砂土應(yīng)力路徑試驗(yàn)及橡皮膜嵌入修正研究

楊佳巖，王 榮

（中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027）

土石壩具有地質(zhì)條件要求低、抗震性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在大壩選型中常作為優(yōu)選壩型。大量學(xué)者[1-3]開展常規(guī)三軸試驗(yàn)研究了粗粒土的變形特性。土石壩堆筑和蓄水時(shí)，其真實(shí)應(yīng)力路徑是一個(gè)等主應(yīng)力比的加載過程[4]。砂土顆粒粒徑大小不規(guī)則，橡皮膜和試樣表面的貼合程度隨著圍壓變化而變化，試樣排水量由骨架變形和橡皮膜嵌入共同引起，因此，土體體積應(yīng)變是測(cè)量不準(zhǔn)確的。為了消除橡皮膜嵌入影響，國外學(xué)者采用了諸如在膜與試樣之間涂液體橡膠薄層、放入小塊薄銅片、涂硅橡膠等方法[5]，來減少或消除因橡皮膜嵌入對(duì)體變產(chǎn)生的影響。張丙印等[6]采用等向固結(jié)校正法，提出了橡皮膜嵌入量和圍壓的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)嵌入量占總排水量的30%～50%。針對(duì)直徑為30 cm粗粒土試樣，王昆耀等[7]通過在試樣的周圍填充細(xì)砂來減少橡皮膜的嵌入。本文通過開展系統(tǒng)的等向固結(jié)試驗(yàn)和等主應(yīng)力比試驗(yàn)，研究橡皮膜嵌入量及其砂土在等應(yīng)力比應(yīng)力路徑下的變形特性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)土料

采用砂土研究橡皮膜嵌入和應(yīng)力路徑試驗(yàn)。此砂土的顆粒粒徑比較小，絕大部分的顆粒粒徑小于1 mm，占總量的96.1%。砂土的相對(duì)密度Dr取0.55和0.85，對(duì)應(yīng)干密度為1.62 g/cm3和 1.71 g/cm3。

1.2 橡皮膜嵌入修正

開展等向固結(jié)試驗(yàn)，確定每種干密度試樣的橡皮膜嵌入量。裝樣完成后，圍壓從100 kPa逐漸增加到1 500 kPa，獲取每級(jí)圍壓下的排水量Q和軸向位移a。每種密度的土樣開展兩次等向固結(jié)試驗(yàn)，取排水量的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。假定橡皮膜嵌入量主要與圍壓有關(guān)，同一密度下不同應(yīng)力路徑試驗(yàn)采用相同的修正公式對(duì)體積變形進(jìn)行修正。

1.3 應(yīng)力路徑試驗(yàn)

應(yīng)力路徑試驗(yàn)分兩段進(jìn)行考慮，分別對(duì)應(yīng)大壩堆載期和蓄水期常見的主應(yīng)力比（σ1/σ3）。第一段主應(yīng)力增量的比值K1=1.5，2.0，2.5，3.0，第二段主應(yīng)力增量的比值K2=0.2。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 橡皮膜嵌入修正分析

試驗(yàn)測(cè)得體變管排水量為V，試樣體積為V0，軸向應(yīng)變?yōu)閍。假設(shè)土體是各向同向材料，等壓固結(jié)下試樣的變形為3εaV0。因此，橡皮膜嵌入量為Q=V-3εaV0?；诖斯将@得每級(jí)圍壓下橡皮膜嵌入導(dǎo)致的排水量。橡皮嵌入量Q和圍壓σ3的關(guān)系呈雙曲線關(guān)系。為獲得橡皮膜嵌入量與圍壓的關(guān)系，采用 Q=σ3/（A·σ3+B）擬合。

橡皮膜嵌入導(dǎo)致的排水量與圍壓的關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，σ3/Q與σ3呈良好的線性關(guān)系，表明雙曲線擬合不同圍壓下的橡皮膜嵌入量是合理的。橡皮膜嵌入量與圍壓的關(guān)系如表1所示。相對(duì)密度為0.55和0.85砂土的最終嵌入量分別為4.04 mL和2.51 mL，嵌入量介于試樣總體積的5%～7%。砂土相對(duì)密度越大，試樣表面的凹凸程度就會(huì)越小，橡皮膜的嵌入量也相應(yīng)越小。

圖1 橡皮膜嵌入量與圍壓的關(guān)系

表1 砂土橡皮膜嵌入公式的擬合系數(shù)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

體積應(yīng)變?chǔ)舦與軸向應(yīng)變?chǔ)臿的關(guān)系如圖2所示。試樣軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變均很小，表明等主應(yīng)力比試驗(yàn)下試樣未發(fā)生破壞。由圖2可知，第一段應(yīng)力路徑的主應(yīng)力增量比越大，試樣變形越大。第二段應(yīng)力路徑的主應(yīng)力比相同，三段曲線幾乎平行。試驗(yàn)初始階段未產(chǎn)生橡皮膜嵌入，高壓下橡皮膜嵌入量很微小?；谠囼?yàn)初始點(diǎn)和高壓下的體積應(yīng)變，修正小應(yīng)力下的體積應(yīng)變。

圖2 體積應(yīng)變與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線

球應(yīng)力與體積應(yīng)變的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，隨圍壓的增大，試樣不斷被壓密，顆體變迅速增加，曲線呈現(xiàn)明顯的反彎段。壓密到一定程度時(shí)，體變?cè)鲩L放緩，與球應(yīng)力成線性關(guān)系。應(yīng)力偏轉(zhuǎn)后，球應(yīng)力持續(xù)增長，偏應(yīng)力遞減，但體積變形始終增長，說明球應(yīng)力的增加導(dǎo)致土體產(chǎn)生體縮。試樣密度越大，密實(shí)度越高，相同的球應(yīng)力下得到的體積應(yīng)變較小。

偏應(yīng)力和剪切應(yīng)變曲線如圖4所示。由圖4可知偏應(yīng)力與剪切應(yīng)變曲線依然呈現(xiàn)明顯的反彎段、直線段和轉(zhuǎn)折段。

第一段應(yīng)力路徑：剪應(yīng)變隨著剪應(yīng)力增大而增大，主應(yīng)力增量比值越大，最終得到的剪應(yīng)變也是越大。

第二段應(yīng)力路徑：主應(yīng)力增量比為0.2，偏應(yīng)力逐漸降低，剪應(yīng)變也降低，說明剪應(yīng)變與偏應(yīng)力的大小密切相關(guān)。

圖3 球應(yīng)力與體積應(yīng)變的關(guān)系曲線

圖4 偏應(yīng)力與剪切應(yīng)變的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

基于等向固結(jié)和等主應(yīng)力比的三軸試驗(yàn)，研究了砂土的橡皮膜嵌入和變形特性，得到結(jié)論如下：①基于等向固結(jié)試驗(yàn)，建立了橡皮膜嵌入量修正公式，用于修正等應(yīng)力比三軸試驗(yàn)的體積變形；②等主應(yīng)力比三軸試驗(yàn)得到的試驗(yàn)曲線與常規(guī)三軸的試驗(yàn)曲線有著明顯的差別，曲線呈現(xiàn)反彎段、直線段和轉(zhuǎn)折段；③應(yīng)力路徑偏轉(zhuǎn)后，球應(yīng)力持續(xù)增長，偏應(yīng)力遞減，但體積變形始終增長，剪切應(yīng)變逐漸減小。表明試樣的體積應(yīng)變和剪切應(yīng)變分別與球應(yīng)力和偏應(yīng)力密切相關(guān)。