堆石料濕化變形特性試驗研究

于 浩

我國的水電開發進入了一個前所未有的高潮。在各種壩型中,土石壩以其突出的優點備受重視。隨著經濟建設的需要,高土石壩的數量越來越多,200 m乃至300 m級的高壩已經有多座在建設或者規劃中。而對土石壩來說,壩體的沉降量是衡量施工質量和大壩運行狀況的重要指標[1]。

堆石壩初次蓄水時會由于堆石料的浸水濕化變形而發生壩體的沉降、側移和應力的重分布,有時甚至出現壩體開裂等問題。除了初次蓄水會引起壩體的濕化變形外,大壩運行期因庫水位漲落和降雨造成的干濕循環作用也能導致壩體發生類似于初次蓄水時的濕化變形,這種變形也屬于壩體長期變形之列,這里稱之為干濕循環變形。

堆石料的濕化變形問題已經受到國內外專家的重視,并針對壩體初次蓄水的特點進行了比較多的試驗研究工作。

1973年,Nobari和Duncan[2]首先用三軸試驗研究了這種濕化變形,并且提出了在非線性有限元法計算中考慮濕化變形的方法,成功地應用于分析Oroville土壩的浸水變形。

保華富、屈智炯[3]通過對天生橋及魯布革堆石料的等壓和剪切濕化試驗研究認為:浸水時間是影響濕化變形及其發展的一個重要因素,并且濕化使得變形參數均發生變化。

李廣信[4]對小浪底堆石料進行了比較系統的三軸濕化試驗,認為單線法比雙線法更符合土體濕化變形的實際情況,單線法的濕化變形比雙線法明顯偏大;同時他們還對小浪底堆石料進行了濕化變形的試樣縮尺效應研究,研究堆石料的最大粒徑比實際縮小了50倍和12.5倍,其濕化變形試驗結果表明,大試樣的變形比小試樣要小得多,其濕化軸向應變為小試樣的一半左右。

但堆石料在濕化試驗時一般只考慮干燥和飽和兩種狀態,僅有少數研究涉及非飽和濕化變形問題。至于模擬大壩運行期因庫水位漲落和降雨造成的干濕循環作用,進行堆石料循環增濕變形的研究成果目前很少見到。

1 試驗儀器、材料和試驗方法

1.1 試驗儀器

試驗采用為適應長期加荷的應力控制式靜力三軸儀,軸向壓力加載系統與周圍壓力控制系統為獨立加荷系統,均采用半自動砝碼系統加荷,通過液壓傳動和油水交換系統提供軸向壓力與周圍壓力,這種加荷方式在恒壓加載過程中不必頻繁動作,能夠實現試驗需要的長期恒載穩定要求。

1.2 試驗材料

試驗采用某堆石壩壩體堆石料,受儀器條件的限制,試驗用料必須在原級配基礎上采用等量替代法進行縮尺,以滿足儀器設備要求。由于儀器的試樣直徑為300 mm,相應的試驗用料的最大粒徑為60 mm,縮尺方法采用等量替代法,即用5 mm～60 mm粒組料等量替代超徑顆粒,小于5 mm粒組含量與原級配相同,如表1所示。試驗的制樣干密度采用施工控制干密度。

表1 堆石料原級配與試驗級配 mm

1.3 試驗方法

試樣制備時,按試樣控制密度及試樣體積測算出試驗用料數量,分粒組稱取,并拌和均勻。之后,分五層人工夯實制樣。試驗一直維持軸向壓力與周圍壓力穩定,在干料上進行待變形基本穩定后從試樣底部浸水2 h左右,測得試樣的濕化軸向變形和體積變形,待濕化軸向變形基本穩定時停止浸水。本次試驗采用的圍壓為三級,應力水平為四級共12組試驗:圍壓為0.5 MPa,1.0 MPa,1.5 MPa,應力水平為 0.2,0.4,0.6,0.7。

2 試驗結果及初步分析

根據濕化試驗結果,整理得到不同周圍壓力、不同應力水平下的三軸濕化軸向應變εw1和濕化體積應變εwv的關系曲線,如圖1～圖4所示。

由圖可知在同一圍壓下,隨著應力水平增大,濕化軸變明顯增大,但圍壓越低,隨應力水平提高軸向變形增長速度越快。在相同應力水平時,在低應力水平下,濕化軸變隨圍壓增大而增大;當應力水平在0.6,0.7時,出現了低圍壓的濕化軸變大于高圍壓現象。

對于堆石料來說,當試驗密度一定時,圍壓、顆粒大小、軸向應變、顆粒破碎率等因素相互影響其剪脹性[5]。同一圍壓、低圍壓時,應力水平較小堆石料的濕化體變表現為剪縮,應力水平較大后出現明顯剪脹。高圍壓、應力水平較小時,堆石料表現為剪脹,而應力水平較大后表現出減縮。在相同應力水平下,濕化體變隨圍壓增大而增大,且應力水平越小,濕化體變增大速度越快。僅在應力水平0.6時濕化體變稍微減小。

3 結語

堆石料的濕化變形特性研究是高堆石體應力應變分析的一個重要課題。本文在大型三軸濕化試驗的基礎上,對某工程堆石料濕化變形與周圍壓力、應力狀態的關系進行了初步探討和分析,得到如下結論:堆石料的濕化變形隨著圍壓和濕化應力水平變化而變化;在低圍壓、高應力水平下堆石體產生剪脹;濕化軸向變形與應力水平存在明顯的相關關系。

[1] 張丙印,于玉貞,張建民.高土石壩的若干關鍵技術問題[A].中國土木工程學會第九屆土力學與巖土工程學術會議論文集[C].北京:清華大學出版社,2004.

[2] Nobari E S,Duncan J M.Movements in Dams due to Reservoir Filling[J].Performance of earth and Earth and Earth-Supported Structures,2007,1(1):23-24.

[3] 保華富,屈智炯.高土石壩筑壩關鍵技術問題的研究成果匯編[Z].“六五”國家科技攻關項目,2003.

[4] 李廣信.土的清華彈塑性模型及其發展[J].巖土工程學報,2006,28(1):31-32.

[5] 傅志安,鳳家驥.混凝土面板堆石壩[M].武漢:華中理工大學出版社,1993.