基于Burgers模型的CSGR筑壩料蠕變特性研究

劉 輝

(臨沂市河?xùn)|區(qū)石拉淵管區(qū)灌溉管理處，山東 臨沂 276034)

重力壩是一種安全性能較高的壩型，然而重力壩建造存在成本高昂、強(qiáng)度超強(qiáng)、水化熱高和溫控復(fù)雜等問題，為有效解決上述問題，提出了多種新型壩，如硬填料壩(Hardfill dam)、膠凝砂礫壩(CSG dam)、膠凝砂礫石壩(CSGR dam)和堆石混凝土壩(RFC dam)等，其中膠凝砂礫石壩在中國應(yīng)用最為廣泛，對(duì)膠凝砂礫石壩進(jìn)行研究具有重要意義。

膠凝砂礫石壩是我國總結(jié)各國硬填料壩、膠凝砂礫石壩等實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)研究并推廣的一種新壩型，膠凝砂礫石壩的建造理念為“宜材適構(gòu)”，基于該理念專家學(xué)者對(duì)不同工程地質(zhì)條件下膠凝砂礫石壩的適用性進(jìn)行了大量研究，通過對(duì)膠凝砂礫石進(jìn)行單軸和三軸試驗(yàn)，研究水泥摻量、骨料級(jí)配、母巖性質(zhì)和粉煤灰摻量等對(duì)膠凝砂礫石壩物理力學(xué)特性的影響。由于膠凝砂礫石屬于強(qiáng)度較低的軟巖，對(duì)壩體長期穩(wěn)定性不利，因此對(duì)其蠕變特性進(jìn)行研究是十分必要。

本文采用分級(jí)加載方式，對(duì)膠凝砂礫石進(jìn)行了三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，分析了應(yīng)力水平對(duì)蠕變發(fā)展階段影響，采用Burgers蠕變模型對(duì)低應(yīng)力水平下膠凝砂礫石蠕變曲線進(jìn)行擬合，將非線性黏塑性蠕變?cè)cBurgers蠕變模型串聯(lián)對(duì)原有Burgers蠕變模型進(jìn)行修正。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為某河道砂礫石土，土料最大粒徑為20mm，試驗(yàn)土料級(jí)配曲線如圖1所示，水泥采用復(fù)合硅酸鹽水泥32.5R，水泥3d抗折強(qiáng)度大于3.5MPa，抗壓強(qiáng)度大于16MPa，試驗(yàn)用水為蒸餾水，粉煤灰密度ρ=1.41g/cm3，需水量比115%，燒失量1.89%，主要礦物成分為CaO，SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3和MgO，質(zhì)量百分比分別為7.31%，56.45%，20.28%，12.35%和1.28%。

將試驗(yàn)土料取回后，先攤開晾曬，風(fēng)干后測記含水率。已有研究表明，膠凝砂礫石中水泥摻量小于6%時(shí)，土料件骨架難以形成，水泥水化物與砂礫石顆粒間離子交換反應(yīng)也難以充分進(jìn)行，而水泥摻量過多時(shí)，水泥水化熱較大，澆筑時(shí)溫度控制較為困難，故取水泥摻量為6%，粉煤灰與水泥水化產(chǎn)物繼續(xù)反應(yīng)對(duì)膠凝砂礫石強(qiáng)度具有激發(fā)作用，水泥摻量與粉煤灰摻量比值為1∶1，為粉煤灰的最優(yōu)摻量，取粉煤灰摻量為6%，試樣控制水灰比0.85，干密度1.85g/cm3。試樣充分拌和后，分三層裝入制樣筒內(nèi)并擊實(shí)至相應(yīng)干密度，試樣尺寸為Φ150mm×300mm。試樣24h后脫模，脫模后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)90d。

開展蠕變?cè)囼?yàn)前，須先確定膠凝砂礫石的破壞偏應(yīng)力，試驗(yàn)圍壓為0.5MPa，根據(jù)膠凝砂礫石的破壞偏應(yīng)力計(jì)算確定各級(jí)應(yīng)力水平SL=0.1、0.4、0.7和1.0下的偏應(yīng)力豎向荷載，一般認(rèn)為軸向變形比體積變形先達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)時(shí)，采用軸向變形對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行控制，試驗(yàn)每級(jí)荷載穩(wěn)定時(shí)間約為15d，當(dāng)達(dá)到預(yù)定時(shí)間后施加下一級(jí)荷載。

圖1 土料級(jí)配

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2為不同圍壓下，各級(jí)荷載作用下的軸向應(yīng)變- 時(shí)間關(guān)系，由圖2可知，膠凝砂礫石是一種典型的蠕變材料，在各級(jí)應(yīng)力條件下均呈現(xiàn)衰減蠕變特征，不同應(yīng)力條件下，膠凝砂礫石蠕變特征表現(xiàn)存在一定差異。在低應(yīng)力條件下，膠凝砂礫石蠕變特征可分為2個(gè)階段，即減速蠕變階段和勻速蠕變階段，每級(jí)荷載施加后，膠凝砂礫石蠕變速度隨時(shí)間增長先減小，后逐漸趨于穩(wěn)定。在高應(yīng)力條件下，膠凝砂礫石蠕變特征可分為3個(gè)階段，即減速蠕變階段、勻速蠕變階段和加速蠕變階段，每級(jí)荷載施加后，膠凝砂礫石蠕變速度隨時(shí)間增長先減小，后逐漸趨于穩(wěn)定最后又逐漸增長，直至試樣破壞。

膠凝砂礫石蠕變引起的主要原因有兩個(gè)：其一為膠凝砂礫石在持續(xù)的荷載作用下發(fā)生了與時(shí)間有關(guān)的膠結(jié)破壞，在長時(shí)間荷載作用下，膠凝砂礫石的膠結(jié)鍵逐漸斷裂，原本能抵抗較大荷載作用的骨架逐漸被破壞，試樣變形量逐漸增大；其二為荷載持續(xù)作用下，顆粒位置調(diào)整，持續(xù)的荷載作用下，膠凝砂礫石顆粒會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)與偏移，尤其當(dāng)顆粒接觸配位數(shù)較少時(shí)，由于荷載作用土體膠結(jié)鍵斷裂，顆粒逐漸向其他空隙中進(jìn)行填充，隨著填充不斷進(jìn)行，孔隙率不斷減少，顆粒接觸配位數(shù)不斷增多，顆粒位置調(diào)整越困難，顆粒的蠕變速率逐漸減小，當(dāng)顆粒配位數(shù)達(dá)到某一特定值時(shí)，顆粒間形成穩(wěn)定的力鏈，變形速率逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)應(yīng)力水平較高時(shí)，顆粒間形成的穩(wěn)定力鏈結(jié)構(gòu)又可能發(fā)生斷裂，變形速率迅速增大，試樣快速破壞。

圖2 膠凝砂礫石軸向應(yīng)變- 時(shí)間關(guān)系曲線

3 蠕變模型

應(yīng)力水平較低時(shí)，膠凝砂礫石蠕變速率先減小后保持穩(wěn)定，蠕變量隨時(shí)間增大逐漸增大，這與Burgers蠕變模型描述特征基本一致，Burgers模型是由Maxwell模型與Kelvin模型串聯(lián)而成，如圖3所示。

圖3 Burgers蠕變模型示意圖

一維條件下，Burgers蠕變模型可表示為：

(1)

式中，σ、ε—蠕變模型的應(yīng)力與應(yīng)變；Ei、ηi(i=1，2)—膠凝砂礫石材料的彈性與黏性參數(shù)；t—試驗(yàn)時(shí)間。

高應(yīng)力水平時(shí)，膠凝砂礫石蠕變包括三個(gè)階段，Burgers蠕變模型無法描述膠凝砂礫石蠕變加速階段，為合理描述高應(yīng)力條件下膠凝砂礫石的蠕變特性，將非線性黏塑性蠕變?cè)?NAVPB)與Burgers蠕變模型串聯(lián)對(duì)原有Burgers蠕變模型進(jìn)行修正，改進(jìn)Burgers蠕變模型示意圖見圖4。

圖4 改進(jìn)Burgers蠕變模型示意圖

改進(jìn)后Burgers蠕變模型可表示為，

(2)

式中，σs—加速蠕變啟動(dòng)應(yīng)力水平閾值；tF—加速蠕變啟動(dòng)時(shí)間。

采用改進(jìn)后的Burgers蠕變模型對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖5所示，由圖5可見，修正后的Burgers蠕變模型對(duì)不同應(yīng)力水平下的膠凝砂礫石蠕變特征曲線擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.95，擬合效果良好，說明改進(jìn)的Burgers蠕變模型能夠合理的描述高應(yīng)力水平下膠凝砂礫石蠕變特征。

圖5 改進(jìn)Burgers蠕變模型擬合曲線

4 結(jié)論

對(duì)不同應(yīng)力水平膠凝砂礫石進(jìn)行常規(guī)三軸蠕變?cè)囼?yàn)，研究了應(yīng)力水平對(duì)膠凝砂礫石蠕變特性影響，主要結(jié)論如下：

(1)膠凝砂礫石是一種典型的蠕變材料，在不同應(yīng)力水平下膠凝砂礫石均表現(xiàn)為衰減蠕變特征。

(2)不同應(yīng)力水平下，膠凝砂礫石蠕變特征存在一定差異，低應(yīng)力條件下，膠凝砂礫石蠕變特征可分為減速蠕變階段和勻速蠕變階段2個(gè)階段，而高應(yīng)力條件下，其蠕變特征可分為減速蠕變階段、勻速蠕變階段和加速蠕變3個(gè)階段。

(3)引入非線性黏塑性蠕變?cè)?duì)原有Burgers蠕變模型進(jìn)行修正，修正后的Burgers蠕變模型在各個(gè)應(yīng)力水平下均擬合良好。

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