shí)必須保證小于5 mm粒徑的顆粒含量不得大于30%，等效替代法計(jì)算后得到的具體級(jí)配見表1。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL 237-1999)規(guī)范，測定得到粒料的基礎(chǔ)物理力學(xué)參數(shù)，所有參數(shù)均是3次試驗(yàn)后取平均值得到的，包括最大干密度1.78×103kg/m3、最小干密度1.36×103kg/m3、相對(duì)密度0.55、摩擦角1.34°和黏聚力39.75 kPa。

表1 粒料級(jí)配

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)主要通過STX-600三軸試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)土石壩粒料的變形進(jìn)行測定，試驗(yàn)設(shè)備見圖1。該試驗(yàn)儀器主要由4部分組成：① 圍壓控制室；② 三軸壓力控制室；③ 動(dòng)力系統(tǒng)；④ 信號(hào)處理器。其中，圍壓控制室主要是提供大氣壓和負(fù)壓，如果出現(xiàn)漏氣也能通過手動(dòng)操作進(jìn)行補(bǔ)壓，同時(shí)向試樣底部注水也是通過該裝置；三軸壓力控制室能向試樣施加壓力，該設(shè)備的最大軸向力為300 kN，壓力室能承受1 MPa的壓力，試樣直徑可以設(shè)置為70、100、150和300 mm；計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)主要通過CATS軟件進(jìn)行操作。

圖1 STX-600三軸試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1.3 試驗(yàn)方法

目前最常用的濕化變形試驗(yàn)方法主要有單線法和雙線法。單線法是通過常規(guī)三軸試驗(yàn)儀對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)壓力加載，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的應(yīng)力值時(shí)保持穩(wěn)定加載，并對(duì)試樣底部進(jìn)行濕化，通過試樣達(dá)到飽和后的附加變形作為試樣的濕化變形[10]。雙線法是在同樣的應(yīng)力水平條件之下，對(duì)常規(guī)的干燥試樣和經(jīng)過濕化一定時(shí)間的飽和試樣進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)，通過兩種試驗(yàn)條件下得到的應(yīng)變差作為最終的濕化變形[10]。兩種試樣方法各有利弊，大壩土石料在濕化過程中承受著自身的重力作用，這與單線法的試驗(yàn)原理更加接近。因此，為了更加貼合現(xiàn)場情況，本次試驗(yàn)采用單線法進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)準(zhǔn)備工作首先根據(jù)級(jí)配準(zhǔn)備好粒料，分多次將粒料放入成膜筒內(nèi)，成膜筒外側(cè)包裹兩層成膜筒，裝滿后進(jìn)行振蕩，隨后進(jìn)行三軸試驗(yàn)。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL 237-1999規(guī)范)及干燥試樣的常規(guī)三軸試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定濕化變形試驗(yàn)的應(yīng)力水平為0、0.2、04和0.6，圍壓設(shè)置為200、400和600 kPa，濕化穩(wěn)定時(shí)間設(shè)置為24 h，當(dāng)試樣變形達(dá)到軸向應(yīng)變的15%或破壞時(shí)停止試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 常規(guī)三軸試驗(yàn)結(jié)果

為了更好了解濕化對(duì)常規(guī)土石壩粒料變形的影響，首先對(duì)常規(guī)土石壩粒料進(jìn)行不同圍壓條件下的三軸剪切試驗(yàn)，加載控制條件為剪切速率控制，速率大小設(shè)置為0.5%/min，常規(guī)土石壩粒料三軸試驗(yàn)結(jié)果見圖2。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在同一圍壓水平下，隨著加載時(shí)間的不斷增加，試樣的偏應(yīng)力呈現(xiàn)出先增大后穩(wěn)定的趨勢(shì)；在相同的加載時(shí)間下，試樣的偏應(yīng)力隨著圍壓的增大而增大，說明偏應(yīng)力大小與試樣的強(qiáng)度關(guān)系緊密。

圖2 不同圍壓下試樣偏應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系曲線

2.2 濕化變形量分析

試樣的軸向變形主要是通過軸向位移傳感器將試樣在加載過程中的軸向位移采集并輸入系統(tǒng)中計(jì)算而來，試樣的體積變形主要是通過徑向的鏈條傳感器將變形數(shù)據(jù)采集并實(shí)時(shí)輸入系統(tǒng)中，本次試驗(yàn)所用的徑向傳感器的精度為-15%～15%。土石壩粒料試樣的濕化軸向變形、濕化體積變形和剪應(yīng)變結(jié)果見表2。從表2中可以看出，在同一圍壓之下，隨著應(yīng)力水平的升高，試樣所受的偏應(yīng)力逐漸增大，并且在濕化的條件下，當(dāng)應(yīng)力水平大于0時(shí)，試樣的軸向變形量始終大于其體積變形量；而在相同應(yīng)力水平和不同圍壓下，試樣的偏應(yīng)力和變形量與圍壓大小呈正相關(guān)。

表2 濕化變形量

2.3 軸向濕化應(yīng)變模型

由表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)試樣的軸向濕化變形與應(yīng)力水平關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果見圖3。

圖3 不同圍壓下試樣軸向濕化變形與應(yīng)力水平關(guān)系

3種圍壓條件下曲線擬合公式為：

Δεa=a×b^x

(1)

式中：Δεa為試樣的軸向應(yīng)變；a和b為常數(shù)；x為應(yīng)力水平。

擬合結(jié)果見表3。3種圍壓條件下，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)均大于0.97，說明擬合程度很高，即試樣的軸向濕化變形隨著應(yīng)力水平的增加符合指數(shù)增長的趨勢(shì)。

表3 軸向濕化應(yīng)變擬合結(jié)果

2.4 體積濕化應(yīng)變模型

由表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)試樣的體積濕化變形與應(yīng)力水平關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果見圖4。

圖4 不同圍壓下試樣體積濕化變形與應(yīng)力水平關(guān)系

3種圍壓條件下曲線擬合公式為：

Δεa=c+d×x

(2)

式中：Δεa為試樣的軸向應(yīng)變；c和d為常數(shù)；x為應(yīng)力水平。

擬合結(jié)果見表4。從表4中可以看出，3種圍壓條件下，隨著圍壓的增大，擬合效果越好，說明試樣的體積應(yīng)變?cè)诟邍鷫合赂臃暇€性變形趨勢(shì)；當(dāng)圍壓為200 kPa時(shí)，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為0.934 1，擬合程度也較好，即試樣的體積濕化變形隨著應(yīng)力水平的增加符合線性增長的趨勢(shì)。

表4 體積濕化應(yīng)變擬合結(jié)果

3 結(jié) 論

本文以現(xiàn)場大壩為原型，通過單線法對(duì)土石壩粒料的濕化變形進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，構(gòu)建了不同圍壓下粗粒料濕化變形模型，得到如下結(jié)論：

1) 土石壩粒料常規(guī)三軸試驗(yàn)表明，試樣所受偏應(yīng)力大小與圍壓呈正相關(guān)。

2) 土石壩粒料濕化變形試驗(yàn)表明，試樣的軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變均與圍壓和應(yīng)力水平呈正相關(guān)。

3) 構(gòu)建了土石壩粒料濕化應(yīng)變模型，隨著應(yīng)力水平的增加，粒料的軸向變形和體積變形分別呈指數(shù)和線性增長趨勢(shì)。