西南某水電站壩址河床覆蓋層大型三軸試驗(yàn)

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州，310014；2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都，610059)

1 引言

近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，對水利資源的開發(fā)利用逐漸增加，尤其在我國的西南地區(qū)水力資源豐富，修建了諸多水電站。但是在西南地區(qū)復(fù)雜地貌下，有著許多工程問題。尤其是西南高山峽谷地區(qū)河床覆蓋層結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，級配、干密度、力學(xué)性質(zhì)變化大，原位結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、顆粒分選性差、大小不同的礫石相互交疊，真實(shí)掌握覆蓋層的工程力學(xué)特性是工程界的一大難題，目前常采用的是原位實(shí)驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法。原位實(shí)驗(yàn)在諸多條件下，有著工序簡單、試樣擾動小、精確度高的優(yōu)點(diǎn)[1]。但是在研究覆蓋層的力學(xué)特性時，許多常規(guī)試驗(yàn)沒有原位實(shí)驗(yàn)的條件，只能在室內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，這就對室內(nèi)試驗(yàn)的精度提出了更高的要求。目前，有多種試驗(yàn)方法可以測定巖土體強(qiáng)度特性，其中三軸試驗(yàn)可直接測得土體的C，φ值。研究發(fā)現(xiàn)，在水電工程的壩址區(qū)、引水隧道、公路鐵路隧道及地下廠房等工程所處的巖體內(nèi)同時存在著滲流場、應(yīng)力場、溫度場的作用，當(dāng)巖體遇到工程擾動時這些存在于巖體內(nèi)的滲流場、應(yīng)力場、溫度場就會相互作用，使巖體內(nèi)的這些因素在相互作用下達(dá)到動態(tài)平衡[2]。研究發(fā)現(xiàn)，在滲流場、應(yīng)力場、溫度場耦合作用下由工程擾動引起的巖體裂隙的起裂、擴(kuò)展和連接貫通是造成這類工程巖體破壞的主要因素[3]。滲流場-應(yīng)力場-溫度場耦合的大型三軸試驗(yàn)是一種精確度極高的三軸剪切實(shí)驗(yàn)方法，最大的特點(diǎn)是考慮了巖體中的滲流場、溫度場、應(yīng)力場的相互作用和影響，在實(shí)驗(yàn)中模擬巖體在三場作用下的受力情況，從而得到真實(shí)的巖體強(qiáng)度參數(shù)，并利用鄧肯模型對參數(shù)進(jìn)行了擬合。鑒此，本文結(jié)合雅礱江上某水電工程進(jìn)行了大型三軸試驗(yàn)，并得到了詳實(shí)精確的數(shù)據(jù)，為測定覆蓋層的強(qiáng)度參數(shù)提供了一種可靠性更強(qiáng)的使用方法，為工程設(shè)計(jì)提供客觀、合理的依據(jù)。

表1 試樣編號及取樣高程

表2 材料級配分布

表3 最大、最小干密度試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用的儀器為河海大學(xué)與溧陽市永昌工程實(shí)驗(yàn)儀器有限公司共同研制的“滲流場-應(yīng)力場-溫度場耦合的大型三軸試驗(yàn)儀”，如圖1所示。該儀器最大軸向力為3000kN，最大圍壓為3MPa。

圖1 三場耦合三軸試驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 試驗(yàn)過程

在上述三軸儀上，進(jìn)行了土樣編號為Q1、Q2的風(fēng)干及飽和狀態(tài)的三軸剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)所需材料級配與相對密度試驗(yàn)相同，初始試樣密度取相對密度Dr=1，每組試樣分別開展0.4MPa、0.8MPa、1.2MPa和1.6MPa圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn)，主要步驟為：

(1)試樣制備。采用分層裝填、分層擊實(shí)法制樣。試樣分五層裝入成型筒內(nèi)，每層厚約14cm～16cm，用振動器分5次振實(shí)，振動器型號同相對密度試驗(yàn)所用型號相同(試樣表面靜載為14kPa，振動頻率為40Hz)，如圖2所示。根據(jù)試樣要求的干容重的大小控制振動時間，振動擊實(shí)后拆除成型筒，成型后的試樣如圖3所示。

(2)試樣飽和。飽和狀態(tài)的三軸試驗(yàn)需要試樣飽和。試樣裝進(jìn)壓力室，將壓力室充滿水，打開進(jìn)水閥，采用抽氣飽和與靜水灌注使試樣從下而上進(jìn)行飽和，直至孔隙壓力系數(shù)B大于或等于0.95時，認(rèn)為試樣已達(dá)到飽和。

(3)等向固結(jié)。每組試驗(yàn)為4個試樣，分別施加圍壓0.4MPa、0.8MPa、1.2MPa和1.6MPa，進(jìn)行等向固結(jié)，固體變由計(jì)算機(jī)同步測讀，如圖4所示，直至體積變化趨于穩(wěn)定，即認(rèn)為固結(jié)完成，記錄體積變化量。

(4)試驗(yàn)剪切。等向固結(jié)完成后，開始對試樣進(jìn)行剪切。剪切速率控制為1.0mm/min。剪切過程中由計(jì)算機(jī)采集試樣的軸向荷載、軸向變形和體積變化并同步繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線及應(yīng)變-體變曲線，直至試樣破壞或至試樣軸向應(yīng)變的20%。當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線有峰值時，以峰值點(diǎn)為破壞點(diǎn)，峰值點(diǎn)所對應(yīng)的主應(yīng)力差(σ1-σ3)為該堆石料的破壞強(qiáng)度，反之則取軸向應(yīng)變的20%所對應(yīng)的點(diǎn)為破壞點(diǎn)，對應(yīng)的主應(yīng)力差(σ1-σ3)為該堆石料的破壞強(qiáng)度，剪切破壞的試樣如圖5所示。

(5)顆粒分析。待剪切結(jié)束后，取出試樣進(jìn)行篩分試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)顆粒破碎情況。

圖2 試樣制備

圖3 制備好的試樣

圖4 計(jì)算機(jī)自動采集系統(tǒng)

圖5 剪切破壞的試樣

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述操作可得出試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，并繪制莫爾應(yīng)力圓，從而得到對應(yīng)的力學(xué)參數(shù)。由于堆石料的抗剪強(qiáng)度不符合Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，可通過參數(shù)擬合得到更加真實(shí)的數(shù)據(jù)。

3.1 三軸試驗(yàn)曲線

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制曲線如圖6、圖7所示：

(a)飽和 (b)風(fēng)干

(a)飽和 (b)風(fēng)干

通過試驗(yàn)曲線可知，Q1卵石料的強(qiáng)度略高于Q2卵石料；風(fēng)干狀態(tài)強(qiáng)度高于飽和狀態(tài)；風(fēng)干狀態(tài)的剪脹性強(qiáng)于飽和狀態(tài)，符合一般規(guī)律。

3.2 顆粒破碎統(tǒng)計(jì)

三軸試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行顆粒篩分，不同工況下的顆粒破碎情況如圖8、圖9所示：

(a)飽和 (b)風(fēng)干

(a)飽和 (b)風(fēng)干

試驗(yàn)前后級配變化差別不大，說明顆粒破碎量較小；顆粒破碎量隨著圍壓的增大而增大，符合一般規(guī)律。

3.3 鄧肯模型參數(shù)整理

Duncan和Chang于1970年提出E-μ非線性彈性模型，它以假定(σ1-σ3)～εa和εa～εr皆為雙曲線關(guān)系為基礎(chǔ)，通常也稱為雙曲線模型。該模型共含8個參數(shù)：φ、c、Rf、K、n、G、F、D。隨后Duncan等人于1980年將E-μ模型進(jìn)行改良，提出用體積模量Bt代替切線泊松比νt，可更為合理的表達(dá)土體在較高應(yīng)力水平下的力學(xué)性質(zhì)[4]。改良后的模型稱為E-B模型，共含7個參數(shù)：φ、c、Rf、K、n、Kb、m。

c、φ是采用線性強(qiáng)度準(zhǔn)則(Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則)而得到的[5]。對于堆石材料，當(dāng)應(yīng)力水平較高時，由于顆粒破碎的影響，其強(qiáng)度包絡(luò)線呈非線性，抗剪強(qiáng)度不符合Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。所以堆石材料選用非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則更為合理[6]。本次參數(shù)擬合采用非線性強(qiáng)度參數(shù)φo、△φ代替線性強(qiáng)度參數(shù)c、φ。根據(jù)上述方法，整理的鄧肯模型(E-μ，E-B模型)參數(shù)見表4及表5。

表4 大三軸剪切試驗(yàn)鄧肯模型(E-μ)參數(shù)

表5 大三軸剪切試驗(yàn)鄧肯模型(E-B)參數(shù)

擬合所得參數(shù)的取值位于卵石料鄧肯模型參數(shù)的變化范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

(1)壩基覆蓋層具有很強(qiáng)的原位結(jié)構(gòu)，新型大型三軸試驗(yàn)儀考慮到巖石變形過程中滲流場-應(yīng)力場-溫度場之間的相互耦合，從而能夠精確地測得試樣的力學(xué)參數(shù)。

(2)將新型張拉式直剪試驗(yàn)法應(yīng)用于雅礱江某水電站壩址處表層覆蓋層原位強(qiáng)度測試，測得的強(qiáng)度指標(biāo)值為見表4、表5，在建議范圍內(nèi)。