粗粒料的濕化變形三軸試驗研究

姜燊燊，遲世春

(1.大連理工大學 海岸與近海工程國家重點實驗室， 遼寧 大連 116024；2.大連理工大學 建設工程學部水利工程學院 工程抗震研究所， 遼寧 大連 116024)

粗粒料的濕化變形指的是在一定應力狀態下的壩體堆石料由于浸水產生變形。濕化變形的原因包括巖體顆粒飽和軟化、水的潤滑作用引起顆粒的滑移和重排以及顆粒的破碎。心墻堆石壩上下游壩殼堆石區在初次蓄水以及降雨的影響下產生濕化變形，由于不協調的變形會導致壩體裂縫，甚至形成滲漏通道，威脅壩體安全。因此，對于粗粒料的濕化變形研究非常重要。

目前，對于濕化變形的計算主要通過“單線法”和“雙線法”試驗研究得到。試驗方法如圖1所示。

圖1 濕化試驗方法

梁晨等[1]在論文中對堆石料濕化試驗的研究進行了總結，大致分為三個階段，第一階段采用單向固結儀進行濕化變形的研究；第二階段通過三軸儀采用“雙線法”進行濕化試驗研究；第三階段基于我國學者劉祖德[2]提出的“單線法”濕化試驗。沈珠江等[3]認為在低應力水平下濕化體積變形量可以近似為常數。李國英等[4]根據試驗數據發現濕化體變與圍壓相關，基于此對沈珠江模型進行了修正。左元明等[5]通過對比“單線法”和“雙線法”試驗得出濕化變形與應力路徑有關，簡單采用雙線法是不合理的。李廣信等[6]對影響濕化變形的因素進行了研究。張少宏等[7]通過試驗研究發現濕化體變和濕化軸變的關系并非雙曲線關系。王富強等[8]通過比較試驗數據發現，濕化體變與圍壓和應力水平都有關。付江等[9]通過研究提出濕化體變分為由圍壓引起的體變和偏應力引起的體變兩部分組成，由圍壓引起的體變隨圍壓增大而增大，有偏應力引起的體變隨應力水平的增大而減小。彭凱等[10]通過試驗研究發現濕化體積變形與圍壓呈雙曲線關系，濕化軸變與圍壓可以用直線擬合。李鵬等[11]采用高壓三軸儀進行試驗，認為同等圍壓下濕化軸變隨應力水平增大而增大，濕化體變隨應力水平增大而減小。李全明等[12]通過分析公伯峽粗粒料的三軸濕化試驗成果，提出了改進的沈珠江模型。魏松等[13]對濕化后顆粒破碎進行分析發現濕化變形和顆粒破碎呈現很好的相關性，認為濕化變形可以從顆粒破碎的角度加以解釋。周雄雄等[14]分析濕化試驗數據發現濕化體變與濕化軸變的比值k、平均主應力p和廣義剪應力q三者滿足扭面關系。當k恒定時，此扭面變為p-q平面內一條經過原點的直線。2018年張延億等[15]對砂板巖混合堆石料進行單線法濕化試驗研究得出球應力為影響濕化體變的主要因素。濕化體積應變與濕化應力較好的符合線性函數關系。孫振遠等[16]通過對石英砂巖的浸水濕化試驗表明單線法浸水變形小于雙線法試驗得到的濕化變形，同時單線法試驗路徑更加合理。

這些已有濕化試驗成果差別較大，模型眾多，所以對于粗粒料的濕化研究仍有必要。本文采用粗粒土大型蠕變壓縮儀，對粗粒料進行濕化性質研究。分析其濕化變形特性，通過試驗數據給出濕化變形的定性結論，為后續研究提供支持。

1 三軸濕化試驗

1.1 試驗儀器

本次試驗采用大型三軸試驗儀，通過液壓控制系統施加圍壓、軸力和位移。通過數據采集軟件可以實現常規三軸試驗的自動控制。本設備的軸位移、側位移、圍壓和軸力的最小度量值分別為0.01 mm、0.01 mm、0.001 kPa和0.01 kN。

1.2 試驗材料

本次試驗采用大連石灰巖作為試驗材料，試樣最大粒徑60 mm，制樣密度2.215 g/cm3，試樣級配曲線如圖2所示。

圖2 粗粒料的質量累計曲線

1.3 試驗方案

本次試驗目的是獲取各個圍壓下不同應力水平時試樣的濕化體變，探討濕化體變與圍壓及應力水平之間的關系。試驗采用3個圍壓，每個圍壓下進行4個應力水平下的濕化試驗，這樣每個圍壓就得到4個濕化體變。

具體方案是：試驗共分三組，分別對應圍壓800 kPa、1 000 kPa、1 200 kPa。每個圍壓分四個應力水進行浸水濕化，分別是SL=0.0、0.5、0.75、0.9。

1.4 試驗方法

制樣時，將風干樣按照試驗級配(見圖2)進行稱料，攪拌均勻，分六層填入承膜桶，每層振搗密實。為了防止風干料的制樣離析，每層預留部分細顆粒撒在振搗密實后的試樣頂面。

試樣準備完成，將試樣在一定圍壓下固結穩定后進行三軸排氣剪切試驗，剪切速率1 mm/min。待試樣剪切到一定應力水平時，調整為力控加載速率為1 kN/s,保持應力水平不變。等到風干樣在力控下達到穩定后(穩定標準：軸位移在20 min內變化量小于0.1 mm)向試樣內部加水進行濕化，同時保持應力水平不變，在試樣出水后繼續通水30 min使試樣充分飽和。達到濕化穩定(穩定標準：軸位移在20 min內變化量小于0.1 mm)之后結束試驗。

1.5 非飽和樣體變測量

三軸試驗主應力差的計算和體應變以及軸應變的計算都依賴于試樣體積變化量。非飽合樣的體變測量的合理與否將直接決定濕化試驗數據結果的準確性。

根據三軸試驗儀器原理，對于非飽和樣的體積變化的測量采用通過試樣外液體也即壓力室液體體積變化進行間接擬合。1 000 kPa圍壓下常規飽和三軸試驗結果和擬合試驗結果如圖3和圖4所示。可見通過試樣外液體變化進行間接度量試樣體變是可行的。

從圖3和圖4可以看出，用擬合數據計算出來的應力-應變曲線與實際測量得到的數據基本重合，擬合出來的應變-體變曲線與實際測量的趨勢相同，數值稍有誤差。在現有儀器條件下滿足后續試驗的要求。

2 試驗成果及分析

2.1 粗粒料濕化試驗成果

依據濕化三軸試驗的結果，整理出各圍壓下的(σ1-σ3)-εα、εv-εα之間的關系(見圖5—圖7)。

2.2 試驗數據分析

從圖5—圖7中濕化應力-應變關系我們可以發現：在同一圍壓下，由εv-εα關系可以看出，在三軸試驗過程中從加水開始到完全濕化過程中濕化體變和濕化軸變基本呈直線關系，此直線的斜率隨著濕化應力水平的增大而變緩。

圖3 應力-應變曲線

圖4 應變-體變曲線

圖5 800 kPa圍壓試驗數據

圖6 1 000 kPa圍壓試驗數據

截取加水濕化至濕化結束段數據見表1。增量體變與圍壓和應力水平的關系如圖8和圖9所示。

由圖8和圖9我們可以得到兩個結論：

(1) 濕化體變增量與圍壓大致呈現線性關系。

(2) 濕化體變存在一個臨界應力水平；在小于臨界應力水平的應力下濕化體變隨著應力水平增大而增大，當超過臨界應力水平后濕化體變隨應力水平增大而下降。

圖7 1 200 kPa圍壓試驗數據

表1 濕化試驗數據

圖8 濕化體變與SL關系

圖9 濕化體變與σ3關系

3 濕化體變計算公式

3.1 濕化試驗公式

對于濕化體變的計算，本次數據見表2。依據試驗數據和兩個結論：濕化體變和圍壓之間呈現很好的線性關系，見圖6。這種關系可以描述為：

(1)

式中:k為直線的斜率；b為直線截距；Pa為標準大氣壓取為101 kPa。濕化體變與應力水平之間關系可以用式(2)描述：

(2)

式中：Δεv為增量濕化體變;SL為應力水平;A，D與圍壓相關的濕化體變(與圍壓呈線性關系);SLc為臨界應力水平;B，n為模型參數

參數D，可以簡單處理采用零應力水平下的濕化體變替代。參數A，由公式可知令SL=SLc時Δεv=A+D,所以可以通過試驗測得臨界應力水平下濕化體變Δεv，結合零應力水平體變得到參數A。

對于B,n模型參數，通過非線性最小二乘法進行擬合得到。

這里需要強調對于參數A和D與兩個應力狀態下濕化體變有關；第一個是零應力情況下的濕化應力水平，第二個是臨界應力水平所對應的濕化體變。這兩體變也對應濕化體變的最大和最小值。

結合本次試驗數據對計算公式的各個參數進行擬合，擬合結果及相關系數R2如表2所示。

表2 大連石灰巖模型參數

根據相關系數R2以及圖8中的曲線可以發現公式可以較好的擬合試驗數據。

3.2 公式的驗證

公式對本次試驗數據能夠較好的擬合，但是對于其他試驗數據的適用性依然需要驗證。這里采用觀音巖濕化試驗數據和西域礫巖[17]進行擬合分析。

觀音巖濕化試驗數據擬合圖形如圖10所示，模型參數如表3所示。西域礫巖濕化試驗數據擬合圖形如圖11所示，模型參數如表4所示。

由表3、表4和圖10、圖11可以發現利用本次試驗得出的公式能夠較好的擬合觀音巖和西域礫巖濕化試驗數據。

圖10 觀音巖公式擬合圖

表3 觀音巖模型參數

圖11 西域礫巖公式擬合圖

表4 西域礫巖模型參數

3.3 公式的一些說明

公式中模型參數B，n需要先確定A，D后通過試驗數據利用非線性最小二乘法擬合得到；每個圍壓可以進行一次擬合，然后通過算術平均求得B，n。由目前濕化試驗數據來看n可以直接取為2。

臨界應力水平并沒有取一個固定的值，需要結合試驗特性并根據實際實驗的曲線關系進行實際的判斷。對于臨界應力水平的機理以及取值還需要進行深入的研究。

3.4 關于臨界應力水平

對于濕化臨界應力水平進行簡單的解釋說明。最早在濕化試驗中提出這個濕化臨界應力水平概念的可以追溯到楊小龍[17]對西域礫巖濕化試驗的研究。

但是出現臨界應力水平點的濕化試驗，可以追溯到左元明等[18]對于小浪底壩石料的濕化試驗研究，在方緒順[19]以及魏松[20]的研究中都不同程度出現臨界應力水平。其中左元明的文章中最早出現濕化體變隨著應力水平的增大先增加后下降的趨勢，為了濕化的簡單計算將濕化應力水平小于0.5時濕化體變取為常數。對于方緒順等的試驗數據的總結發現濕化體變隨著應力水平增加一直減小。魏松等人的研究在應力水平為0.8左右出現了體變隨應力水平增加而下降的情況。

總結左元明、方緒順、魏松、楊小龍等的濕化試驗結合本次濕化試驗數據可以發現在試樣在進行常規三軸飽和樣剪切試驗過程中都出現了不同程度的剪脹現象。所以有理由認為濕化變形臨界應力水平與試樣的剪脹性有關。

4 結 論

通過對大連石灰巖試驗數據的分析可以得出如下結論：

(1) 本次濕化試驗存在臨界應力水平，在應力水平小于臨界應力水平時濕化體變隨著應力水平增大而增大，在應力水平超過臨界應力水平后濕化體變隨著應力水平的增加而降低。

(2) 在相同應力水平下，濕化體變隨著圍壓增大而線性增大。

(3) 濕化過程中，濕化體變和濕化軸變之間呈現線性關系，隨著圍壓的增大，斜率降低，隨著濕化應力水平的增大，直線的斜率降低。

(4) 結合本次試驗數據提出了濕化體變計算的公式。通過對不同材料濕化試驗數據的對比發現公式具有較好的適用性。