筑壩堆石料三軸剪切特性及變形破壞試驗(yàn)研究

熊治茗,杜 俊,楊志全,沈興剛

(1.昆明理工大學(xué) 公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院,云南 昆明 650093;2.昆明學(xué)院 建筑工程學(xué)院,云南 昆明 650214)

近年來,中西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,對水電能源的需求量也不斷擴(kuò)大,土石壩因取材方便、結(jié)構(gòu)簡單、易于施工等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)建設(shè)中[1,2]。筑壩堆石料是典型的寬級(jí)配粗粒土,級(jí)配組成較為分散,粗細(xì)顆粒占比不一,高應(yīng)力條件下其強(qiáng)度與變形特性是影響壩體安全性能的重要因素。因此,研究筑壩堆石料強(qiáng)度與變形特性、揭示其變形破壞機(jī)理對土石壩的設(shè)計(jì)施工及長期平穩(wěn)運(yùn)行具有十分重要的研究意義。

已有研究結(jié)果表明,圍壓是影響粗粒土強(qiáng)度及變形特性的重要原因[3-4]。JANG等[5]通過4組大型三軸壓縮試驗(yàn),結(jié)果為粗粒土應(yīng)力-應(yīng)變曲線受圍壓影響顯著,低圍壓時(shí)表現(xiàn)出軟化特征,而高圍壓時(shí)則呈硬化特征。褚福永等[6]對3種堆石料進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)堆石料破壞剪切強(qiáng)度隨圍壓的增加而增大。高文華等[7]發(fā)現(xiàn)紅砂巖粗粒土峰值強(qiáng)度及硬化特征與圍壓呈正相關(guān),均隨圍壓的增加而逐漸增大。受圍壓影響,筑壩堆石料變形破壞對土石壩長期安全運(yùn)行具有明顯的控制作用。由于堆石料顆粒級(jí)配組成十分復(fù)雜,顆粒間的接觸關(guān)系在空間上不斷發(fā)生變化,使其剪切過程中表現(xiàn)出明顯的剪脹性。一方面,圍壓是引起粗粒土剪脹變形的外在條件,Chu等[8]研究認(rèn)為粗粒土剪脹性與圍壓密切相關(guān),低圍壓下表現(xiàn)出明顯的剪脹特征,而高圍壓下則由剪脹向剪縮轉(zhuǎn)變。與此同時(shí),褚福永等[9-10]、程展林等[11]、姜景山等[12]也認(rèn)為粗粒料剪脹性在不同圍壓下表現(xiàn)出不同的變化特征。另一方面,高圍壓下導(dǎo)致的顆粒破碎現(xiàn)象是引起粗粒土剪縮的內(nèi)在因素[13],Yu等[14]認(rèn)為顆粒破碎現(xiàn)象會(huì)影響粗粒料的剪脹性,使土體表現(xiàn)出明顯的剪縮特征,從而影響其剪切變形特性。張季如等[15]通過三軸剪切試驗(yàn)研究鈣質(zhì)砂的顆粒破碎特性,認(rèn)為隨著圍壓的增大,顆粒破碎率也逐漸增大,剪縮效應(yīng)愈加明顯。Wei等[16]通過對鈣質(zhì)砂進(jìn)行固結(jié)排水三軸剪切試驗(yàn),認(rèn)為高圍壓下其剪切變形特性主要受顆粒破碎影響,在此過程中,體變特征由剪脹向剪縮轉(zhuǎn)變。

盡管已有研究指出粗粒土強(qiáng)度與變形特性受圍壓影響顯著,均隨圍壓表現(xiàn)出不同的變化特征。但針對粒徑大小不一、分級(jí)現(xiàn)象顯著的寬級(jí)配筑壩堆石料在三軸剪切作用下的強(qiáng)度特征及變形破壞機(jī)理研究尚少。因此,本文通過常規(guī)三軸剪切試驗(yàn),分析不同圍壓下筑壩堆石料的應(yīng)力應(yīng)變特性、非線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、剪脹性以及Rowe剪脹模型的適用性,揭示其變形破壞機(jī)理,以期研究成果為分析土石壩長期安全運(yùn)行提供有益指導(dǎo)。

1 常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)機(jī)采用昆明學(xué)院與成都東華卓越科技有限公司(原四川大學(xué)華西巖土儀器研究所)共同研制的DJSZ-150大型粗粒土動(dòng)靜三軸試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)最大軸向荷載1 500 kN,最大圍壓可達(dá)3.0 MPa,允許試樣尺寸Φ300 mm×600 mm。試驗(yàn)機(jī)主要由圍壓伺服系統(tǒng)、動(dòng)靜加載系統(tǒng)、孔壓測量系統(tǒng)、體變測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等構(gòu)成。可進(jìn)行軸向應(yīng)力、應(yīng)變、圍壓、孔隙壓力、試樣體積變化、飽和進(jìn)水量與固結(jié)排水量等參數(shù)的自動(dòng)測試。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土料選自云南臨滄大橋坡水庫筑壩堆石料,利用土工篩網(wǎng)對其進(jìn)行顆粒篩分,篩網(wǎng)孔徑分別為60 mm、40 mm、20 mm、10 mm、5 mm、2 mm。

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019),試驗(yàn)機(jī)所允許填料的最大粒徑為60 mm,需對試驗(yàn)土料進(jìn)行縮尺處理以滿足試驗(yàn)機(jī)尺寸要求,因試驗(yàn)土料超粒徑含量較多,不可忽略,故本文采用等量替代縮尺方法進(jìn)行縮尺處理,縮尺公式如下[17]:

(1)

式中:P5為大于5 mm的土料含量,%;P5i為處理后粒徑大于5 mm某一粒級(jí)含量,%;P05i為與P5i對應(yīng)的某原型級(jí)配粒級(jí)含量,%;P0為粒徑大于60 mm的土料含量,%。

試驗(yàn)筑壩堆石料原型級(jí)配及經(jīng)等量替代縮尺后的縮尺級(jí)配見表1,粒徑級(jí)配累積曲線見圖1。

圖1 筑壩堆石料級(jí)配累積曲線

表1 筑壩堆石料級(jí)配組成匯總

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)筑壩堆石料密度2.12 g/cm3,天然含水量4.20%,依據(jù)表1縮尺級(jí)配稱取五份干土,并加入所需質(zhì)量的水充分?jǐn)嚢杈鶆?分五層依次裝入制樣筒中,使用擊實(shí)錘對每層土樣進(jìn)行夯實(shí),為避免試驗(yàn)土樣出現(xiàn)分層現(xiàn)象,夯實(shí)后對土樣表面進(jìn)行鑿毛處理。

三軸壓縮試驗(yàn)中,圍壓分別設(shè)計(jì)為200 kPa、400 kPa、600 kPa、800 kPa和1 000 kPa,試驗(yàn)條件為固結(jié)排水,剪切速率控制為1 mm/min。視剪切應(yīng)變(剪切位移與制樣筒高度的比值)達(dá)到15%時(shí)試樣破壞[18],此時(shí)可停止剪切。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變特性分析

不同圍壓下筑壩堆石料固結(jié)排水三軸壓縮偏差應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線見圖2。

圖2 筑壩堆石料偏差應(yīng)力-應(yīng)變曲線

分析圖2可知,筑壩堆石料偏差應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系呈雙曲線型,圍壓是影響偏差應(yīng)力的主要因素,具體表現(xiàn)為偏差應(yīng)力隨著圍壓的增大而逐漸增大。以堆石料破壞偏差應(yīng)力(應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)的偏差應(yīng)力)為例,隨著圍壓的增大,其破壞偏差應(yīng)力增幅依次為88.10%、44.65%、28.72%、18.39%。

除此之外,中低圍壓(200 kPa、400 kPa、600 kPa)下,筑壩堆石料應(yīng)力應(yīng)變具有明顯的軟化特征,而高圍壓(800 kPa、1 000 kPa)下則呈硬化趨勢。分析其原因,堆石料剪切初期,土體顆粒間緊密接觸,剪切時(shí)土體以彈性變形為主,故表現(xiàn)出較高的抗剪強(qiáng)度。隨著剪切過程的持續(xù)進(jìn)行,土體顆粒間發(fā)生翻滾、旋轉(zhuǎn)、抬升等改變空間位置的現(xiàn)象,導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)變松,且中低圍壓不足以限制其運(yùn)動(dòng),故應(yīng)力發(fā)生軟化特征。而高圍壓下可限制其運(yùn)動(dòng),使土體顆粒間的接觸更加緊密,因此,高圍壓下應(yīng)力呈硬化趨勢。

2.2 非線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析

目前,粗粒土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取值有兩種觀點(diǎn),即非線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo),前者假設(shè)土體黏聚力c=0,后者則c≠0。筑壩堆石料塊石顆粒較多、棱角分明、多呈松散堆積狀,可用非線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)表征其強(qiáng)度特征[19-21]。

非線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析中,堆石料極限平衡狀態(tài)下其滑動(dòng)摩擦角可用如下公式表示[21]:

(2)

式中:φp為堆石料滑動(dòng)面上的摩擦角,(°);σ1為堆石料剪切破壞時(shí)的大主應(yīng)力,kPa;σ3為堆石料剪切破壞時(shí)的小主應(yīng)力,kPa。

取筑壩堆石料三軸壓縮下的破壞剪切強(qiáng)度作為堆石料土體的抗剪強(qiáng)度,結(jié)合式(2)可得不同圍壓下筑壩堆石料的滑動(dòng)摩擦角,具體見表2。

表2 筑壩堆石料非線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)匯總

由表2可知,筑壩堆石料滑動(dòng)面上的摩擦角與圍壓相關(guān)性顯著。隨著圍壓的增大,其滑動(dòng)摩擦角逐漸減小。分析其原因,增大圍壓后,隨著剪切運(yùn)動(dòng)的持續(xù)進(jìn)行,堆石料土體被逐漸壓密,顆粒間的接觸作用加強(qiáng),塊石間的接觸擠壓會(huì)造成顆粒破碎,導(dǎo)致土體渾圓度增加,摩擦效應(yīng)減弱,故堆石料土體間的滑動(dòng)摩擦角也逐漸減小。

2.3 變形特性分析

筑壩堆石料在三軸壓縮下不僅會(huì)產(chǎn)生形狀變化,還會(huì)產(chǎn)生體積變化,將三軸剪切后引起的體積變化(體積膨脹或收縮)統(tǒng)稱為剪脹性。剪脹性是土體發(fā)生變形破壞的重要原因[22]。經(jīng)三軸壓縮后,筑壩堆石料體積變化特征見圖3。

圖3 筑壩堆石料三軸壓縮下體積變化特征圖

由圖3可知,筑壩堆石料經(jīng)三軸壓縮后其體積變化特征主要表現(xiàn)為軸向變形及側(cè)向變形。不同圍壓下,堆石料均發(fā)生軸向壓縮變形及側(cè)向鼓脹變形,并隨著圍壓的增大,堆石料側(cè)向變形逐漸減弱。分析其原因,低圍壓條件下對筑壩堆石料的側(cè)向約束效果較弱,當(dāng)施加軸向應(yīng)力時(shí),土體間的相互作用力致使其發(fā)生側(cè)向變形,而此時(shí)的圍壓條件不足以限制其側(cè)向運(yùn)動(dòng),故低圍壓時(shí)堆石料的側(cè)向變形量較大,變形特征較為明顯。而當(dāng)堆石料處于高圍壓狀態(tài)下時(shí),對其側(cè)向約束作用明顯加強(qiáng),當(dāng)施加軸向應(yīng)力后,此時(shí)的圍壓足以抵抗堆石料的側(cè)向變形,因此,隨著圍壓的增大,堆石料其側(cè)向變形量逐漸減小。

為進(jìn)一步量化分析筑壩堆石料在三軸壓縮下的變形特性,整理試驗(yàn)數(shù)據(jù),可得筑壩堆石料體積應(yīng)變?chǔ)舦與軸向應(yīng)變?chǔ)臿關(guān)系曲線,具體見圖4,圖中設(shè)定剪縮為正,剪脹為負(fù)。

由圖4可知,隨著圍壓的增大,相同軸向應(yīng)變對應(yīng)下的體積應(yīng)變也逐漸增大,以軸向應(yīng)變?chǔ)臿=5%為例,隨著圍壓的增大,其體積應(yīng)變?chǔ)舦由200 kPa下的0.34%增長至1000 kPa下的2.87%。究其原因,低圍壓時(shí),土體顆粒間孔隙較大,排水量較少,土樣體積變化不明顯,故體積應(yīng)變較小,而隨著圍壓的增大,土體被壓密,土體顆粒間孔隙逐漸減小,孔隙水被排出,排水量增加,土樣體積變化較為明顯,因此,體積應(yīng)變逐漸增加。

除此之外,不同圍壓下,在筑壩堆石料軸向應(yīng)變的初始階段(εa<5%),其體積應(yīng)變均為正,土體發(fā)生剪縮,隨著軸向應(yīng)變增加,體積應(yīng)變曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)后向體積增大方向發(fā)展。當(dāng)圍壓分別是200 kPa和400 kPa時(shí),土體體積應(yīng)變在軸向應(yīng)變分別是6.31%與11.17%之后就變?yōu)樨?fù)值,土體出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象。當(dāng)圍壓大于或等于600 kPa時(shí),土體未出現(xiàn)剪脹,均表現(xiàn)為剪縮。因此,低圍壓下,土體先剪縮、后剪脹,中高圍壓下,土體以剪縮為主。其原因是,土體固結(jié)時(shí)整體呈壓密狀態(tài),孔隙水被排出,隨著軸向荷載的增加,土體體積減小,發(fā)生剪縮現(xiàn)象。當(dāng)軸向荷載繼續(xù)增大后,土體間的運(yùn)動(dòng)加劇,使土體體積呈體脹趨勢,低圍壓不足約束其趨勢,故剪切破壞后土體表現(xiàn)出剪脹特征。而中高圍壓可明顯限制其土體間的運(yùn)動(dòng)趨勢,因此,剪切破壞后土體顆粒仍表現(xiàn)出剪縮特征。

定義軸向應(yīng)變與體積應(yīng)變之比為應(yīng)變比,圖5是不同圍壓條件下應(yīng)變比的變化規(guī)律。

由圖5(a)可知,低圍壓下,應(yīng)變比開始呈正值,且隨剪切應(yīng)變的增加先緩慢增大,達(dá)到一個(gè)極值點(diǎn)后出現(xiàn)突變,減小為負(fù)值,最后又緩慢減小逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定的負(fù)值。對比突變點(diǎn)出現(xiàn)的位置,與圖4中土體產(chǎn)生剪脹變形的軸向應(yīng)變一致,因此可將突變點(diǎn)定義為土體由剪縮向剪脹轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)。土體的體積應(yīng)變由軸向應(yīng)變和側(cè)向應(yīng)變共同構(gòu)成,試驗(yàn)初始階段,土樣主要產(chǎn)生軸向應(yīng)變,側(cè)向應(yīng)變較小,故應(yīng)變比逐漸增大,土樣以剪縮為主。當(dāng)軸向變形發(fā)展到一定程度,側(cè)向應(yīng)變逐漸增大,且顆粒之間的翻滾更為強(qiáng)烈,體積應(yīng)變以剪脹為主,此時(shí)應(yīng)變比出現(xiàn)突變,變?yōu)樨?fù)值。

由圖5(b)可知,中高圍壓下,應(yīng)變比隨剪切應(yīng)變的增加呈先減小后增大的趨勢,且應(yīng)變比總為正值,土樣呈現(xiàn)剪縮狀態(tài)。圍壓越大,土體應(yīng)變比增大的趨勢相對較為緩慢。

2.4 Rowe剪脹模型分析

目前,Rowe剪脹方程是研究土體顆粒剪脹性特征的基礎(chǔ)。但該方程大多研究對象為砂土,對于筑壩堆石料研究尚少,故該方程對筑壩堆石料的適用性需進(jìn)一步探討分析。針對常規(guī)三軸剪切試驗(yàn),Rowe剪脹方程可表示如下[23]:

(3)

式中:σ1為大主應(yīng)力,kPa;σ3為小主應(yīng)力,kPa;Kf為Rowe剪脹參數(shù);dε1為軸向應(yīng)變增量,%;dε3為側(cè)向應(yīng)變增量,%。

式(3)經(jīng)變形后可得:

(4)

根據(jù)式(4),整理試驗(yàn)數(shù)據(jù),可得筑壩堆石料剪脹參數(shù)Kf與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線,具體見圖6。

圖6 剪脹方程參數(shù)Kf值與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖6可知,筑壩堆石料在剪切初始階段(εa<5%)時(shí),Kf值離散特征明顯,不同圍壓下Kf值均呈不規(guī)則形態(tài)分布,而隨著剪切的持續(xù)進(jìn)行,到剪切中后期(εa>5%),不同圍壓下的Kf值具有明顯的歸一化特征。分析其原因,筑壩堆石料剪切初始階段的顆粒破碎使粗細(xì)顆粒發(fā)生不規(guī)則變形及不可逆滑動(dòng),使Kf值不穩(wěn)定,隨著軸向應(yīng)變的增大,剪切空間減少,破碎后的細(xì)顆粒填充于土體孔隙中,粗細(xì)顆粒接觸緊密,不易發(fā)生相對滑動(dòng),故Kf值趨于穩(wěn)定。這與筑壩堆石料剪脹性變化規(guī)律基本一致,表明可用剪脹參數(shù)Kf值表征筑壩堆石料的剪脹變形特征。

3 筑壩堆石料變形機(jī)理分析與討論

由上述研究可知,筑壩堆石料變形破壞與其剪脹性有關(guān),而剪脹性受圍壓影響顯著,因此,有必要分析不同圍壓條件下堆石料的剪脹變形機(jī)理。三軸壓縮下筑壩堆石料力學(xué)行為響應(yīng)見圖7。

圖7 三軸壓縮下筑壩堆石料力學(xué)行為響應(yīng)

由圖7可知,圍壓是影響筑壩堆石料剪脹性的重要因素,而土顆粒相互接觸后因應(yīng)力集中而產(chǎn)生的顆粒破碎現(xiàn)象是土體剪切破壞的本因[17,24]。一方面,低圍壓條件下,土體隨著剪切過程的進(jìn)行而被逐漸壓密,土顆粒接觸后產(chǎn)生顆粒破碎現(xiàn)象,破碎后的細(xì)顆粒填充于粗顆粒間的孔隙中,使土體宏觀狀態(tài)表現(xiàn)為體積收縮。但低圍壓不足以造成顆粒破碎現(xiàn)象的持續(xù)發(fā)生及難以約束顆粒間的運(yùn)動(dòng)變化趨勢,故剪切后期土體顆粒發(fā)生剪脹。另一方面,土體處于中高圍壓狀態(tài)時(shí),土顆粒間難以發(fā)生相對滑動(dòng),且顆粒間的接觸更加緊密,顆粒破碎現(xiàn)象更加明顯,因此,從剪切初期直至剪切破壞后,土體顆粒在宏觀狀態(tài)下均表現(xiàn)為體積收縮。

為進(jìn)一步量化分析不同圍壓下顆粒破碎對筑壩堆石料剪脹性的影響,試驗(yàn)結(jié)束(軸向應(yīng)變達(dá)15%)后,對筑壩堆石料進(jìn)行再篩分處理,測定其粒徑組成,并將破碎率Bg作為顆粒破碎程度的度量,分析其與堆石料剪脹性的關(guān)系,具體見表3。

表3 堆石料剪切破壞(εa=15%)時(shí)顆粒破碎與剪脹性的關(guān)系匯總

由表3可知,筑壩堆石料剪切破壞后其剪脹性受顆粒破碎影響顯著。低圍壓下,筑壩堆石料剪切破壞后發(fā)生剪脹,圍壓不足以限制堆石料側(cè)向運(yùn)動(dòng)是其主要原因。中高圍壓下,筑壩堆石料剪縮特征與顆粒破碎率呈正相關(guān),隨著顆粒破碎率的增大,堆石料剪縮特征逐漸明顯。

可用剪脹率d=dεv/dε1表征堆石料土體的剪脹程度[1]。為更清楚說明剪脹率與圍壓、顆粒破碎率之間的關(guān)系,根據(jù)表3,可得不同圍壓及不同顆粒破碎下剪脹率的變化關(guān)系。具體見圖8和圖9。

圖8 剪脹率與圍壓變化關(guān)系曲線

圖9 剪脹率與顆粒破碎率變化關(guān)系曲線

由圖8及圖9可知,三軸剪切后,筑壩堆石料剪脹率與圍壓及顆粒破碎率密不可分,均隨圍壓及顆粒破碎率的增大而逐漸減小。其中,當(dāng)圍壓達(dá)到800 kPa及對應(yīng)的顆粒破碎率后,剪脹率下降較快,分析其原因,圍壓較小時(shí),筑壩堆石料顆粒破碎不明顯,此時(shí)堆石料體變特征主要以剪脹為主,而隨著圍壓的增大,土體被壓密,土體間孔隙減小,顆粒破碎現(xiàn)象顯著,此時(shí)體變特征以剪縮為主,故剪脹率明顯下降。

綜上所述,圍壓和顆粒破碎是筑壩堆石料在三軸壓縮下發(fā)生變形破壞的重要影響因素。顆粒破碎是發(fā)生變形破壞的內(nèi)在因素,破碎后的細(xì)小顆粒填充于土顆粒孔隙中,剪切破壞后堆石料在宏觀上表現(xiàn)為剪縮。圍壓作為外在條件使筑壩堆石料發(fā)生不同程度的顆粒破碎,且顆粒破碎率越高,堆石料剪縮特征越明顯。

4 結(jié) 論

(1) 圍壓是影響云南臨滄大橋坡水庫筑壩堆石料抗剪強(qiáng)度的重要因素,具體表現(xiàn)為破壞抗剪強(qiáng)度隨圍壓的增加而增大。

(2) 云南臨滄大橋坡水庫筑壩堆石料滑動(dòng)摩擦角及剪脹性均與圍壓有關(guān)。滑動(dòng)摩擦角隨圍壓的增加呈弱化特征,低圍壓時(shí),堆石料先發(fā)生剪縮,后發(fā)生剪脹,中高圍壓時(shí),均發(fā)生剪縮,且圍壓越大,剪縮特征越明顯。

(3) 針對云南臨滄大橋坡水庫筑壩堆石料而言,Rowe剪脹模型對其有較好的適用性,可用剪脹模型參數(shù)Kf值描述其剪脹性的變化規(guī)律。

(4) 云南臨滄大橋坡水庫筑壩堆石料發(fā)生變形破壞是圍壓和顆粒破碎綜合作用的結(jié)果。高圍壓下引起的顆粒破碎是堆石料發(fā)生剪縮的重要原因,且顆粒破碎率越大,剪縮特征越明顯。