浸潤作用下土石壩粒料濕化變形特性研究

劉 姿

(商丘市睢陽區水務局，河南 商丘 476000)

0 引 言

隨著社會經濟的高速發展，城市及農村的生活及工業用水、農田灌溉用水等用水需求量不斷增加，導致人類對水資源的依賴和利用程度不斷增加，其中修筑大壩進行水資源的存儲及合理分配是目前最為常用的手段[1-2]。在眾多種類的大壩中，土石壩由于其材料堅固、施工便捷和經濟成本低等諸多優勢被廣泛采用，我國現存的水庫大壩中土石壩占比高達95%以上[3-4]。

目前，世界范圍內的土石壩種類較多及施工工藝較為完善。如1961年在塔吉克斯坦修建的高300 m的心墻土石壩、我國大渡河擁有高314 m的心墻堆石壩、1994年在小浪底修建的壤土斜心墻堆石壩等[5-6]。但是隨著施工環境的復雜化及施工進度的推進，土石壩也開始出現諸多的問題，如心墻滲透破壞、壩體沉降及壩頂裂縫等[7-8]。現代大壩出現的病險影響因素較多，但是其中最重要的影響因素是滲流、石料濕化變形、流變等。目前有許多學者通過改進濕化模型及現場應用相結合的方式對土石壩的濕化變形機理進行了更加深入的研究[9-10]，但尚未形成一套較為完整的土石壩粒料濕化變形特性理論。

因此，本文在充分了解土石壩粒料濕化變形影響因素的基礎之上，通過室內常規三軸試驗，研究土石壩粒料濕化后的軸向變形和體積變形，并且根據室內試驗數據得出土石壩粒料濕化后的變形經驗公式，得到土石壩粒料濕化應變模型，為更加全面了解土石壩粒料濕化變形特性提供理論基礎。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

本次試驗所用的土石壩粒料是以某大壩筑壩粗粒料為原型，通過等效替代法進行配制。首先根據現場粒料級配用相同比例的方式將粒料進行縮小，這個過程需要維持原有級配的均勻系數，同時必須保證小于5 mm粒徑的顆粒含量不得大于30%，等效替代法計算后得到的具體級配見表1。根據《土工試驗規程》(SL 237-1999)規范，測定得到粒料的基礎物理力學參數，所有參數均是3次試驗后取平均值得到的，包括最大干密度1.78×103kg/m3、最小干密度1.36×103kg/m3、相對密度0.55、摩擦角1.34°和黏聚力39.75 kPa。

表1 粒料級配

1.2 試驗設備

本次試驗主要通過STX-600三軸試驗系統對土石壩粒料的變形進行測定，試驗設備見圖1。該試驗儀器主要由4部分組成：① 圍壓控制室；② 三軸壓力控制室；③ 動力系統；④ 信號處理器。其中，圍壓控制室主要是提供大氣壓和負壓，如果出現漏氣也能通過手動操作進行補壓，同時向試樣底部注水也是通過該裝置；三軸壓力控制室能向試樣施加壓力，該設備的最大軸向力為300 kN，壓力室能承受1 MPa的壓力，試樣直徑可以設置為70、100、150和300 mm；計算機操作系統主要通過CATS軟件進行操作。

圖1 STX-600三軸試驗系統示意圖

1.3 試驗方法

目前最常用的濕化變形試驗方法主要有單線法和雙線法。單線法是通過常規三軸試驗儀對試樣進行預壓力加載，當達到設定的應力值時保持穩定加載，并對試樣底部進行濕化，通過試樣達到飽和后的附加變形作為試樣的濕化變形[10]。雙線法是在同樣的應力水平條件之下，對常規的干燥試樣和經過濕化一定時間的飽和試樣進行常規三軸試驗，通過兩種試驗條件下得到的應變差作為最終的濕化變形[10]。兩種試樣方法各有利弊，大壩土石料在濕化過程中承受著自身的重力作用，這與單線法的試驗原理更加接近。因此，為了更加貼合現場情況，本次試驗采用單線法進行試驗。

試驗準備工作首先根據級配準備好粒料，分多次將粒料放入成膜筒內，成膜筒外側包裹兩層成膜筒，裝滿后進行振蕩，隨后進行三軸試驗。根據《土工試驗規程》(SL 237-1999規范)及干燥試樣的常規三軸試驗結果，設定濕化變形試驗的應力水平為0、0.2、04和0.6，圍壓設置為200、400和600 kPa，濕化穩定時間設置為24 h，當試樣變形達到軸向應變的15%或破壞時停止試驗。

2 試驗結果分析

2.1 常規三軸試驗結果

為了更好了解濕化對常規土石壩粒料變形的影響，首先對常規土石壩粒料進行不同圍壓條件下的三軸剪切試驗，加載控制條件為剪切速率控制，速率大小設置為0.5%/min，常規土石壩粒料三軸試驗結果見圖2。根據試驗結果可知，在同一圍壓水平下，隨著加載時間的不斷增加，試樣的偏應力呈現出先增大后穩定的趨勢；在相同的加載時間下，試樣的偏應力隨著圍壓的增大而增大，說明偏應力大小與試樣的強度關系緊密。

圖2 不同圍壓下試樣偏應力與時間關系曲線

2.2 濕化變形量分析

試樣的軸向變形主要是通過軸向位移傳感器將試樣在加載過程中的軸向位移采集并輸入系統中計算而來，試樣的體積變形主要是通過徑向的鏈條傳感器將變形數據采集并實時輸入系統中，本次試驗所用的徑向傳感器的精度為-15%～15%。土石壩粒料試樣的濕化軸向變形、濕化體積變形和剪應變結果見表2。從表2中可以看出，在同一圍壓之下，隨著應力水平的升高，試樣所受的偏應力逐漸增大，并且在濕化的條件下，當應力水平大于0時，試樣的軸向變形量始終大于其體積變形量；而在相同應力水平和不同圍壓下，試樣的偏應力和變形量與圍壓大小呈正相關。

表2 濕化變形量

2.3 軸向濕化應變模型

由表2中的試驗數據對試樣的軸向濕化變形與應力水平關系進行曲線擬合，結果見圖3。

圖3 不同圍壓下試樣軸向濕化變形與應力水平關系

3種圍壓條件下曲線擬合公式為：

Δεa=a×b^x

(1)

式中：Δεa為試樣的軸向應變；a和b為常數；x為應力水平。

擬合結果見表3。3種圍壓條件下，擬合曲線的相關系數均大于0.97，說明擬合程度很高，即試樣的軸向濕化變形隨著應力水平的增加符合指數增長的趨勢。

表3 軸向濕化應變擬合結果

2.4 體積濕化應變模型

由表2中的試驗數據對試樣的體積濕化變形與應力水平關系進行曲線擬合，結果見圖4。

圖4 不同圍壓下試樣體積濕化變形與應力水平關系

3種圍壓條件下曲線擬合公式為：

Δεa=c+d×x

(2)

式中：Δεa為試樣的軸向應變；c和d為常數；x為應力水平。

擬合結果見表4。從表4中可以看出，3種圍壓條件下，隨著圍壓的增大，擬合效果越好，說明試樣的體積應變在高圍壓下更加符合線性變形趨勢；當圍壓為200 kPa時，擬合曲線的相關系數為0.934 1，擬合程度也較好，即試樣的體積濕化變形隨著應力水平的增加符合線性增長的趨勢。

表4 體積濕化應變擬合結果

3 結 論

本文以現場大壩為原型，通過單線法對土石壩粒料的濕化變形進行三軸剪切試驗，構建了不同圍壓下粗粒料濕化變形模型，得到如下結論：

1) 土石壩粒料常規三軸試驗表明，試樣所受偏應力大小與圍壓呈正相關。

2) 土石壩粒料濕化變形試驗表明，試樣的軸向應變和體積應變均與圍壓和應力水平呈正相關。

3) 構建了土石壩粒料濕化應變模型，隨著應力水平的增加，粒料的軸向變形和體積變形分別呈指數和線性增長趨勢。