兩河口堆石壩堆石料蠕變特性試驗研究

程 博,劉斌云,李海芳

(1.北京工業大學建筑工程學院,北京 100124;2.中國水利水電科學研究院巖土所,北京 100148)

兩河口堆石壩堆石料蠕變特性試驗研究

程 博1,劉斌云1,李海芳2

(1.北京工業大學建筑工程學院,北京 100124;2.中國水利水電科學研究院巖土所,北京 100148)

針對堆石料蠕變的力學特性,采用大型高壓三軸蠕變儀,對兩河口堆石壩堆石料進行了蠕變試驗。試驗在常規等圍壓加載方式的基礎上,采用了等應力比加載方式,并對堆石料蠕變試驗的結果和加載方式進行了討論。結果表明采用等應力比加載方式,堆石料變形更接近堆石料實際蠕變過程。

堆石料;蠕變試驗;加載方式;應力比;模型

0 前 言

在水電工程建設中,土石壩以其施工簡單,抗震效果好等優點備受重視。隨著施工機械和設計理念的提高,我國建成了水布埡等幾座大型高土石壩。但是國內外許多工程實例表明,堆石體的蠕變(后期變形)過大,引起壩體面板、止水、廊道的變形,對大壩正常運行產生不利的影響。因此,壩體的沉降量是衡量大壩運行狀況的重要指標[1]。

沈珠江和左元明等[2]較早地進行了堆石料的蠕變特性研究工作。通過試驗,建議了三參數雙曲線形的堆石料蠕變模型,在之后的研究中采用了指數衰減型蠕變模型[3];程展林,丁紅順通過堆石料的三軸蠕變試驗,提出了九參數冪函數蠕變模型[4]。王勇和殷宗澤采用雙曲線函數經驗公式計算堆石蠕變變形[5]。這些蠕變模型在一定程度上反映了堆石蠕變的規律,但由于堆石體蠕變變形發生影響因素多,因此在研究中選擇科學的方法很重要。

本文利用大型高壓三軸蠕變儀,分別采用等圍壓和等應力比加載方式,對兩河口面板堆石壩壩體堆石料進行了蠕變試驗,初步探討了堆石蠕變試驗的試驗方法,變形規律。

1 試驗儀器和試驗方法及加載方式

1.1 試驗儀器和試驗方法

試驗采用大型高壓三軸蠕變儀。其主要技術指標為:試樣尺寸為 Ф 300 mm×700 mm;最大周圍壓力為4MPa;最大軸向壓力為1 000 kN。采用砝碼并通過液壓提供軸向壓力與周圍壓力,設計最長恒載穩定時間能夠達6個月。

采用兩河口堆石壩堆石料,其級配曲線見表1。制樣控制干密度為2.14 g/cm3,分五層人工夯實制樣,采用靜水頭飽和。各級圍壓根據壩高確定,相應的軸向荷載由應力比和材料的抗剪強度確定。

表1 兩河口堆石壩堆石料級配(小于某粒徑之土重百分數%)

1.2 加載方式

常規的蠕變試驗采用等圍壓的加載方式,本文根據堆石體實際的蠕變規律采用等應力比的加載方式。

(1)等圍壓加載

向試樣施加荷載的簡圖如下。

對飽和后的試樣施加周圍壓力進行固結,待試樣排水穩定后施加軸向壓力,并保持軸向壓力與周圍壓力的穩定。在本級軸向壓力下流變變形穩定后,保持周圍壓力不變,施加下一級軸向壓力,繼續進行流變試驗。依次逐級施加軸向壓力,并繼續進行流變試驗至結束。

(2)等應力比加載

向試樣施加荷載的簡圖如下。

對飽和后的試樣施加周圍壓力進行固結,待試樣排水穩定后施加軸向和周圍壓力,并保持軸向壓力與周圍壓力的穩定。在本級壓力下蠕變變形穩定后,保持應力比不變,施加下一級周圍壓力和軸向壓力,繼續進行蠕變試驗。依次逐級施加壓力,并繼續進行蠕變試驗至結束。應力比分別采取1.5,2.0,3.0,3.5,4.0,圍壓分別為0.5 MPa,1.0 MPa,1.5 MPa,2.0MPa,2.5 MPa,3.0 MPa。

2 試驗結果分析及加載方式的比較

2.1 堆石料變形分析

根據試驗結果,繪制了軸向應變、體積應變隨時間的變化曲線,如圖1～圖4所示。

采用等應力比的加載方式,軸向變形與體積變形與時間的變化關系均呈現初期變化迅速,而當堆石料逐漸密實,堆石料的變形轉為蠕變變形,后期變形趨于平緩,進入一個長期的緩慢變化過程。

圖1 等應力比加載方式下軸向變形與時間關系(應力比3.0)

圖1為堆石料軸向應變與時間的關系曲線。從圖1可以看出,在荷載施加后的較短時間內,堆石料的軸向應變迅速增加,大約在加載后1 h左右軸向變形速率變緩并逐漸趨于穩定。同一應力比情況下,圍壓較小時,軸向變形趨于穩定的起始時間要早一些。反之,圍壓較大時,變形趨于穩定的時間遲一些,圍向荷載較大時軸向變形更大。

采用體變管量測試樣排出的水量,以此計算試樣的體積變化,圖2為堆石料體積變形與時間的關系曲線。與試樣軸向變形的特征類似,在荷載施加后的較短時間內,試樣的體積變形迅速增加,而后進入蠕變變形階段,試樣體積變形速率變緩并逐漸趨于穩定。

其他應力比條件下堆石料的軸向變形、體積變形與時間的關系特征是類似的。

圖2 等應力比加載方式下體積變形與時間關系(應力比3.0)

圖3 軸向變形與時間在單對數坐標中的關系

圖3是軸向變形與時間在單對數坐標中的關系,可以看出,在對數坐標中,軸向變形與時間成線性關系,而且通過試驗獲得堆石料軸向變形隨時間的變化規律,對于不同的圍壓和應力比,這種線性關系是類似的。因此,可以采用對數函數描述軸向變形與時間的關系,即

式中:t為蠕變試驗中的時間點,t0作為蠕變開始的時間點,為一定值,這里取歷時較長的1 d作為蠕變開始的時間點,即t0=1440 min,在式(1)中,當t=1440 min時,a稱之為軸向初始蠕變;b為軸向變形擬合曲線的斜率,表示試樣的軸向蠕變速率,稱之為軸向蠕變系數。

圖4 體積變形與時間在雙對數坐標中的關系

同理,圖4是體積變形與時間在雙對數坐標中的關系線,可以看出,體積變形與時間呈線性關系,因此可以采用冪函數擬合堆石料體積變形與時間的關系,即

式中:α為當t=1440 min時試樣的體積變形,稱之為體積初始蠕變;β為體積蠕變擬合曲線的斜率,表示試樣的體積蠕變速率,稱之為體積蠕變指數。

在上述軸向變形、體積變形是時間的函數關系中α,β的取值與試驗采用的應力比及圍壓有關,通過分析可以得出α,β的函數取值。

另外,t0取值1440 min,有效避免了在處理數據時,軸向初始蠕變和體積初始蠕變為負值的情況,如圖5所示,因此t0的取值對于函數參數的選擇影響較大。

圖5 體積初始蠕變與應力比、圍壓關系

2.2 兩種加載方式的對比分析

傳統三軸試驗采用等圍壓的三軸試驗方法進行,使得試驗確定的應力-應變關系計算結果與實際工程的應力、變形相差較大,而實際中施工期堆石壩體的大部分區域的主應力比保持常數,在水荷載作用下,有效平均應力增加,而 σ1-σ3減少。即在堆石填筑過程中,隨著堆石體的不斷升高(隨著筑壩高度的增加),σ1(垂直方向)增加,σ3也隨著 σ1的增加而增加,σ1/σ3基本為常數。采用等應力比的加載方式正是根據實際工程中堆石料的應力特性,圍壓與軸壓等比例增加,因而更接近堆石壩實際的蠕變過程。

3 結 論

(1)本文給出了堆石料在等應力比加載方式下蠕變的變形規律。

(2)初步探討了在等應力比加載方式下,堆石料蠕變變形規律可以用對數函數、冪函數描述,t0的取值影響著函數參數的選擇。

(3)對堆石料在不同加載方式下蠕變變形的影響進行了探討,得出在等應力比加載方式下,堆石料蠕變試驗更接近實際工程的應力特性。

[1]楊 鍵.天生橋一級水電站面板堆石壩沉降分析[J].云南水力發電,2001,17(2):59-63.

[2]沈珠江,左元明.堆石料的流變特性試驗研究[C]//第六屆全國土力學及基礎工程學術會議論文集.上海:同濟大學出版社,1991:443-446.

[3]沈珠江,趙魁芝.堆石壩流變變形的反饋分析[J].水利學報,1998,40(6):1-4.

[4]程展林,丁紅順.堆石料蠕變特性試驗研究[J].巖土工程學報,2004,26(4):473-476.

[5]王 勇,殷宗澤.一個用于面板壩流變分析的堆石流變模型[J].巖土力學,2000,21(3):227-230.

Experimental Study on Creep Properties of Lianghekou Dam's Rockfill Materials

CHENG Bo1,LIU Bin-yun1,LI Hai-fang2
(1.College of Architectural Engineering,Beijing Polytechnical University,Beijing100124,China;2.Department of Geotechnical Engineering,China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing100048,China)

According to the mechanical properties of rockfill material creep,the large triaxial creep apparatus with high pressure isused to carry out the creep test for Lianghekou Dam's rockfill materials,which adoptsthe equivalent stress ratio loading mode based on the routine confining pressure.Through the experiments,the results of the rockfill creep test and its loading mode are discussed in detail.The experimental results show that by taking the equivalent stress ratio loading method,the deformation of the rockfill material is more close to the actual process of the rockfill creep.

rockfill material;creep test;loading model;stress ratio;model

TU43

A

1672—1144(2012)05—0065—03

2012-03-08

2012-04-05

北京工業大學建工學院市政工程北京市重點實驗室項目

程 博(1986—),男(漢族),河南安陽人,碩士研究生,研究方向為水工結構可靠度分析。