圍壓對堆石料和砂礫料強度及變形特性的影響

穆臺力普·牙森，陳子玉

（1.塔里木河流域大石峽樞紐工程建設管理局，新疆 喀什 844000；2.南京水利科學研究院巖土工程研究所，江蘇 南京 235100）

0 引言

堆石料和砂礫料由于取材方便、強度較高、經濟效益明顯，被廣泛應用于土石壩筑壩材料，但是堆石料和砂礫料［1］由于粒徑、材料形狀、母巖巖性、風化程度等原因，呈現出不同的強度和變形特性；一般來說堆石料采用爆破取材，形狀不規則，而砂礫料磨圓度較高。新疆大石峽［2-4］水利樞紐工程有我國目前最高的混凝土面板砂礫石壩（251 m），壩體內上游筑壩材料主要采用砂礫料，下游筑壩材料采用堆石料。因此，有必要針對兩種筑壩材料研究其強度和變形特性，通過試驗手段研究兩種筑壩材料的強度和應力應變特性。鄧肯-張Eμ模型、EB模型［5-8］作為非線性彈性模型，可以很好地反映粗粒土材料的應變硬化特征，廣泛應用于國內外水利水電工程的數值分析，但是鄧肯-張模型不能很好地反映粗粒土的剪脹特性；而南水模型［9-10］作為彈塑性本構模型，可以很好的反映粗粒土的剪脹剪縮及彈塑性變形特性。本文通過3種模型的對比，分析堆石料和砂礫料的強度及變形特性的差異。

1 試驗材料及試驗方案

1.1 試驗材料

堆石料采用爆破開挖的弱風化灰巖材料，砂礫石取自現場開挖砂礫料。由于現場筑壩材料粒徑較大，室內試驗時需要對試驗材料縮尺。對于堆石料設計級配平均線采用等量替代法進行縮制，對于砂粒料采用現場篩分級配包線的平均線采用等量替代法進行縮制（見圖1）。堆石料和砂礫料縮尺后最大粒徑均為60 mm，最小粒徑0.1 mm。堆石料比重為2.74，相對密度為0.9，設計干密度2.22 g/m3，最大、最小干密度分別為2.22、1.68 g/m3；砂礫料比重為2.75，相對密度為0.9，設計干密度2.27 g/m3，最 大、最 小 干 密 度 分 別 為2.32、1.88 g/m3。

圖1 堆石料和砂礫料現場及試驗級配曲線

1.2 試驗方案

堆石料和砂礫料試樣尺寸均為φ300×700 mm，在GCTS大三軸壓縮試驗儀上試驗。根據試驗要求的干密度、試樣的尺寸和級配曲線計算所需試樣，試驗所用的試樣均處于自然風干狀態。分別進行圍壓為400、800、1 200、2 000 kPa和3 000 kPa的三軸CD試驗，整個試驗過程按《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）進行。

2 試驗結果

堆石料和砂礫料應力應變曲線如下所示（見圖2）。兩種材料的應力應變曲線均呈現出應變硬化型，隨著軸變增加，偏應力q逐漸增加趨于穩定，達到峰值狀態；隨著圍壓增高，偏應力曲線變陡，圍壓對兩種材料強度提高效應明顯。體變曲線在低圍壓下產生剪脹，在初期產生體積壓縮后體變曲線出現拐點，出現體積膨脹。高圍壓下處于持續剪縮狀態，圍壓越高，剪縮性越大，兩種材料試驗結束時均未達到體變趨于穩定的臨界狀態。試驗過程中峰值強度與圍壓關系曲線，摩擦角與圍壓關系曲線如下所示（見圖3、圖4）?？梢钥闯?，隨著圍壓增大，堆石料和砂礫料的峰值偏應力qf隨之增大。砂礫石峰值強度增高幅度大于堆石料；堆石料和砂礫料摩擦角隨著圍壓升高而逐漸降低，在低圍壓下堆石料摩擦角高于砂礫料摩擦角，高圍壓下堆石料摩擦角低于砂礫料摩擦角。以上試驗結果表明堆石料受圍壓的影響較大。

圖2 堆石料和砂礫料應力應變關系曲線

圖3 堆石料和砂礫料峰值偏應力

圖4 堆石料和砂礫料摩擦角

3 強度和變形參數分析

針對水利水電工程中常用的鄧肯-張Eμ模型、EB模型和南水模型3種本構模型，整理模型參數，分析砂礫料和堆石料應力變形的強度和變形參數特征（見表1～表3）。

表3 南水模型參數

在表1～3中，3種本構模型前5個參數具有相同的定義，因此同一種筑壩材料，參數大小相同，堆石料初始摩擦角φ0堆石料相較砂礫料更高。隨著圍壓增加，摩擦角降低，堆石料的非線性摩擦角Δφ更高，表明堆石料受到圍壓的影響更大。相對于砂礫料，堆石料由于磨圓度較差，棱角較多導致更容易產生顆粒破碎，高圍壓下摩擦角較低。但是與剪切模量相關的K值、系數n、破壞比Rf三個參數砂礫石更大，表明砂礫石抵抗變形的能力更強，強度更高。對于鄧肯-張EB模型，堆石料和砂礫料初始切線體積模量系數Kb大小雖接近，但是模量系數m相差較大，說明砂礫料體變模量受到圍壓的影響更為顯著，隨著圍壓升高增長明顯。此外由南水模型參數Rd的定義可知，砂礫料參數Rd較大，表明砂礫料發生剪脹時對應的偏應力更大。

表1 鄧肯-張Eμ模型參數

鑒于砂礫料在低圍壓下強度較低而堆石料在低圍壓下強度較高，同時砂礫料具有較高的抵抗變形的能力，因此在壩體分區中，宜將堆石料置于外部以增強壩坡的抗滑穩定性，而將砂礫料包裹于堆石料中間以控制壩體的變形。

表2 鄧肯-張EB模型參數

4 結論

堆石料和砂礫料作為大石峽混凝土面板砂礫石壩工程的主要筑壩材料，具有不同的強度和應力應變特性。大型三軸壓縮試驗對比分析表明，堆石料和砂礫料應力應變特性基本呈應變硬化型，在低圍壓下呈現出剪脹、高圍壓下呈現出剪縮的應變特性。堆石料和砂礫料峰值強度隨圍壓升高而升高，摩擦角隨圍壓升高而降低，堆石料強度和變形特性受圍壓的影響更大。