級(jí)配和密度對(duì)西藏拉洛水利樞紐堆石料力學(xué)特性影響研究

熊澤斌，左永振，潘家軍，孫向軍

(1.長(zhǎng)江設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430010； 2.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010； 3.長(zhǎng)江科學(xué)院 土工研究所，湖北 武漢 430010； 4.水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010)

0 引 言

國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為，堆石料強(qiáng)度與變形性質(zhì)的影響因素可分為材料狀態(tài)和受力狀態(tài)，前者包括巖性、密度、級(jí)配、顆粒粒徑等，后者包括圍壓、應(yīng)力路徑等。

在級(jí)配對(duì)強(qiáng)度變形特性影響方面，姜景山等[1]認(rèn)為，粗砂和細(xì)礫含量相同時(shí)，粗礫含量越低，堆石料抗剪強(qiáng)度越小，體脹變形越大；趙曉菊等[2]認(rèn)為，隨著細(xì)顆粒含量的增加，強(qiáng)度指標(biāo)變大，抵御變形能力增強(qiáng)，剪切過(guò)程中產(chǎn)生的體積變形更小，剪脹更為明顯；馬捷等[3]認(rèn)為，隨P5含量增大，堆石料側(cè)限壓縮模量呈先增后減趨勢(shì)。

在密度對(duì)強(qiáng)度變形特性影響方面，牟聲遠(yuǎn)等[4]通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為，堆石料彈性模量數(shù)、體積模量數(shù)、破壞比、摩擦角均隨干密度的增大而增大；徐國(guó)建等[5]采用PFC2d軟件模擬三軸試驗(yàn)得出結(jié)論：隨著孔隙率增加，土體強(qiáng)度峰值逐漸降低，對(duì)應(yīng)軸向應(yīng)變?cè)龃螅w變由剪脹性逐漸向剪縮性過(guò)渡；傅華等[6]通過(guò)試驗(yàn)認(rèn)為，隨著堆石料孔隙率降低以及級(jí)配改善，堆石混合料力學(xué)指標(biāo)得到明顯提高。

上述研究大多將級(jí)配和密度二者割裂開(kāi)來(lái)，即多偏重于研究單一因素影響，對(duì)其綜合影響研究較少。然而在土石壩設(shè)計(jì)階段，為滿足不同壩體分區(qū)的設(shè)計(jì)要求，常需同時(shí)優(yōu)化填筑堆石料密度、級(jí)配等狀態(tài)變量，故有必要開(kāi)展不同密度和級(jí)配組合的堆石料力學(xué)特性試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為西藏拉洛水利樞紐工程的雪日巴唐料場(chǎng)及塔曲漫灘料場(chǎng)筑壩砂礫石料，兩料場(chǎng)的砂礫石料比重分別為2.73和2.74。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器為大型高壓三軸剪切試驗(yàn)儀，見(jiàn)圖 1。試樣為直徑300 mm、高610 mm的圓柱樣，最大試驗(yàn)圍壓可達(dá) 3.5 MPa，本次開(kāi)展4種圍壓0.3，0.6，0.9，1.2 MPa的飽和固結(jié)排水(CD)三軸試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)級(jí)配及密度

試驗(yàn)級(jí)配如圖2所示。其中級(jí)配1～4為雪日巴唐砂礫石料級(jí)配，級(jí)配5～7為塔曲漫灘砂礫石料級(jí)配。

圖2 試驗(yàn)級(jí)配曲線Fig.2 Test grading curve

GB/T 50145-2007《土的工程分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》將2～60 mm粒組分為3類(lèi)：粗礫組(20～60 mm)、中礫組(5～20 mm)、細(xì)礫組(2～5 mm)，將其質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)依次記為ΔP20～60，ΔP5～20，ΔP2～5，則可采用公式(1)～(3)近似計(jì)算3種礫組固體顆粒的個(gè)數(shù)N、表面積S及體積Vs。

(1)

(2)

(3)

上式中：V為試樣總體積，mm3，ρd為制樣干密度，g/cm3；ρw為4 ℃純蒸餾水的密度g/cm3；Gs為試樣比重。

本文采用圓柱形試樣，其體積V為42 412 cm3，7組大型三軸CD試驗(yàn)的級(jí)配、制樣干密度ρd，以及3種礫組含量ΔP如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案Tab.1 Test plan

將表1及Gs，V代入公式(1) 即可得7組級(jí)配及密度組合的3種粒組固體顆粒幾何參數(shù)(圖3)。

圖3 礫組固體顆粒幾何參數(shù)Fig.3 Geometric parameters of solid particles in gravel groups

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 三軸試驗(yàn)關(guān)系曲線

通過(guò)三軸試驗(yàn)得到雪日巴唐料4組試樣的應(yīng)力(σ1-σ3)-應(yīng)變(εa)、體變(εv)-應(yīng)變(εa)關(guān)系曲線如圖4～5所示。通過(guò)三軸試驗(yàn)得到塔曲漫灘料3組試樣的應(yīng)力-應(yīng)變、體變-應(yīng)變關(guān)系曲線(圖6～7)。

圖4 雪日巴唐料應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of Sheribatang material

圖5 雪日巴唐料體變-應(yīng)變曲線Fig.5 Variation-strain curve of Sheribatang material

圖6 塔曲漫灘料應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curve of Taqu floodplain material

圖7 塔曲漫灘料體變-應(yīng)變曲線Fig.7 Variation-strain curve of Taqu floodplain material

由圖4，6可知，對(duì)于同種堆石料，其應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)基本一致，即低圍壓下呈弱軟化趨勢(shì)，中高圍壓下均呈硬化趨勢(shì)。

由圖5可知，第1組試樣的低圍壓剪脹性最強(qiáng)，第4組試樣在高圍壓條件下的差異性最強(qiáng)。由圖7可知，第5～7組試樣在高圍壓下體變差異性方面存在顯著差異。

上述結(jié)論僅為定性分析，故有必要結(jié)合鄧肯-張模型各參數(shù)物理意義進(jìn)行詳盡分析。

2.2 鄧肯-張模型參數(shù)分析

7組試樣的鄧肯-張模型參數(shù)如表2所示。

表2 鄧肯-張模型參數(shù)Tab.2 Test results of mechanical characteristics of artificial blasting pile stone

試料黏聚力c與細(xì)礫表面積規(guī)律良好，細(xì)礫表面積越大，其黏聚力亦愈大。試料內(nèi)摩擦角φ與3種礫組顆粒總表面積規(guī)律良好，2～60 mm粒組顆粒總表面積越多，內(nèi)摩擦角值越大。圍壓為1個(gè)大氣壓時(shí)的剪切角值φ0與中粗礫顆粒總個(gè)數(shù)規(guī)律良好，中粗礫顆粒總個(gè)數(shù)越大，其值亦愈大。圍壓增加10倍時(shí)，剪切角的減小量Δφ與5～60 mm粒組顆粒個(gè)數(shù)規(guī)律性良好。5～60 mm粒組顆粒個(gè)數(shù)越多，內(nèi)摩擦角值越大。

圍壓為1個(gè)大氣壓時(shí)的初始切線模量與大氣壓的比值K，與3種礫組顆粒個(gè)數(shù)總和規(guī)律良好，2～60 mm粒組顆粒個(gè)數(shù)越多，其值亦愈大。初始切線模量隨著圍壓增大而增大的急劇程度參數(shù)n與3種礫組顆粒總表面積規(guī)律良好，2～60 mm粒組顆粒總表面積越大，其值亦愈小。破壞應(yīng)力和雙曲線模型下極限應(yīng)力的比值Rf值與3種礫組顆粒總表面積規(guī)律良好，2～60 mm粒組顆粒總表面積越大，其值亦愈大。

參數(shù)G為圍壓為1個(gè)大氣壓時(shí)初始切線泊松比，參數(shù)F為初始切線泊松比隨圍壓增大而增大的急劇程度，參數(shù)D反映較小的偏應(yīng)力增量引起側(cè)向膨脹應(yīng)變?cè)隽康拇笮〕潭龋瑓?shù)G，F(xiàn)，D與粒組固體顆粒幾何參數(shù)無(wú)明顯規(guī)律。這可能與E-μ模型本身存在的不足有關(guān)，故僅需分析E-B模型。

參數(shù)Kb為圍壓是1個(gè)大氣壓時(shí)切線體積模量與大氣壓的比值，與5～60 mm粒組顆粒個(gè)數(shù)規(guī)律性良好。5～60 mm粒組顆粒個(gè)數(shù)越多，其值越大。初始切線體積模量隨圍壓增大而增大的急劇程度參數(shù)m，與中粗礫顆粒總個(gè)數(shù)規(guī)律良好，中粗礫顆粒總個(gè)數(shù)越大，其值亦愈大。

總體來(lái)看，鄧肯-張E-B模型參數(shù)(表2)與中粗礫石顆粒個(gè)數(shù)具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)西藏拉洛水利樞紐工程的雪日巴唐料場(chǎng)及塔曲漫灘料場(chǎng)的砂礫石料，開(kāi)展7組不同級(jí)配和密度組合的大型飽和固結(jié)排水三軸試驗(yàn)，結(jié)合粗礫、中礫、細(xì)礫粒組的固體顆粒幾何參數(shù)，分析了不同級(jí)配和密度組合對(duì)筑壩堆石料強(qiáng)度-變形特性的影響規(guī)律。

本文研究仍存在不足，如計(jì)算20～60 mm粒徑范圍內(nèi)顆粒個(gè)數(shù)時(shí)，以40 mm球體近似代替，下一步可考慮基于級(jí)配方程進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，研究固體顆粒個(gè)數(shù)與強(qiáng)度、模量之間的定量關(guān)系，為填筑堆石料的密度、級(jí)配優(yōu)化提供參考依據(jù)。