母巖變形特性差異對(duì)堆石料力學(xué)性質(zhì)的影響

韓華強(qiáng)，陳生水，王占軍，鄭澄鋒，傅 華

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024； 2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院, 湖北 武漢 430010； 3.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430072)

0 引言

堆石料具有壓實(shí)性能好、填筑密度大、沉陷變形小、透水性強(qiáng)以及抗剪強(qiáng)度高等工程特性，因而被廣泛應(yīng)用于土石壩、公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)、房建等建筑工程中[1]。堆石料的強(qiáng)度和變形特性事關(guān)建筑物的安全運(yùn)行，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)堆石料的力學(xué)特性及其影響因素開展了大量的研究工作[2-10]。結(jié)果表明：除級(jí)配、顆粒破碎、劣化、縮尺效應(yīng)、孔隙率、應(yīng)力狀態(tài)、加載路徑等因素的影響外，堆石料的力學(xué)特性與其母巖性質(zhì)也有著緊密聯(lián)系。

母巖性質(zhì)是影響堆石料力學(xué)特性的重要因素，目前關(guān)于母巖性質(zhì)對(duì)堆石料力學(xué)性質(zhì)的影響研究多集中于母巖的抗壓強(qiáng)度及顆粒形狀等方面，主要包括母巖顆粒大小、形狀、強(qiáng)度以及表面粗糙程度等，一般認(rèn)為其中某一因素的變化必然會(huì)引起堆石料力學(xué)特性的改變。母巖強(qiáng)度是影響堆石料力學(xué)特性的重要因素，母巖強(qiáng)度越高，產(chǎn)生破碎所需的壓力也越高，堆石料的抗剪強(qiáng)度相應(yīng)也越高，反之亦然[11-12]。然而迄今為止，母巖變形指標(biāo)對(duì)堆石料力學(xué)特性影響的研究工作幾乎無人涉及。為此，筆者采用大型靜力三軸儀及大型滲透儀，選擇了兩種抗壓強(qiáng)度大體相同而彈性模量差別較大的弱風(fēng)化白云巖和弱風(fēng)化閃長(zhǎng)巖，研究了母巖變形指標(biāo)差異對(duì)堆石料力學(xué)性質(zhì)的影響。

1 堆石料母巖基本特性

圖1為本次試驗(yàn)采用的弱風(fēng)化白云巖試樣和弱風(fēng)化閃長(zhǎng)巖試樣照片，通過巖石試驗(yàn)得到兩種巖體飽和條件下母巖的抗壓強(qiáng)度、軟化系數(shù)、彈性模量及泊松比等力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

圖1 母巖照片對(duì)比Figure 1 Photograph of mother rock

表1 母巖基本特性Table 1 Basic characteristics of mother rock

從表1可以看出，弱風(fēng)化白云巖與弱風(fēng)化閃長(zhǎng)巖(簡(jiǎn)稱白云巖試樣與閃長(zhǎng)巖試樣)的抗壓強(qiáng)度接近，但兩者彈性模量差別較大，白云巖試樣彈性模量為閃長(zhǎng)巖試樣彈性模量的1.4倍。

2 堆石料靜力三軸試驗(yàn)方案及過程

2.1 試樣制備

靜力三軸試樣尺寸均為φ300 mm×700 mm，試驗(yàn)所用堆石料母巖分別為上述白云巖及閃長(zhǎng)巖，堆石料試樣級(jí)配如圖2所示，根據(jù)SL237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》[13]通過密度試驗(yàn)得到室內(nèi)相關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表2。

圖2 試驗(yàn)?zāi)M級(jí)配Figure 2 Test simulation grading

表2 試樣物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 2 Basic physical property index of rockfill

2.2 試樣條件

試驗(yàn)按照SL237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，試樣初始均處于自然風(fēng)干狀態(tài)，按規(guī)程分60 mm～40 mm、40 mm～20 mm、20 mm～10 mm、10 mm～5 mm、5 mm～ 0 mm 5種粒徑范圍進(jìn)行制備。試樣制好后采用水頭飽和法自下而上對(duì)試樣進(jìn)行飽和，然后分別進(jìn)行300，600，900及1 200 kPa圍壓條件下的靜力三軸試驗(yàn)。

3 堆石料靜力三軸試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同巖性的堆石料強(qiáng)度與變形特性

圖3為白云巖試樣和閃長(zhǎng)巖試樣兩種堆石料三軸剪切試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖4為兩種堆石料的摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度包絡(luò)線。由圖3可以看出，不同圍壓條件下，閃長(zhǎng)巖試樣峰值強(qiáng)度均大于白云巖試樣，但二者達(dá)到峰值強(qiáng)度的過程并不相同：圖3(a)在剪切起始階段，白云巖試樣強(qiáng)度增長(zhǎng)較閃長(zhǎng)巖試樣迅速，相同應(yīng)變下，白云巖試樣強(qiáng)度大于閃長(zhǎng)巖試樣；隨著試樣應(yīng)變發(fā)展，閃長(zhǎng)巖試樣應(yīng)力、應(yīng)變線逐漸超越白云巖試樣，表明隨著應(yīng)變發(fā)展，閃長(zhǎng)巖試樣的強(qiáng)度逐漸超過白云巖試樣，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到峰值后，閃長(zhǎng)巖試樣堆石料應(yīng)力軟化的特征也比白云巖試樣更為顯著；對(duì)比圖3(b)，閃長(zhǎng)巖試樣的應(yīng)力增長(zhǎng)速率和峰值強(qiáng)度均大于白云巖試樣。為清楚起見，圖5和圖6分別給出了兩種堆石料應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)展過程以及剪切體積應(yīng)變隨軸向應(yīng)變發(fā)展過程。從體積變形發(fā)展過程看，在低圍壓下，兩者均發(fā)生了明顯剪脹，但閃長(zhǎng)巖試樣剪脹程度明顯強(qiáng)于白云巖試樣；隨著圍壓增大，堆石料顆粒破碎率提高，剪脹均受到抑制，但白云巖試樣堆石料剪脹受到的抑制更為明顯，其剪脹現(xiàn)象幾乎消失，而閃長(zhǎng)巖試樣仍能表現(xiàn)出較強(qiáng)的剪脹。

圖3 不同堆石料應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比Figure 3 Stress strain line

圖4 不同堆石料摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度包線對(duì)比Figure 4 Mohr Coulomb strength envelope

圖5 堆石料應(yīng)力-應(yīng)變發(fā)展過程示意圖Figure 5 Diagrammatic sketch of stress and strain development process

圖6 堆石料體積應(yīng)變-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線對(duì)比Figure 6 Relationship curves of axial strain and volume strain

3.2 母巖變形特性差異對(duì)堆石料力學(xué)性質(zhì)影響機(jī)制探討

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，盡管閃長(zhǎng)巖試樣母巖的強(qiáng)度略小于白云巖試樣，但在相同孔隙率及級(jí)配條件下，從二者的強(qiáng)度指標(biāo)凝聚力cd及內(nèi)摩擦角φd可以看出，由閃長(zhǎng)巖構(gòu)成的堆石料強(qiáng)度卻大于由白云巖構(gòu)成的堆石料強(qiáng)度，顯然產(chǎn)生這一結(jié)果的原因應(yīng)與其母巖的彈性模量不同有關(guān)。

在剪切起始階段，白云巖試樣的強(qiáng)度增長(zhǎng)速率較閃長(zhǎng)巖試樣大，反映出混合料的初始彈性模量相對(duì)較大的特點(diǎn)，顯然正相關(guān)于母巖的彈性模量，反映了白云巖母巖的彈性模量大于閃長(zhǎng)巖母巖彈性模量的特點(diǎn)，由此產(chǎn)生混合料的初始彈性模量也相對(duì)較大，使得在相同應(yīng)變下，白云巖試樣混合料強(qiáng)度大于閃長(zhǎng)巖試樣。隨著應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)，在達(dá)到一定應(yīng)力水平后，骨料分擔(dān)荷載逐漸超過其母巖的破碎強(qiáng)度，堆石料開始產(chǎn)生明顯的顆粒破碎，顆粒破碎的發(fā)生對(duì)堆石料的級(jí)配產(chǎn)生一定的調(diào)整作用。而隨著應(yīng)變的進(jìn)一步增長(zhǎng)，在接近峰值強(qiáng)度前，堆石料應(yīng)力-應(yīng)變曲線均逐漸變緩，白云巖試樣堆石料應(yīng)力-應(yīng)變曲線變緩的趨勢(shì)更加顯著，導(dǎo)致閃長(zhǎng)巖試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸超越白云巖，并且在達(dá)到峰值強(qiáng)度后，白云巖試樣的剪脹性也受到一定抑制，顯然這主要和不同母巖堆石料顆粒破碎發(fā)展的過程并不同步有關(guān)，這種堆石料顆粒破碎發(fā)展過程的不同步也直觀地體現(xiàn)在堆石料體積變形隨應(yīng)變的發(fā)展過程上。

從體積變形來看，由于閃長(zhǎng)巖試樣母巖初始彈性模量明顯小于白云巖試樣，在剪切起始階段，閃長(zhǎng)巖試樣體變?cè)鲩L(zhǎng)較白云巖試樣迅速，堆石料剪縮及由此導(dǎo)致的堆石破碎量均較白云巖試樣大，硬化程度相對(duì)較高。在達(dá)到一定應(yīng)力水平時(shí)，隨母巖骨料分擔(dān)荷載的增大，由于前期已累積了相對(duì)較大的破碎量，后期閃長(zhǎng)巖試樣破碎量增加量相對(duì)白云巖試樣變緩，應(yīng)力-應(yīng)變曲線增長(zhǎng)變緩趨勢(shì)相對(duì)不明顯，隨應(yīng)變發(fā)展，使得閃長(zhǎng)巖試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸超越白云巖試樣。同時(shí)，由于堆石料的剪縮，一定程度上也提高了堆石料的峰值強(qiáng)度，使得閃長(zhǎng)巖試樣具有比弱風(fēng)化白云巖試樣更大的強(qiáng)度。

由此表明，堆石料的力學(xué)特性一方面受母巖強(qiáng)度的影響，母巖強(qiáng)度越高，發(fā)生顆粒破碎需要的壓力越高，堆石料的抗剪強(qiáng)度也越高。另一方面堆石料的力學(xué)特性也與母巖的變形特性有關(guān)，母巖變形特性對(duì)堆石料力學(xué)特性的影響主要體現(xiàn)在顆粒破碎和剪縮兩個(gè)方面。同等母巖強(qiáng)度條件下，母巖彈性模量越大，在剪切起始階段，堆石料的強(qiáng)度增長(zhǎng)越迅速，同等應(yīng)變條件下，堆石料的軸向應(yīng)力也越大，體積變形量及顆粒破碎量均相對(duì)較小，而母巖彈性模量小的堆石料累積了更大的體積變形及顆粒破碎量；隨著應(yīng)變發(fā)展，當(dāng)達(dá)到一定應(yīng)力水平時(shí)，母巖彈性模量相對(duì)較大的堆石料顆粒破碎量開始顯著增加，堆石料的強(qiáng)度增長(zhǎng)相對(duì)變緩，而母巖彈性模量相對(duì)較小的堆石料由于累積了相對(duì)較大的體積變形，同時(shí)由于剪縮作用，堆石料強(qiáng)度增長(zhǎng)變緩的趨勢(shì)相對(duì)較小，其混合料的峰值強(qiáng)度有可能超越母巖彈性模量大的堆石料。因此，宜從兩個(gè)方面研究母巖對(duì)堆石料力學(xué)特性的影響:一方面應(yīng)重視母巖強(qiáng)度對(duì)堆石料力學(xué)特性的影響；另一方面也應(yīng)重視母巖的變形特性對(duì)堆石料力學(xué)特性的影響。

4 堆石料的滲透特性

滲流和滲透控制也是土石壩工程中一項(xiàng)極其重要的課題，直接關(guān)系到工程的安全和投資[14]，為此，進(jìn)一步研究了母巖變形特性差異對(duì)堆石料滲透特性的影響。滲透試驗(yàn)采用常水頭法，滲流方向?yàn)閺南孪蛏希嚇映叽鐬棣?00 mm×300 mm，其中,300 mm為滲徑。裝樣時(shí)在透水孔直徑為2 mm的透水板上部鋪一層孔徑0.075 mm細(xì)鋼絲網(wǎng)，以減少顆粒離析造成透水板堵塞，具體試驗(yàn)步驟及滲透系數(shù)計(jì)算方法見SL237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》。滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 滲透試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Permeability test results

由表3可以看出，在相同孔隙率、相同級(jí)配、相同制樣相對(duì)密度條件下，不同變形特性母巖堆石料的滲透系數(shù)差別不大，兩種堆石料滲透系數(shù)的差值基本上控制在規(guī)范規(guī)定的2×10-n的差值范圍內(nèi)，由此表明，堆石料的滲透系數(shù)主要與堆石料的孔隙率、級(jí)配及相對(duì)密度有關(guān)，母巖性質(zhì)的差異主要影響堆石料的力學(xué)特性，而對(duì)堆石料滲透系數(shù)的影響并不顯著。

5 結(jié)論

(1)母巖變形特性差異對(duì)堆石料的力學(xué)性質(zhì)有顯著影響，母巖單軸抗壓強(qiáng)度相同條件下，不同堆石料的強(qiáng)度隨巖性差異而不同。本次試驗(yàn)條件下，單軸抗壓強(qiáng)度較低的閃長(zhǎng)巖堆石料的強(qiáng)度指標(biāo)反而略高于單軸抗壓強(qiáng)度較高的白云巖堆石料。

(2)堆石料的變形指標(biāo)與母巖的變形指標(biāo)有正相關(guān)的關(guān)系，雖然白云巖試樣堆石料的強(qiáng)度指標(biāo)低于閃長(zhǎng)巖，但由于白云巖試樣母巖的彈性模量明顯高于閃長(zhǎng)巖，在初始剪切階段白云巖試樣堆石料的初始彈性模量明顯高于閃長(zhǎng)巖。

(3)母巖變形特性對(duì)堆石料力學(xué)特性影響機(jī)制主要體現(xiàn)在顆粒破碎和剪縮兩個(gè)方面。在剪切起始階段，母巖彈性模量越大，堆石料的強(qiáng)度增長(zhǎng)越迅速，同等應(yīng)變條件下，堆石料的強(qiáng)度也越大，體積變形量及顆粒破碎量均相對(duì)較小，而母巖彈性模量小的堆石料累積了更大的體積變形及顆粒破碎量；隨應(yīng)變發(fā)展，當(dāng)達(dá)到一定應(yīng)力水平時(shí)，彈性模量相對(duì)較大的堆石料顆粒破碎量顯著增加，堆石料的強(qiáng)度增長(zhǎng)相對(duì)變緩，而母巖彈性模量相對(duì)較小的堆石料由于累積了相對(duì)較大的體積變形，由于剪縮作用，堆石料的強(qiáng)度增長(zhǎng)變緩的趨勢(shì)相對(duì)較小，其混合料的峰值強(qiáng)度有可能超越母巖彈性模量大的堆石料。

(4)巖性差異對(duì)堆石料力學(xué)特性的影響主要表現(xiàn)在強(qiáng)度及體積變形特性，對(duì)于堆石料滲透特性的影響相對(duì)較小。

(5)研究母巖對(duì)堆石料力學(xué)特性的影響，應(yīng)從母巖強(qiáng)度和變形特性兩個(gè)方面展開研究。