粗粒料的濕化變形三軸試驗(yàn)研究

姜燊燊，遲世春

(1.大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部水利工程學(xué)院 工程抗震研究所， 遼寧 大連 116024)

粗粒料的濕化變形指的是在一定應(yīng)力狀態(tài)下的壩體堆石料由于浸水產(chǎn)生變形。濕化變形的原因包括巖體顆粒飽和軟化、水的潤(rùn)滑作用引起顆粒的滑移和重排以及顆粒的破碎。心墻堆石壩上下游壩殼堆石區(qū)在初次蓄水以及降雨的影響下產(chǎn)生濕化變形，由于不協(xié)調(diào)的變形會(huì)導(dǎo)致壩體裂縫，甚至形成滲漏通道，威脅壩體安全。因此，對(duì)于粗粒料的濕化變形研究非常重要。

目前，對(duì)于濕化變形的計(jì)算主要通過(guò)“單線法”和“雙線法”試驗(yàn)研究得到。試驗(yàn)方法如圖1所示。

圖1 濕化試驗(yàn)方法

梁晨等[1]在論文中對(duì)堆石料濕化試驗(yàn)的研究進(jìn)行了總結(jié)，大致分為三個(gè)階段，第一階段采用單向固結(jié)儀進(jìn)行濕化變形的研究；第二階段通過(guò)三軸儀采用“雙線法”進(jìn)行濕化試驗(yàn)研究；第三階段基于我國(guó)學(xué)者劉祖德[2]提出的“單線法”濕化試驗(yàn)。沈珠江等[3]認(rèn)為在低應(yīng)力水平下濕化體積變形量可以近似為常數(shù)。李國(guó)英等[4]根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)濕化體變與圍壓相關(guān)，基于此對(duì)沈珠江模型進(jìn)行了修正。左元明等[5]通過(guò)對(duì)比“單線法”和“雙線法”試驗(yàn)得出濕化變形與應(yīng)力路徑有關(guān)，簡(jiǎn)單采用雙線法是不合理的。李廣信等[6]對(duì)影響濕化變形的因素進(jìn)行了研究。張少宏等[7]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)濕化體變和濕化軸變的關(guān)系并非雙曲線關(guān)系。王富強(qiáng)等[8]通過(guò)比較試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，濕化體變與圍壓和應(yīng)力水平都有關(guān)。付江等[9]通過(guò)研究提出濕化體變分為由圍壓引起的體變和偏應(yīng)力引起的體變兩部分組成，由圍壓引起的體變隨圍壓增大而增大，有偏應(yīng)力引起的體變隨應(yīng)力水平的增大而減小。彭凱等[10]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)濕化體積變形與圍壓呈雙曲線關(guān)系，濕化軸變與圍壓可以用直線擬合。李鵬等[11]采用高壓三軸儀進(jìn)行試驗(yàn)，認(rèn)為同等圍壓下濕化軸變隨應(yīng)力水平增大而增大，濕化體變隨應(yīng)力水平增大而減小。李全明等[12]通過(guò)分析公伯峽粗粒料的三軸濕化試驗(yàn)成果，提出了改進(jìn)的沈珠江模型。魏松等[13]對(duì)濕化后顆粒破碎進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)濕化變形和顆粒破碎呈現(xiàn)很好的相關(guān)性，認(rèn)為濕化變形可以從顆粒破碎的角度加以解釋。周雄雄等[14]分析濕化試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)濕化體變與濕化軸變的比值k、平均主應(yīng)力p和廣義剪應(yīng)力q三者滿足扭面關(guān)系。當(dāng)k恒定時(shí)，此扭面變?yōu)閜-q平面內(nèi)一條經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的直線。2018年張延億等[15]對(duì)砂板巖混合堆石料進(jìn)行單線法濕化試驗(yàn)研究得出球應(yīng)力為影響濕化體變的主要因素。濕化體積應(yīng)變與濕化應(yīng)力較好的符合線性函數(shù)關(guān)系。孫振遠(yuǎn)等[16]通過(guò)對(duì)石英砂巖的浸水濕化試驗(yàn)表明單線法浸水變形小于雙線法試驗(yàn)得到的濕化變形，同時(shí)單線法試驗(yàn)路徑更加合理。

這些已有濕化試驗(yàn)成果差別較大，模型眾多，所以對(duì)于粗粒料的濕化研究仍有必要。本文采用粗粒土大型蠕變壓縮儀，對(duì)粗粒料進(jìn)行濕化性質(zhì)研究。分析其濕化變形特性，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出濕化變形的定性結(jié)論，為后續(xù)研究提供支持。

1 三軸濕化試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)采用大型三軸試驗(yàn)儀，通過(guò)液壓控制系統(tǒng)施加圍壓、軸力和位移。通過(guò)數(shù)據(jù)采集軟件可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)三軸試驗(yàn)的自動(dòng)控制。本設(shè)備的軸位移、側(cè)位移、圍壓和軸力的最小度量值分別為0.01 mm、0.01 mm、0.001 kPa和0.01 kN。

1.2 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)采用大連石灰?guī)r作為試驗(yàn)材料，試樣最大粒徑60 mm，制樣密度2.215 g/cm3，試樣級(jí)配曲線如圖2所示。

圖2 粗粒料的質(zhì)量累計(jì)曲線

1.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)?zāi)康氖谦@取各個(gè)圍壓下不同應(yīng)力水平時(shí)試樣的濕化體變，探討濕化體變與圍壓及應(yīng)力水平之間的關(guān)系。試驗(yàn)采用3個(gè)圍壓，每個(gè)圍壓下進(jìn)行4個(gè)應(yīng)力水平下的濕化試驗(yàn)，這樣每個(gè)圍壓就得到4個(gè)濕化體變。

具體方案是：試驗(yàn)共分三組，分別對(duì)應(yīng)圍壓800 kPa、1 000 kPa、1 200 kPa。每個(gè)圍壓分四個(gè)應(yīng)力水進(jìn)行浸水濕化，分別是SL=0.0、0.5、0.75、0.9。

1.4 試驗(yàn)方法

制樣時(shí)，將風(fēng)干樣按照試驗(yàn)級(jí)配(見圖2)進(jìn)行稱料，攪拌均勻，分六層填入承膜桶，每層振搗密實(shí)。為了防止風(fēng)干料的制樣離析，每層預(yù)留部分細(xì)顆粒撒在振搗密實(shí)后的試樣頂面。

試樣準(zhǔn)備完成，將試樣在一定圍壓下固結(jié)穩(wěn)定后進(jìn)行三軸排氣剪切試驗(yàn)，剪切速率1 mm/min。待試樣剪切到一定應(yīng)力水平時(shí)，調(diào)整為力控加載速率為1 kN/s,保持應(yīng)力水平不變。等到風(fēng)干樣在力控下達(dá)到穩(wěn)定后(穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：軸位移在20 min內(nèi)變化量小于0.1 mm)向試樣內(nèi)部加水進(jìn)行濕化，同時(shí)保持應(yīng)力水平不變，在試樣出水后繼續(xù)通水30 min使試樣充分飽和。達(dá)到濕化穩(wěn)定(穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：軸位移在20 min內(nèi)變化量小于0.1 mm)之后結(jié)束試驗(yàn)。

1.5 非飽和樣體變測(cè)量

三軸試驗(yàn)主應(yīng)力差的計(jì)算和體應(yīng)變以及軸應(yīng)變的計(jì)算都依賴于試樣體積變化量。非飽合樣的體變測(cè)量的合理與否將直接決定濕化試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

根據(jù)三軸試驗(yàn)儀器原理，對(duì)于非飽和樣的體積變化的測(cè)量采用通過(guò)試樣外液體也即壓力室液體體積變化進(jìn)行間接擬合。1 000 kPa圍壓下常規(guī)飽和三軸試驗(yàn)結(jié)果和擬合試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示?？梢娡ㄟ^(guò)試樣外液體變化進(jìn)行間接度量試樣體變是可行的。

從圖3和圖4可以看出，用擬合數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)際測(cè)量得到的數(shù)據(jù)基本重合，擬合出來(lái)的應(yīng)變-體變曲線與實(shí)際測(cè)量的趨勢(shì)相同，數(shù)值稍有誤差。在現(xiàn)有儀器條件下滿足后續(xù)試驗(yàn)的要求。

2 試驗(yàn)成果及分析

2.1 粗粒料濕化試驗(yàn)成果

依據(jù)濕化三軸試驗(yàn)的結(jié)果，整理出各圍壓下的(σ1-σ3)-εα、εv-εα之間的關(guān)系(見圖5—圖7)。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從圖5—圖7中濕化應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系我們可以發(fā)現(xiàn)：在同一圍壓下，由εv-εα關(guān)系可以看出，在三軸試驗(yàn)過(guò)程中從加水開始到完全濕化過(guò)程中濕化體變和濕化軸變基本呈直線關(guān)系，此直線的斜率隨著濕化應(yīng)力水平的增大而變緩。

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 應(yīng)變-體變曲線

圖5 800 kPa圍壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 1 000 kPa圍壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

截取加水濕化至濕化結(jié)束段數(shù)據(jù)見表1。增量體變與圍壓和應(yīng)力水平的關(guān)系如圖8和圖9所示。

由圖8和圖9我們可以得到兩個(gè)結(jié)論：

(1) 濕化體變?cè)隽颗c圍壓大致呈現(xiàn)線性關(guān)系。

(2) 濕化體變存在一個(gè)臨界應(yīng)力水平；在小于臨界應(yīng)力水平的應(yīng)力下濕化體變隨著應(yīng)力水平增大而增大，當(dāng)超過(guò)臨界應(yīng)力水平后濕化體變隨應(yīng)力水平增大而下降。

圖7 1 200 kPa圍壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1 濕化試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖8 濕化體變與SL關(guān)系

圖9 濕化體變與σ3關(guān)系

3 濕化體變計(jì)算公式

3.1 濕化試驗(yàn)公式

對(duì)于濕化體變的計(jì)算，本次數(shù)據(jù)見表2。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和兩個(gè)結(jié)論：濕化體變和圍壓之間呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，見圖6。這種關(guān)系可以描述為：

(1)

式中:k為直線的斜率；b為直線截距；Pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓取為101 kPa。濕化體變與應(yīng)力水平之間關(guān)系可以用式(2)描述：

(2)

式中：Δεv為增量濕化體變;SL為應(yīng)力水平;A，D與圍壓相關(guān)的濕化體變(與圍壓呈線性關(guān)系);SLc為臨界應(yīng)力水平;B，n為模型參數(shù)

參數(shù)D，可以簡(jiǎn)單處理采用零應(yīng)力水平下的濕化體變替代。參數(shù)A，由公式可知令SL=SLc時(shí)Δεv=A+D,所以可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得臨界應(yīng)力水平下濕化體變?chǔ)う舦，結(jié)合零應(yīng)力水平體變得到參數(shù)A。

對(duì)于B,n模型參數(shù)，通過(guò)非線性最小二乘法進(jìn)行擬合得到。

這里需要強(qiáng)調(diào)對(duì)于參數(shù)A和D與兩個(gè)應(yīng)力狀態(tài)下濕化體變有關(guān)；第一個(gè)是零應(yīng)力情況下的濕化應(yīng)力水平，第二個(gè)是臨界應(yīng)力水平所對(duì)應(yīng)的濕化體變。這兩體變也對(duì)應(yīng)濕化體變的最大和最小值。

結(jié)合本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算公式的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果及相關(guān)系數(shù)R2如表2所示。

表2 大連石灰?guī)r模型參數(shù)

根據(jù)相關(guān)系數(shù)R2以及圖8中的曲線可以發(fā)現(xiàn)公式可以較好的擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.2 公式的驗(yàn)證

公式對(duì)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠較好的擬合，但是對(duì)于其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)的適用性依然需要驗(yàn)證。這里采用觀音巖濕化試驗(yàn)數(shù)據(jù)和西域礫巖[17]進(jìn)行擬合分析。

觀音巖濕化試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合圖形如圖10所示，模型參數(shù)如表3所示。西域礫巖濕化試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合圖形如圖11所示，模型參數(shù)如表4所示。

由表3、表4和圖10、圖11可以發(fā)現(xiàn)利用本次試驗(yàn)得出的公式能夠較好的擬合觀音巖和西域礫巖濕化試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖10 觀音巖公式擬合圖

表3 觀音巖模型參數(shù)

圖11 西域礫巖公式擬合圖

表4 西域礫巖模型參數(shù)

3.3 公式的一些說(shuō)明

公式中模型參數(shù)B，n需要先確定A，D后通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用非線性最小二乘法擬合得到；每個(gè)圍壓可以進(jìn)行一次擬合，然后通過(guò)算術(shù)平均求得B，n。由目前濕化試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看n可以直接取為2。

臨界應(yīng)力水平并沒(méi)有取一個(gè)固定的值，需要結(jié)合試驗(yàn)特性并根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)的曲線關(guān)系進(jìn)行實(shí)際的判斷。對(duì)于臨界應(yīng)力水平的機(jī)理以及取值還需要進(jìn)行深入的研究。

3.4 關(guān)于臨界應(yīng)力水平

對(duì)于濕化臨界應(yīng)力水平進(jìn)行簡(jiǎn)單的解釋說(shuō)明。最早在濕化試驗(yàn)中提出這個(gè)濕化臨界應(yīng)力水平概念的可以追溯到楊小龍[17]對(duì)西域礫巖濕化試驗(yàn)的研究。

但是出現(xiàn)臨界應(yīng)力水平點(diǎn)的濕化試驗(yàn)，可以追溯到左元明等[18]對(duì)于小浪底壩石料的濕化試驗(yàn)研究，在方緒順[19]以及魏松[20]的研究中都不同程度出現(xiàn)臨界應(yīng)力水平。其中左元明的文章中最早出現(xiàn)濕化體變隨著應(yīng)力水平的增大先增加后下降的趨勢(shì)，為了濕化的簡(jiǎn)單計(jì)算將濕化應(yīng)力水平小于0.5時(shí)濕化體變?nèi)槌?shù)。對(duì)于方緒順等的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)發(fā)現(xiàn)濕化體變隨著應(yīng)力水平增加一直減小。魏松等人的研究在應(yīng)力水平為0.8左右出現(xiàn)了體變隨應(yīng)力水平增加而下降的情況。

總結(jié)左元明、方緒順、魏松、楊小龍等的濕化試驗(yàn)結(jié)合本次濕化試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)在試樣在進(jìn)行常規(guī)三軸飽和樣剪切試驗(yàn)過(guò)程中都出現(xiàn)了不同程度的剪脹現(xiàn)象。所以有理由認(rèn)為濕化變形臨界應(yīng)力水平與試樣的剪脹性有關(guān)。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)大連石灰?guī)r試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可以得出如下結(jié)論：

(1) 本次濕化試驗(yàn)存在臨界應(yīng)力水平，在應(yīng)力水平小于臨界應(yīng)力水平時(shí)濕化體變隨著應(yīng)力水平增大而增大，在應(yīng)力水平超過(guò)臨界應(yīng)力水平后濕化體變隨著應(yīng)力水平的增加而降低。

(2) 在相同應(yīng)力水平下，濕化體變隨著圍壓增大而線性增大。

(3) 濕化過(guò)程中，濕化體變和濕化軸變之間呈現(xiàn)線性關(guān)系，隨著圍壓的增大，斜率降低，隨著濕化應(yīng)力水平的增大，直線的斜率降低。

(4) 結(jié)合本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了濕化體變計(jì)算的公式。通過(guò)對(duì)不同材料濕化試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)公式具有較好的適用性。