高填方粗粒土干濕循環及蠕變特性三軸試驗研究

摘要：白鶴灘水電站庫區蓄水后，其高填方場地將長期經歷水位升降，對于場地的變形和穩定來說十分不利。依托于白鶴灘水電站庫區移民安置區消落帶高填方場地穩定性研究項目，通過大型常規三軸剪切試驗和蠕變試驗分析了粗粒土在干濕循環作用和飽水條件下的應力應變關系、剪切形態特征、長期強度、變形規律等，得到主要結論如下：①粗粒土的強度隨著干濕循環次數的增加逐漸降低；②干濕循環次數n≤3時，粗粒土試樣先剪縮后剪脹，ngt;3時，粗粒土只有剪縮變形；③粗粒土的峰值偏應力隨著干濕循環次數的增加逐漸降低，圍壓越高干濕循環作用對粗粒土抗剪強度損傷劣化的影響越大；④粗粒土的長期強度較剪切破壞強度有所降低，在低圍壓下降幅較小，一般情況下可達到剪切破壞強度的80%甚至更高，在高圍壓下由于顆粒破碎嚴重粗粒土的長期強度損傷較大。

關鍵詞：粗粒土；干濕循環；常規三軸；蠕變試驗；損傷劣化；長期強度

中圖分類號：TV697.4+4文獻標識碼：A文章編號：1001-9235（2024）08-0019-10

Triaxial Tests on Dry-wet Cycle and Creep Behavior of High-fill Coarse-grained Soil

WU Guoli，JIBinbin，LIANGJunjun，HUANGZhongchun，XIONGTanqing

（China Water Resources Pearl River Planning，Surveyingamp;DesigningCo.，Ltd.，Guangzhou 510610，China）

Abstract：After the Baihetan Dam reservoir area is impounded，the high fill site will experience the rise and fall of water level for a long time，which is very disadvantageous to the deformation and stability of the site.This paper focuses on the stability of high-fill sites.It is part of the Baihetan Dam project in the water-level-fluctuating zone of the resettlement area in the reservoir area.The research examines the effects of wet-dry cycles and saturation on coarse-grained soil.Methods include large-scale triaxial shear and creep tests.The investigation assesses stress-strain relationships and shear morphology.It also evaluates the long-term strength and deformation laws.Key conclusions are presented as follows：①The strength of coarse-grained soil gradually decreases with an increase in the number of dry-wet cycles.②When the number of dry-wet cycles n≤3，coarse-grained soil samples first shrink and then dilate;when ngt;3，coarse-grained soil only undergoes shear deformation.③The peak deviating stress of coarse-grained soil decreases gradually with the increase in the number of dry-wet cycles，and the higher the confining pressure，the greater the effect of dry-wet cycles on the damage and deterioration of the shear strength of coarse-grained soil.④The long-term strength of coarse-grained soil is lower than that of shear failure strength.The drop range of low confining pressure is smaller，generally reaching 80%or even higher of shear failure strength under normal circumstances;under high confining pressure，the long-term strength damage of coarse-grained soil is greater because of particle breakage.

Keywords：coarse-grainedsoil;dry-wetcycle;conventional triaxial test;creeptest;damagedeterioration;long-term strength

粗粒土結構組分復雜，具有強烈的不連續性、非均質性和各向異性，物理力學性質介于土體與碎裂巖體之間［1］。由于粗粒土粒徑較大，國內外出現了各種大型和超大型試驗儀器，其中三軸儀因其應用范圍廣，測量參數多，沿最弱結構面而非固定結構面剪切破壞，更能真實地反映土的工程性質而被眾學者認可。對于粗粒土的強度問題，郭慶國［2］、陳希哲［3］發現粗粒土莫爾圓公切線與縱坐標的截距不為0，結合大量工程實踐確認存在一種咬合力使粗粒土的強度大幅度提高。多數學者［4-7］認為影響粗粒土抗剪強度的因素有：密實度、圍壓、顆粒級配、顆粒形狀、顆粒本身強度、含水量、高徑比、試樣尺寸、應力歷史、加載方式和剪切速度等。除了考慮強度問題外，最重要的就是變形問題，粗粒土剪切形態可分為剪脹和剪縮2種［8-9］。

鄭治［10］認為干濕循環會引起填石料的再次變形。王海俊等［11］認為堆石料變形隨循環次數的增加呈非線性發展。張丹等［12］發現軟巖粗粒土初次增濕時發生了明顯變形，而二次增濕過程沒有明顯變形。曹光栩等［13］認為碎石料的干濕循環變形值隨循環次數的增加呈現出臺階狀的變化規律。張新民［14］發現分形維數D隨干濕循環次數增多而增大，干濕循環作用加劇了粗粒土顆粒破碎。彭成等［15］認為粗粒土破壞強度及其特征參數隨干濕循環次數增加而逐漸降低。程展林等［16］認為應力增量足夠大時，粗粒土的蠕變只與最終的應力狀態相關；應力增量較小時可能出現試驗成果不確定性現象。胡新麗等［17］認為粗粒土減速蠕變的時長與應力水平成正比，與偏應力的絕對值無關。張曉奇等［18］認為粗粒土瞬時變形和穩定變形速率隨圍壓和應力水平增大而增大。眾學者對粗粒土的強度和變形等問題研究的已經較為清楚，但對于粗粒土在干濕循環作用等復雜地質條件下的物理力學特性研究仍不夠深入。

白鶴灘水電站是世界上在建規模最大、技術難度最高的水利水電工程。水庫蓄水后巧家縣部分建成區將被淹沒，為給搬遷移民提供安置場地，需開展填方造地工程。所用填料主要為大小不等的土石顆粒組成的粗粒土，且高程剛好位于消落帶內，地質條件極為復雜，長期的水位升降會打破顆粒之間原有的平衡狀態，在一定范圍內會出現顆粒強度降低和顆粒位置遷移的現象，影響粗粒土的結構與強度等，進而影響填方場地的穩定性。因此研究粗粒土在干濕循環條件下的劣化和長期飽水條件下的蠕變特性具有重要意義。

1試驗準備

1.1試樣特征

試樣尺寸：直徑300 mm×高度600 mm，天然狀態含水率為3%，密度為2.23 g/cm3。粒徑大于5 mm的粒組質量占總質量的69.18%。顆粒級配曲線表明d60=17 mm，d30=5 mm，有效粒徑d10=0.7 mm。

根據代表性級配指標可判斷試驗所用粗粒土料級配良好。

1.2試驗所用儀器

成都東華卓越科技有限公司研發的SZLB-4型粗粒土三軸蠕變試驗儀。

1.3干濕循環方法

試樣飽和采用水頭飽和與反壓飽和相結合的方法。試樣干燥采用內置自動控溫加熱棒的方法。天然狀態下的試樣直接配制，飽和狀態下的試樣在此基礎上通過三軸蠕變儀進行反壓飽和進行模擬。將天然狀態下的試樣水頭飽和后視為第1次干濕循環；加熱12 h后取出干燥棒，將棒孔用粗粒土料修補擊實，通過三軸蠕變儀進行反壓水飽和后視為完成第2次干濕循環；以此類推完成n次干濕循環，干濕循環過程見圖1。其中，圖1a為天然狀態下的試樣制備完成后開始加水飽和；圖1b為天然狀態下的試樣飽和完成；圖1c為利用鉆頭制備完成的加熱孔；圖1d為采用內置自動控溫加熱棒完成試樣干燥。

2干濕循環特性

2.1試驗方案

天然狀態下的試樣采用固結不排水剪切，其余試樣采用固結排水剪切。當試樣體積變化平穩固結度B≥0.95時視為固結完成；剪切方式為應變式控制，速率控制為1 mm/min。根據高填方場地工程等級、GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》和項目要求，該試驗主要研究圍壓（100、200、300和400 kPa）和干濕循環次數（0～7）的影響，試驗數量見表1。

2.2試驗結論

2.2.1偏應力-軸向應變關系曲線

由圖2可知，該粗粒土應屬于應變硬化型土，曲線形態特征與圍壓和干濕循環次數無關，大多數曲線呈上凸形態，無明顯峰值，在臨近破壞時表現出明顯的塑性變形特征；極個別試樣表現出輕微的應變軟化現象。

曲線大致可以分為3個階段：第一階段為硬化活躍階段，曲線斜率較大，呈線彈性增長，約占全過程的10%～15%；第二階段為硬化衰退階段，曲線斜率逐漸變小，呈彈塑性增長，約占全過程的15%～35%；第三階段為硬化穩定階段，曲線斜率近似為0，隨著軸向應變應變逐漸增大，偏應力基本不再增加，甚至略有減小，約占全過程的50%～80%。

偏應力與圍壓呈正相關，這反映了粗粒土的抗剪強度隨著正應力的增加而增加。偏應力隨著干濕循環次數的增加逐漸降低，這反映了干濕循環對粗粒土強度的損傷劣化作用。其中干濕循環3次后粗粒土結構或已破壞改變，導致粗粒土強度明顯降低，數據差異較大；干濕循環7次后粗粒土結構已接近完全破壞，其強度幾乎不再下降。

2.2.2體應變-軸向應變關系曲線

由圖3可知，粗粒土剪切過程可分為剪縮和剪脹2個階段。剪縮段呈S型，可分為3個小階段。軸向應變較小時試樣承受軸壓也較小，部分粗顆粒骨架即可承擔，體變較小；隨著軸向應變增加承受軸壓也增加，試樣開始整體受力，體變近似線性；當軸向應變增大至一定程度后，試樣即將達到其強度極限，體變逐漸減小直至為0。此時試樣足夠密實，進入剪脹階段，可分為兩部分。首先體變仍近似線性，強度有所提升；當試樣承受軸壓達到其增強后的強度極限時，粗顆粒骨料開始產生破碎，此時軸向應變增加較快而體變較小。

各圍壓下粗粒土體變拐點與偏應力峰值點所對應的軸向應變并不完全相同，而是表現為體變拐點對應的軸向應變要小于偏應力峰值點對應的軸向應變。其原因是試樣粗顆粒骨料較多，當試樣達到第一次強度極限時進入剪脹階段，粗顆粒之間咬合、互相翻越時其咬合力增加，試樣強度有所提升會產生新的強度極限。

n≤3時，粗粒土試樣先剪縮后剪脹，表現為應變軟化的特征，且隨著干濕循環次數的增加，最大剪縮變形量逐漸減小，剪脹變形量逐漸增大，體應變拐點提前，在此過程中粗粒土因有大量裂隙產生損傷較大，其體應變數據差異較大。ngt;3時，粗粒土結構改變，只有剪縮變形，表現為應變硬化的特征，且隨著干濕循環次數的增加，最大剪縮變形量逐漸增大，達到最大應變點時的軸向應變也隨之增大。原因可能是在4次干濕循環作用后粗顆粒骨料破碎嚴重。同時干濕循環次數越多，粗顆粒骨料破碎愈嚴重，剪縮變形量越大，對應的軸向應變也越大。

2.2.3不同圍壓和干濕循環次數下的峰值偏應力

由表2和圖4可知，n=0、1、2時粗粒土的峰值偏應力隨著圍壓呈指數增加，ngt;3時粗粒土的峰值偏應力隨著圍壓呈對數增加。在低圍壓下粗粒土的峰值偏應力隨干濕循環次數變化的規律不明顯，在高圍壓（300、400 kPa）下隨著干濕循環次數的增加逐漸降低；即圍壓越高干濕循環作用對粗粒土抗剪強度損傷劣化的影響越大。

由圖5和表2可知，粗粒土的峰值偏應力隨干濕循環次數的增加呈對數式下降，且圍壓越大其下降速率越快。

式中：FnP為干濕循環n次圍壓為P時粗粒土的峰值偏應力；P′為干濕循環衰減幅值，僅與圍壓有關；n為干濕循環次數，天然狀態n=0，飽和狀態n=1，…，干濕循環7次n=7；F0P為天然狀態下圍壓為P時粗粒土的峰值偏應力。

由圖6（干濕循環衰減幅值與圍壓的關系）和表3（不同圍壓下的干濕循環衰減幅值）可知：

式中：P為圍壓，取100、200、300和400 kPa；Pa為大氣壓力，取100 kPa。

由圖4和表2可知：

聯立以上各式可得：

在式中代入圍壓和干濕循環次數，即可求得粗粒土的峰值偏應力，其結果見圖7。

由指數函數和對數函數性質可知，式（6）中FnP隨著n的增大呈對數式逐漸減小直至趨于穩定，隨著P的增大先增加后減小。即粗粒土的峰值偏應力隨著干濕循環次數的增加逐漸減小并趨于穩定，這符合粗粒土抗剪強度隨干濕循環作用損傷劣化的規律；隨著圍壓先增加后減小，其原因是干濕循環作用后圍壓過大粗粒土顆粒破損嚴重。

利用式（6）可以對粗粒土在經歷干濕循環作用下的峰值偏應力進行預測，還可以預測不同圍壓下粗粒土受干濕循環作用最終穩定時的強度。然而式（6）存在一定缺陷，僅能預測粗粒土整體架構未破壞之前的抗剪強度。

2.2.4力學參數特征

由于粗粒土結構組分復雜，尚未有統一的典型本構模型完全適用所有土體，目前其參數處理的方法有多種模型如劍橋模型、劍橋修正模型、沈珠江雙曲服面模型等，各種模型都存在其適用范圍，本文采用鄧肯張模型方法并分析其參數特征。其公式如下：

式中：σ1為大主應力；σ3為小主應力；ε1為軸向應變；a、b為與粗粒土性質有關的參數。

擬合結果見圖8，線性回歸相關系數的平方均大于0.95，效果極好。參數a、b分別見表3、4。

由鄧肯張雙曲線性質可知1/b在數值上代表極限偏應力（σ1-σ3）ult，其規律與結果與試驗一致，在數值上略大于試驗峰值偏應力；1/a在數值上代表初始切線模量Ei，隨圍壓和干濕循環次數無明顯規律，其原因可能是剪切初期僅有部分骨架結構受力，而并非整體受力。破壞比的定義見式（8）：

結果見表6，除個別數據外其值均在0.75～1.00。破壞比Rf在n=0～3時其值較小在0.75～0.90，在4～5次干濕循環作用后穩定在0.92～0.95，這說明隨著干濕循環次數的增加粗粒土的彈性減

切線變形模量Et在硬化活躍階段幾乎保持不變，隨后逐漸減小直至近似為0。將硬化活躍階段（線彈性段）的切線變形模量記為Et1，其結果見表6。Et1與圍壓P呈正比，隨干濕循環次數變化規律不明顯，但整體逐漸減小直至穩定。

Et1隨圍壓變化的規律與峰值偏應力隨圍壓變化規律一致，在干濕循環次數n=0，1，2時隨圍壓呈指數增加，ngt;3時隨圍壓呈對數增加，這反映了粗粒土應力應變關系曲線形態與彈塑性模量規律的一致性，是其自身結構等屬性的體現。

內聚力和內摩擦角根據摩爾庫侖定律求得，結果見表7。內聚力無明顯規律，內摩擦角隨干濕循環次數增加近似S型降低，結果見圖9。內摩擦角受試樣內部孔隙和裂隙影響較大，隨著干濕循環作用試樣產生更多裂隙，且原來的裂隙進一步擴大，此時粗粒土內摩擦角的降幅越來越大；當試樣中的孔隙和裂隙發展到一定程度后，隨著干濕循環進行，新產生的裂隙和孔隙逐漸減少，此時內摩擦角的降幅也越來越小。

2.2.5剪切形態特征

剪切面形態特征見圖10，剪切面多在中下部（靠近試樣下部1/2～1/4處）貫穿整個試樣，與σ3呈小角度相交。剪切面形態呈鋸齒狀，大致可簡分為3種類型，第1種呈轉折鋸齒狀，剪切面附近粗顆粒骨料較多且粒徑普遍較大多為2～3 cm，最大顆粒可達5～6 cm，破壞面在最大顆粒處發生轉折；第2種呈平緩鋸齒狀，剪切面雖凹凸不平但起伏較小，粗顆粒骨料較多且粒徑較均勻多為1～3 cm，無明顯特大粗顆粒骨料；第3種呈微鋸齒狀（平直狀），剪切面整體看上去較平直，但實際上仍凹凸不平，粗顆粒骨料較少且粒徑普遍多為0.5～1.0 cm，極少可達2 cm左右。

剪切面形態特征和圍壓和干濕循環次數無直接關系，主要由剪切面附近粗顆粒骨料含量和粒徑大小決定，圍壓與干濕循環次數主要是通過影響粗顆粒骨料破碎情況來影響剪切面形態特征的。

3蠕變特性

3.1試驗方案

對飽和狀態下的試樣采用固結排水蠕變試驗，當試樣體積變化平穩固結度B≥0.95時視為固結完成。剪切方式為應力式控制，結合巖石流變長期強度取值和文獻［19-20］，以飽和狀態下試樣1 mm/min速率剪切破壞時強度的80%作為其長期變形極限強度SL，共設置4級應力水平（0.2 SL、0.4 SL、0.6 SL、0.8 SL）和4級圍壓（100、200、300、400 kPa），當試樣達到蠕變穩定時進入下一級應力水平加載，蠕變穩定標準為24 h試樣的軸向應變小于等于10-5試樣高度。若在0.8 SL條件下試樣仍能達到蠕變穩定而不破壞，則以長期變形極限強度乃至剪切極限強度繼續進行加載，直至試樣破壞。

3.2試驗結論

粗粒土三軸蠕變分級加載曲線可分為4個階段：第一階段為加載大變形階段，該階段屬于施加軸力的初始增長階段，此時隨著軸力的快速增加試樣軸向變形也急速增長，在數十分鐘內軸向應變增長即可達到整個階段的80%左右；第二階段為蠕變衰減階段，該階段軸力不再增加，試樣軸向變形隨著時間的增加逐漸增加，但其增量逐漸減小；第三階段為蠕變穩定階段，該階段試樣軸向變形隨著時間增長幾乎不再增加，24 h軸向應變增量小于等于10-5試樣高度；前3個階段在各應力水平下均可發生。第四階段為破壞階段（圖11 a分級加載曲線中各曲線尾段），該階段較為特殊，僅發生在較大應力水平情況下，可能發生在加載過程中，隨著軸力增加試樣變形迅速增大直至試樣完全破壞；也可能發生在蠕變衰減階段或蠕變穩定階段，軸力不變試樣內部應力調整失衡導致試樣變形迅速增加直至試樣破壞。

由圖11可知，粗粒土的長期強度較剪切破壞強度有所降低，但在低圍壓下（100 kPa）其強度降幅較小；一般圍壓下（200、300 kPa）其長期強度仍可達到剪切破壞強度的80%甚至更高；在高圍壓下（400 kPa）由于顆粒破碎嚴重粗粒土的長期強度損傷較大。該粗粒土蠕變具有明顯的規律性，500 min內其變形量可達到總變形量的80%～90%，蠕變階段的變形量約為總變形量的10%左右，該粗粒土雖具有蠕變性但蠕變量較小。

同一圍壓下隨著應力水平的增加其加載大變形階段用時越長；試樣達到蠕變穩定的軸向應變總變形量與圍壓和應力水平正相關，兩者相互促進，協同作用。

4結論

a）該粗粒土屬于應變硬化型土，曲線形態特征與圍壓和干濕循環次數無關。其強度隨著干濕循環次數的增加逐漸降低。

b）該粗粒土剪切過程可分為剪縮和剪脹2個階段，剪縮段呈S型，剪脹段可簡分為兩部分，體變量先近似線性變化，當粗顆粒骨料產生破碎后，試樣軸向應變增加較快而體變量緩慢變化。

c）干濕循環次數等于0、1、2時粗粒土的峰值偏應力隨著圍壓增加呈指數增加，干濕循環次數大于3時粗粒土的峰值偏應力隨著圍壓增加呈對數增加。在高圍壓下粗粒土的峰值偏應力隨著干濕循環次數的增加逐漸降低，圍壓越高干濕循環作用對粗粒土抗剪強度損傷劣化的影響越大。

d）粗粒土的力學參數特征隨干濕循環次數有一定的規律性。隨著干濕循環次數的增加，粗粒土的彈性減弱塑性增強；內摩擦角隨干濕循環次數增加近似S型降低。

e）剪切后試樣呈上下不均勻的鼓狀，剪切面多在中下部貫穿整個試樣，與σ3呈小角度相交，呈凹凸不平狀。其形態特征與圍壓與干濕循環次數無直接關系，主要由剪切面附近粗顆粒骨料含量和粒徑大小決定。

f）粗粒土的長期強度較剪切破壞強度有所降低，在低圍壓下降幅較小，一般情況下可達到剪切破壞強度的80%甚至更高，在高圍壓下由于顆粒破碎嚴重粗粒土的長期強度損傷較大。

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（責任編輯：高天揚）