筑壩堆石料三軸剪切特性及變形破壞試驗研究

熊治茗,杜 俊,楊志全,沈興剛

(1.昆明理工大學 公共安全與應急管理學院,云南 昆明 650093;2.昆明學院 建筑工程學院,云南 昆明 650214)

近年來,中西部地區經濟高速發展,對水電能源的需求量也不斷擴大,土石壩因取材方便、結構簡單、易于施工等優點被廣泛應用于經濟建設中[1,2]。筑壩堆石料是典型的寬級配粗粒土,級配組成較為分散,粗細顆粒占比不一,高應力條件下其強度與變形特性是影響壩體安全性能的重要因素。因此,研究筑壩堆石料強度與變形特性、揭示其變形破壞機理對土石壩的設計施工及長期平穩運行具有十分重要的研究意義。

已有研究結果表明,圍壓是影響粗粒土強度及變形特性的重要原因[3-4]。JANG等[5]通過4組大型三軸壓縮試驗,結果為粗粒土應力-應變曲線受圍壓影響顯著,低圍壓時表現出軟化特征,而高圍壓時則呈硬化特征。褚福永等[6]對3種堆石料進行三軸壓縮試驗,發現堆石料破壞剪切強度隨圍壓的增加而增大。高文華等[7]發現紅砂巖粗粒土峰值強度及硬化特征與圍壓呈正相關,均隨圍壓的增加而逐漸增大。受圍壓影響,筑壩堆石料變形破壞對土石壩長期安全運行具有明顯的控制作用。由于堆石料顆粒級配組成十分復雜,顆粒間的接觸關系在空間上不斷發生變化,使其剪切過程中表現出明顯的剪脹性。一方面,圍壓是引起粗粒土剪脹變形的外在條件,Chu等[8]研究認為粗粒土剪脹性與圍壓密切相關,低圍壓下表現出明顯的剪脹特征,而高圍壓下則由剪脹向剪縮轉變。與此同時,褚福永等[9-10]、程展林等[11]、姜景山等[12]也認為粗粒料剪脹性在不同圍壓下表現出不同的變化特征。另一方面,高圍壓下導致的顆粒破碎現象是引起粗粒土剪縮的內在因素[13],Yu等[14]認為顆粒破碎現象會影響粗粒料的剪脹性,使土體表現出明顯的剪縮特征,從而影響其剪切變形特性。張季如等[15]通過三軸剪切試驗研究鈣質砂的顆粒破碎特性,認為隨著圍壓的增大,顆粒破碎率也逐漸增大,剪縮效應愈加明顯。Wei等[16]通過對鈣質砂進行固結排水三軸剪切試驗,認為高圍壓下其剪切變形特性主要受顆粒破碎影響,在此過程中,體變特征由剪脹向剪縮轉變。

盡管已有研究指出粗粒土強度與變形特性受圍壓影響顯著,均隨圍壓表現出不同的變化特征。但針對粒徑大小不一、分級現象顯著的寬級配筑壩堆石料在三軸剪切作用下的強度特征及變形破壞機理研究尚少。因此,本文通過常規三軸剪切試驗,分析不同圍壓下筑壩堆石料的應力應變特性、非線性抗剪強度指標、剪脹性以及Rowe剪脹模型的適用性,揭示其變形破壞機理,以期研究成果為分析土石壩長期安全運行提供有益指導。

1 常規三軸剪切試驗

1.1 試驗設備

試驗機采用昆明學院與成都東華卓越科技有限公司(原四川大學華西巖土儀器研究所)共同研制的DJSZ-150大型粗粒土動靜三軸試驗機。該試驗機最大軸向荷載1 500 kN,最大圍壓可達3.0 MPa,允許試樣尺寸Φ300 mm×600 mm。試驗機主要由圍壓伺服系統、動靜加載系統、孔壓測量系統、體變測量系統和數據采集系統等構成?？蛇M行軸向應力、應變、圍壓、孔隙壓力、試樣體積變化、飽和進水量與固結排水量等參數的自動測試。

1.2 試驗材料

試驗土料選自云南臨滄大橋坡水庫筑壩堆石料,利用土工篩網對其進行顆粒篩分,篩網孔徑分別為60 mm、40 mm、20 mm、10 mm、5 mm、2 mm。

根據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019),試驗機所允許填料的最大粒徑為60 mm,需對試驗土料進行縮尺處理以滿足試驗機尺寸要求,因試驗土料超粒徑含量較多,不可忽略,故本文采用等量替代縮尺方法進行縮尺處理,縮尺公式如下[17]:

(1)

式中:P5為大于5 mm的土料含量,%;P5i為處理后粒徑大于5 mm某一粒級含量,%;P05i為與P5i對應的某原型級配粒級含量,%;P0為粒徑大于60 mm的土料含量,%。

試驗筑壩堆石料原型級配及經等量替代縮尺后的縮尺級配見表1,粒徑級配累積曲線見圖1。

圖1 筑壩堆石料級配累積曲線

表1 筑壩堆石料級配組成匯總

1.3 試驗方案設計

試驗筑壩堆石料密度2.12 g/cm3,天然含水量4.20%,依據表1縮尺級配稱取五份干土,并加入所需質量的水充分攪拌均勻,分五層依次裝入制樣筒中,使用擊實錘對每層土樣進行夯實,為避免試驗土樣出現分層現象,夯實后對土樣表面進行鑿毛處理。

三軸壓縮試驗中,圍壓分別設計為200 kPa、400 kPa、600 kPa、800 kPa和1 000 kPa,試驗條件為固結排水,剪切速率控制為1 mm/min。視剪切應變(剪切位移與制樣筒高度的比值)達到15%時試樣破壞[18],此時可停止剪切。

2 試驗結果分析

2.1 應力-應變特性分析

不同圍壓下筑壩堆石料固結排水三軸壓縮偏差應力-軸向應變關系曲線見圖2。

圖2 筑壩堆石料偏差應力-應變曲線

分析圖2可知,筑壩堆石料偏差應力-軸向應變關系呈雙曲線型,圍壓是影響偏差應力的主要因素,具體表現為偏差應力隨著圍壓的增大而逐漸增大。以堆石料破壞偏差應力(應變為15%時的偏差應力)為例,隨著圍壓的增大,其破壞偏差應力增幅依次為88.10%、44.65%、28.72%、18.39%。

除此之外,中低圍壓(200 kPa、400 kPa、600 kPa)下,筑壩堆石料應力應變具有明顯的軟化特征,而高圍壓(800 kPa、1 000 kPa)下則呈硬化趨勢。分析其原因,堆石料剪切初期,土體顆粒間緊密接觸,剪切時土體以彈性變形為主,故表現出較高的抗剪強度。隨著剪切過程的持續進行,土體顆粒間發生翻滾、旋轉、抬升等改變空間位置的現象,導致土體結構變松,且中低圍壓不足以限制其運動,故應力發生軟化特征。而高圍壓下可限制其運動,使土體顆粒間的接觸更加緊密,因此,高圍壓下應力呈硬化趨勢。

2.2 非線性抗剪強度指標分析

目前,粗粒土抗剪強度指標取值有兩種觀點,即非線性抗剪強度指標和線性抗剪強度指標,前者假設土體黏聚力c=0,后者則c≠0。筑壩堆石料塊石顆粒較多、棱角分明、多呈松散堆積狀,可用非線性抗剪強度指標表征其強度特征[19-21]。

非線性抗剪強度指標分析中,堆石料極限平衡狀態下其滑動摩擦角可用如下公式表示[21]:

(2)

式中:φp為堆石料滑動面上的摩擦角,(°);σ1為堆石料剪切破壞時的大主應力,kPa;σ3為堆石料剪切破壞時的小主應力,kPa。

取筑壩堆石料三軸壓縮下的破壞剪切強度作為堆石料土體的抗剪強度,結合式(2)可得不同圍壓下筑壩堆石料的滑動摩擦角,具體見表2。

表2 筑壩堆石料非線性抗剪強度指標匯總

由表2可知,筑壩堆石料滑動面上的摩擦角與圍壓相關性顯著。隨著圍壓的增大,其滑動摩擦角逐漸減小。分析其原因,增大圍壓后,隨著剪切運動的持續進行,堆石料土體被逐漸壓密,顆粒間的接觸作用加強,塊石間的接觸擠壓會造成顆粒破碎,導致土體渾圓度增加,摩擦效應減弱,故堆石料土體間的滑動摩擦角也逐漸減小。

2.3 變形特性分析

筑壩堆石料在三軸壓縮下不僅會產生形狀變化,還會產生體積變化,將三軸剪切后引起的體積變化(體積膨脹或收縮)統稱為剪脹性。剪脹性是土體發生變形破壞的重要原因[22]。經三軸壓縮后,筑壩堆石料體積變化特征見圖3。

圖3 筑壩堆石料三軸壓縮下體積變化特征圖

由圖3可知,筑壩堆石料經三軸壓縮后其體積變化特征主要表現為軸向變形及側向變形。不同圍壓下,堆石料均發生軸向壓縮變形及側向鼓脹變形,并隨著圍壓的增大,堆石料側向變形逐漸減弱。分析其原因,低圍壓條件下對筑壩堆石料的側向約束效果較弱,當施加軸向應力時,土體間的相互作用力致使其發生側向變形,而此時的圍壓條件不足以限制其側向運動,故低圍壓時堆石料的側向變形量較大,變形特征較為明顯。而當堆石料處于高圍壓狀態下時,對其側向約束作用明顯加強,當施加軸向應力后,此時的圍壓足以抵抗堆石料的側向變形,因此,隨著圍壓的增大,堆石料其側向變形量逐漸減小。

為進一步量化分析筑壩堆石料在三軸壓縮下的變形特性,整理試驗數據,可得筑壩堆石料體積應變εv與軸向應變εa關系曲線,具體見圖4,圖中設定剪縮為正,剪脹為負。

由圖4可知,隨著圍壓的增大,相同軸向應變對應下的體積應變也逐漸增大,以軸向應變εa=5%為例,隨著圍壓的增大,其體積應變εv由200 kPa下的0.34%增長至1000 kPa下的2.87%。究其原因,低圍壓時,土體顆粒間孔隙較大,排水量較少,土樣體積變化不明顯,故體積應變較小,而隨著圍壓的增大,土體被壓密,土體顆粒間孔隙逐漸減小,孔隙水被排出,排水量增加,土樣體積變化較為明顯,因此,體積應變逐漸增加。

除此之外,不同圍壓下,在筑壩堆石料軸向應變的初始階段(εa<5%),其體積應變均為正,土體發生剪縮,隨著軸向應變增加,體積應變曲線出現拐點后向體積增大方向發展。當圍壓分別是200 kPa和400 kPa時,土體體積應變在軸向應變分別是6.31%與11.17%之后就變為負值,土體出現剪脹現象。當圍壓大于或等于600 kPa時,土體未出現剪脹,均表現為剪縮。因此,低圍壓下,土體先剪縮、后剪脹,中高圍壓下,土體以剪縮為主。其原因是,土體固結時整體呈壓密狀態,孔隙水被排出,隨著軸向荷載的增加,土體體積減小,發生剪縮現象。當軸向荷載繼續增大后,土體間的運動加劇,使土體體積呈體脹趨勢,低圍壓不足約束其趨勢,故剪切破壞后土體表現出剪脹特征。而中高圍壓可明顯限制其土體間的運動趨勢,因此,剪切破壞后土體顆粒仍表現出剪縮特征。

定義軸向應變與體積應變之比為應變比,圖5是不同圍壓條件下應變比的變化規律。

由圖5(a)可知,低圍壓下,應變比開始呈正值,且隨剪切應變的增加先緩慢增大,達到一個極值點后出現突變,減小為負值,最后又緩慢減小逐漸趨于一個穩定的負值。對比突變點出現的位置,與圖4中土體產生剪脹變形的軸向應變一致,因此可將突變點定義為土體由剪縮向剪脹轉變的臨界點。土體的體積應變由軸向應變和側向應變共同構成,試驗初始階段,土樣主要產生軸向應變,側向應變較小,故應變比逐漸增大,土樣以剪縮為主。當軸向變形發展到一定程度,側向應變逐漸增大,且顆粒之間的翻滾更為強烈,體積應變以剪脹為主,此時應變比出現突變,變為負值。

由圖5(b)可知,中高圍壓下,應變比隨剪切應變的增加呈先減小后增大的趨勢,且應變比總為正值,土樣呈現剪縮狀態。圍壓越大,土體應變比增大的趨勢相對較為緩慢。

2.4 Rowe剪脹模型分析

目前,Rowe剪脹方程是研究土體顆粒剪脹性特征的基礎。但該方程大多研究對象為砂土,對于筑壩堆石料研究尚少,故該方程對筑壩堆石料的適用性需進一步探討分析。針對常規三軸剪切試驗,Rowe剪脹方程可表示如下[23]:

(3)

式中:σ1為大主應力,kPa;σ3為小主應力,kPa;Kf為Rowe剪脹參數;dε1為軸向應變增量,%;dε3為側向應變增量,%。

式(3)經變形后可得:

(4)

根據式(4),整理試驗數據,可得筑壩堆石料剪脹參數Kf與軸向應變的關系曲線,具體見圖6。

圖6 剪脹方程參數Kf值與軸向應變關系曲線

由圖6可知,筑壩堆石料在剪切初始階段(εa<5%)時,Kf值離散特征明顯,不同圍壓下Kf值均呈不規則形態分布,而隨著剪切的持續進行,到剪切中后期(εa>5%),不同圍壓下的Kf值具有明顯的歸一化特征。分析其原因,筑壩堆石料剪切初始階段的顆粒破碎使粗細顆粒發生不規則變形及不可逆滑動,使Kf值不穩定,隨著軸向應變的增大,剪切空間減少,破碎后的細顆粒填充于土體孔隙中,粗細顆粒接觸緊密,不易發生相對滑動,故Kf值趨于穩定。這與筑壩堆石料剪脹性變化規律基本一致,表明可用剪脹參數Kf值表征筑壩堆石料的剪脹變形特征。

3 筑壩堆石料變形機理分析與討論

由上述研究可知,筑壩堆石料變形破壞與其剪脹性有關,而剪脹性受圍壓影響顯著,因此,有必要分析不同圍壓條件下堆石料的剪脹變形機理。三軸壓縮下筑壩堆石料力學行為響應見圖7。

圖7 三軸壓縮下筑壩堆石料力學行為響應

由圖7可知,圍壓是影響筑壩堆石料剪脹性的重要因素,而土顆粒相互接觸后因應力集中而產生的顆粒破碎現象是土體剪切破壞的本因[17,24]。一方面,低圍壓條件下,土體隨著剪切過程的進行而被逐漸壓密,土顆粒接觸后產生顆粒破碎現象,破碎后的細顆粒填充于粗顆粒間的孔隙中,使土體宏觀狀態表現為體積收縮。但低圍壓不足以造成顆粒破碎現象的持續發生及難以約束顆粒間的運動變化趨勢,故剪切后期土體顆粒發生剪脹。另一方面,土體處于中高圍壓狀態時,土顆粒間難以發生相對滑動,且顆粒間的接觸更加緊密,顆粒破碎現象更加明顯,因此,從剪切初期直至剪切破壞后,土體顆粒在宏觀狀態下均表現為體積收縮。

為進一步量化分析不同圍壓下顆粒破碎對筑壩堆石料剪脹性的影響,試驗結束(軸向應變達15%)后,對筑壩堆石料進行再篩分處理,測定其粒徑組成,并將破碎率Bg作為顆粒破碎程度的度量,分析其與堆石料剪脹性的關系,具體見表3。

表3 堆石料剪切破壞(εa=15%)時顆粒破碎與剪脹性的關系匯總

由表3可知,筑壩堆石料剪切破壞后其剪脹性受顆粒破碎影響顯著。低圍壓下,筑壩堆石料剪切破壞后發生剪脹,圍壓不足以限制堆石料側向運動是其主要原因。中高圍壓下,筑壩堆石料剪縮特征與顆粒破碎率呈正相關,隨著顆粒破碎率的增大,堆石料剪縮特征逐漸明顯。

可用剪脹率d=dεv/dε1表征堆石料土體的剪脹程度[1]。為更清楚說明剪脹率與圍壓、顆粒破碎率之間的關系,根據表3,可得不同圍壓及不同顆粒破碎下剪脹率的變化關系。具體見圖8和圖9。

圖8 剪脹率與圍壓變化關系曲線

圖9 剪脹率與顆粒破碎率變化關系曲線

由圖8及圖9可知,三軸剪切后,筑壩堆石料剪脹率與圍壓及顆粒破碎率密不可分,均隨圍壓及顆粒破碎率的增大而逐漸減小。其中,當圍壓達到800 kPa及對應的顆粒破碎率后,剪脹率下降較快,分析其原因,圍壓較小時,筑壩堆石料顆粒破碎不明顯,此時堆石料體變特征主要以剪脹為主,而隨著圍壓的增大,土體被壓密,土體間孔隙減小,顆粒破碎現象顯著,此時體變特征以剪縮為主,故剪脹率明顯下降。

綜上所述,圍壓和顆粒破碎是筑壩堆石料在三軸壓縮下發生變形破壞的重要影響因素。顆粒破碎是發生變形破壞的內在因素,破碎后的細小顆粒填充于土顆?？紫吨?剪切破壞后堆石料在宏觀上表現為剪縮。圍壓作為外在條件使筑壩堆石料發生不同程度的顆粒破碎,且顆粒破碎率越高,堆石料剪縮特征越明顯。

4 結 論

(1) 圍壓是影響云南臨滄大橋坡水庫筑壩堆石料抗剪強度的重要因素,具體表現為破壞抗剪強度隨圍壓的增加而增大。

(2) 云南臨滄大橋坡水庫筑壩堆石料滑動摩擦角及剪脹性均與圍壓有關?；瑒幽Σ两请S圍壓的增加呈弱化特征,低圍壓時,堆石料先發生剪縮,后發生剪脹,中高圍壓時,均發生剪縮,且圍壓越大,剪縮特征越明顯。

(3) 針對云南臨滄大橋坡水庫筑壩堆石料而言,Rowe剪脹模型對其有較好的適用性,可用剪脹模型參數Kf值描述其剪脹性的變化規律。

(4) 云南臨滄大橋坡水庫筑壩堆石料發生變形破壞是圍壓和顆粒破碎綜合作用的結果。高圍壓下引起的顆粒破碎是堆石料發生剪縮的重要原因,且顆粒破碎率越大,剪縮特征越明顯。