基于大三軸試驗的膠凝堆石料力學特性

楊 杰,蔡 新,,宋小波

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京 210098; 2.河海大學水利水電學院,江蘇南京 210098;3.河海大學力學與材料學院,江蘇南京 210098)

基于大三軸試驗的膠凝堆石料力學特性

楊 杰1,2,蔡 新1,2,3,宋小波3

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京 210098; 2.河海大學水利水電學院,江蘇南京 210098;3.河海大學力學與材料學院,江蘇南京 210098)

為了研究膠凝堆石料的特性,進行了大三軸固結排水剪切試驗,得出不同膠凝摻量的應力與應變關系、體積應變與軸向應變關系,分析比較了不同圍壓、不同膠凝摻量對膠凝堆石料剪脹特性的影響。試驗結果表明:圍壓相同時,膠凝摻量增大,破壞偏應力和殘余強度都增大,而軸向偏應變減小;膠凝摻量相同時,圍壓增大,破壞偏應力、殘余強度和軸向偏應變都增大;不同圍壓、不同膠凝摻量的體積應變與軸向應變關系曲線均表現出不同程度的剪脹性,且膠凝摻量越大,圍壓越小時,膠凝堆石料剪脹現象越明顯。

膠凝堆石料;大三軸試驗;強度特性;體積增量比;剪脹特性

大壩是高效發揮水資源的水工建筑物。我國重大水電工程大多建設在地質條件較復雜、水電開發難度大、生態環境保護要求較高的西南地區,經濟性與安全性的矛盾越發突出。利用膠凝堆石料筑壩能在很大程度上解決上述問題,但是膠凝堆石壩是近幾十年興起的新壩型,其材料力學特性等尚處于初步研究階段[1]。

唐新軍等[2]進行了抗壓強度及抗折強度試驗,研究了膠凝堆石料的抗壓強度、抗拉強度以及彈性模量特性;賈金生等[3]通過試驗研究了膠凝堆石料的抗壓強度、抗拉強度和滲透溶蝕性能;孫明權等[4]對不同膠凝摻量的膠凝堆石料進行了三軸試驗,表明膠凝堆石料的應力-應變關系曲線具有非線性及軟化性特征;楊朝暉等[5]結合貴州省道塘水庫工程,通過室內試驗研究了 CSG壩料性能; Batmaz[6]結合土耳其Cindere壩,進行了膠凝堆石料的強度試驗研究;楊首龍[7]進行了膠凝堆石料拉、壓強度以及彈性模量和泊松比等的試驗研究;蔡新等[8-9]對膠凝堆石料進行了基本材料試驗、大三軸試驗,研究了膠凝堆石料的破壞強度、初始切線彈性模量與圍壓之間的關系以及泊松比與應力之間的關系;Wu等[10]通過膠凝堆石料不同齡期的大三軸試驗,著重分析了膠凝堆石料的膠結作用在不同齡期對應力-應變關系的影響,進一步揭示了膠凝堆石料的強度和應力 應變特征。目前基于膠凝堆石料大三軸試驗的軟化、剪脹等特性的具體研究較少,因此本文通過膠凝堆石料大三軸試驗對其應力 應變、強度、剪脹等特性進行系統研究。

1 大三軸試驗

1.1 材料及試件

試驗材料采用 P32.5普通硅酸鹽水泥,按20 kg/m3、40 kg/m3、60 kg/m3和80 kg/m3等4種膠凝摻量制作試件。每種試件中粗細骨料控制干密度為2130 kg/m3,其中砂占20%,巖石爆破的碎石占80%。碎石顆粒組成為:粒徑 40～20 mm的占42%;20～10 mm的占35%;10～5mm的占20%;小于5 mm的占3%。水灰比為1.0。膠凝摻量分別為20kg/m3、40kg/m3、60kg/m3、80kg/m3的成品試件的干密度分別為2 150 kg/m3、2 170 kg/m3、2 190 kg/m3、2210 kg/m3。

制作膠凝堆石料試件時,首先進行粗料的篩選,然后按照確定的配合比將粗料、水泥、砂及水等摻入并拌和均勻(圖1),最后分5層裝入直徑為300 mm、高度為700mm的圓筒模具,每層需用振動碾擊實成樣(圖2),均應養護28 d。

圖1 膠凝堆石料拌和

圖2 膠凝堆石料試件

1.2 試驗設計

試驗在南京水利科學研究院大三軸剪切試驗儀上進行,采用 4種圍壓,即 σ3分別為 300 kPa、600 kPa、900kPa、1200kPa。參照有關規程[11-12]先進行等壓固結,然后再進行慢速排水剪切。為了更精確地測量試樣體積變形,將養護好的試件沒入水中使試樣充分飽和后進行排水剪切試驗。

2 試驗結果及特性分析

2.1 試驗結果

2.1.1 應力與應變關系

膠凝堆石料大三軸試驗的應力與應變關系曲線如圖3所示。當膠凝摻量較小時,膠凝堆石料不同圍壓的應力與應變關系曲線是非線性的軟化曲線,尤其是高圍壓作用下的非線性更明顯,這與孫明權等[4]進行的三軸試驗結果基本一致;當膠凝摻量較大時,曲線峰值之前的應力與應變關系曲線趨于直線,這主要由于膠凝摻量增大,膠凝堆石料更接近混凝土,應力與應變關系趨于混凝土的本構關系。

圖3 大三軸試驗應力與應變關系曲線

從圖3可以看出,盡管膠凝摻量不同,但不同試件的應力與應變關系曲線具有相似的特性,初始模量隨著圍壓的增大而增大。當圍壓較小(300 kPa、600kPa)時,曲線有明顯的峰值,隨著軸向應變的增大,偏應力減小較明顯;當圍壓較大(900kPa、1200kPa)時,曲線也有峰值,不過隨著軸向應變的持續增大,偏應力減小的幅度偏小。上述4種圍壓的應力與應變關系曲線為應變軟化型曲線,且隨著圍壓的增大,軟化性變弱。膠凝摻量對應力與應變關系曲線具有一定的影響,在圍壓相同時,膠凝摻量越大,應力與應變關系曲線的軟化性越明顯。隨著膠凝摻量的增大,同一圍壓時的初始模量也逐漸增大,但增大幅度很小。

2.1.2 體積應變與軸向應變關系

圖4為體積應變與軸向應變關系曲線。從圖4可以看出,膠凝摻量相同時,低圍壓的關系曲線有明顯的峰值且應變軟化性更明顯;高圍壓的關系曲線沒有明顯的峰值出現,加載到一定程度后,隨著軸向應變的增大,體積應變變化較小。根據曲線峰值對應的軸向應變可知,與高圍壓相比,低圍壓的試件會較早出現剪脹峰值;軸向應變相同時,圍壓越大,體積應變越大。

2.2 強度特性分析

為了研究膠凝摻量對膠凝堆石料強度特性的影響,整理出不同圍壓時破壞偏應力、殘余強度及破壞偏應變與膠凝摻量的關系,如圖5～7所示。

圖4 體積應變與軸向應變關系曲線

圖5 破壞偏應力與膠凝摻量關系曲線

圖6 殘余強度與膠凝摻量關系曲線

圖7 破壞偏應變與膠凝摻量關系曲線

從圖5～7可看出,4種膠凝摻量的破壞偏應力分布在1800～8100kPa之間,殘余強度分布在1500～6200 kPa之間,破壞偏應變分布在2% ～12%之間。膠凝摻量相同時,隨著圍壓增大,破壞偏應力和殘余強度幾乎等量增大,但破壞偏應變在膠凝摻量較小(20 kg/m3、40 kg/m3)時增幅較大,在膠凝摻量較大(60 kg/m3、80 kg/m3)時增幅較小。

膠凝摻量對破壞偏應力、殘余強度和破壞應變的影響也很大。破壞偏應力隨膠凝摻量的增大而增大;在膠凝摻量較小時變幅較小,在膠凝含量較大時變幅較大;所有破壞偏應力與膠凝摻量關系曲線的形狀幾乎一樣。殘余強度隨膠凝摻量的增大而增大,且所有殘余強度與膠凝摻量關系曲線的形狀類似,變幅相差不大。破壞偏應變隨膠凝摻量的增大而減小,且在低膠凝摻量較小時變幅較大,在膠凝摻量較大時幾乎不變。

2.3 剪脹特性

從圖4可看出,隨著軸向應變的增大,膠凝堆石料漸漸由剪縮轉變為剪脹,且圍壓越小,剪脹越明顯。當膠凝摻量較小時,膠凝堆石料在剪切初期先剪縮,隨著軸向應變的增大轉變為剪脹;當膠凝摻量較大時,低圍壓的膠凝堆石料由剪縮轉變為剪脹,高圍壓的膠凝堆石料在剪切初期先剪縮,隨著軸向應變的增大,轉變為剪脹,但較低圍壓曲線平緩。

當膠凝摻量較小時,低圍壓的膠凝堆石料顆粒不能破碎,由于膠凝材料較少,顆粒之間的黏結力較小,在剪切力的作用下容易滾動和翻轉,表現為較明顯的先縮后脹;高圍壓的膠凝堆石料顆粒容易破碎,也可能滑動、擠壓或者填充孔隙,翻轉和滾動較少,先剪縮后剪脹的特性表現比較弱。

當膠凝摻量較大時,低圍壓的膠凝堆石料顆粒不會破碎,顆粒之間的黏結力變大,使得顆粒在剪切力作用下不易翻轉和滾動,但內部發生一定的錯動,表現為隨著軸向應變的增大,膠凝堆石料先縮后脹且趨勢較為明顯;高圍壓的膠凝堆石料顆粒容易破碎,但黏結力變大,顆粒黏結在一起,在剪切力的作用下顆粒易沿破碎處翻轉和滾動,類似于小膠凝摻量、低圍壓的情況,表現為先縮后脹。

依據試驗數據,繪制4種膠凝摻量、不同圍壓的體積增量比與軸向應變關系曲線如圖8所示,其中體積增量比為負值表示剪脹,正值表示剪縮。

由圖8可以看出,剪切開始時體積增量比為正,表明膠凝砂礫石料處于剪縮狀態;當軸向應變到達某一值時,體積增量比轉變為負,表明膠凝砂礫石料處于剪脹狀態;體積增量比最終趨向于零,膠凝砂礫石料體積基本保持不變。

圖8還表明,特定膠凝摻量條件下,圍壓越小,體積增量比由正轉負的點對應的軸向應變值越小,但剪脹較明顯;高圍壓下的膠凝砂礫石料體積增量比曲線在低圍壓曲線的上方。

進一步分析還發現,相同圍壓條件下,膠凝摻量越大膠凝砂礫石料體積增量比由正轉為負的點對應的軸向應變值越小,膠凝摻量越大膠凝砂礫石料體積增量比變化幅度越小,但剪脹越明顯。

圖8 體積增量比與軸向應變關系曲線

3 結 論

a.膠凝堆石料在不同圍壓和不同膠凝摻量下,應力-應變曲線呈非線性軟化特征。圍壓越小,膠凝摻量越小時,曲線非線性越明顯;而膠凝摻量越大,圍壓越小時,軟化特性越明顯。

b.相同圍壓下,隨著膠凝摻量的增加,破壞偏應力、殘余強度都增大,而軸向偏應變減小;而在同一膠凝摻量下,隨著圍壓的增大,峰值強度、殘余強度、峰值軸向應變值都增加。

c.膠凝堆石料在應力作用下會發生剪脹現象,且膠凝摻量越大,圍壓越小時,剪脹現象越明顯。

參考文獻:

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[12]南京水利科學研究院土工研究所.土工試驗技術手冊[M].北京:人民交通出版社,2003.

Mechanical properties of CSG material based on large triaxial tests//

YANG Jie1,2,CAI Xin1,2,3,SONG Xiaobo3
(1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University,Nanjing 210098, China;2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;3.College of Mechanics and Materials,Hohai University,Nanjing 210098,China)

In order to study the mechanical property of cement sand and gravel(CSG)dam material,a large triaxial test was conducted to obtain the relation between different cement content and different confining pressure on the stress-strain and the relation between the volumetric strain and axial strain.Additionally,we also analyze the influence on the shear dilatation of CSG dam material of different cement content and different confining pressure.The results show that when the confining pressure is the same,with the increase of cement content,the peak strength and residual strength will increase while the peak axial strain will decrease.Furthermore,when the cement content is the same,with the confining pressure increasing,peak strength,residual strength and peak axial strain will increase.Different degrees of the shear dilatation of CSG material are showed because of the influence of different cement content and different confining pressure,and when cement content is more,and confining pressure is less,the shear dilatation is more obvious.

CSG material;large triaxial test;strength;increment ratio of volume;the shear dilatation

TV321;TV649

:A

:1006-7647(2014)04-0024-05

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.04.006

2013-0703 編輯:周紅梅)

國家自然科學基金(51179061);高等學校博士學科點專項科研基金(博士生導師類)(20100094110014);國家“十二五”科技支撐計劃(2012BAD10B02)

楊杰(1987—),男,江蘇如東人,博士研究生,主要從事膠凝堆石壩壩料研究。E-mail:Turtlesky@126.com