壩料動(dòng)殘余變形特性試驗(yàn)

凌 華，傅 華，蔡正銀，劉漢龍

(1.南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所，江蘇南京 210024;2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇南京 210098)

土石壩的建設(shè)多位于我國西部地區(qū).西部地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地震烈度高，一旦失事，將產(chǎn)生災(zāi)難性的后果.震害資料表明，土石壩的裂縫、震陷、滑坡等與地震的殘余變形有關(guān)[1].關(guān)于殘余變形的研究成果近年較多[2-3].

殘余變形模型一般可分為兩類:一類是僅考慮剪切變形的模型[4-5]，另一類是不僅考慮剪切變形，也考慮體積變形的模型[6-8].工程學(xué)術(shù)界對(duì)永久變形預(yù)測(cè)中是否同時(shí)計(jì)入殘余體積變形存有爭(zhēng)議[9].但若不考慮殘余體積變形，動(dòng)力分析時(shí)相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果表明，地震后下游壩坡大量向外鼓出，壩頂?shù)某两敌∮谒轿灰?，這與震后觀測(cè)資料明顯不符，特別是自由排水的堆石體在反復(fù)剪切作用下，棱角破碎嚴(yán)重，殘余體積變形十分明顯.因此對(duì)于土石壩工程設(shè)計(jì)與計(jì)算而言，后一類殘余變形模型更符合實(shí)際情況[6-7].

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析了圍壓、固結(jié)應(yīng)力比(或應(yīng)力水平)和動(dòng)應(yīng)力對(duì)動(dòng)殘余剪切變形和動(dòng)殘余體積變形的影響，探討了試樣大小和小于5mm粒徑顆粒含量對(duì)動(dòng)殘余體積變形特性的影響規(guī)律.

1 實(shí)驗(yàn)簡介

為減少縮尺效應(yīng)的影響，試驗(yàn)在南京水利科學(xué)研究院大型動(dòng)力三軸儀上進(jìn)行.試樣直徑300mm，高700mm，最大允許粒徑60mm.依據(jù)SL237—006《土工試驗(yàn)規(guī)程》，采用等量替代或等量替代和相似級(jí)配混合法進(jìn)行級(jí)配縮制，具體試驗(yàn)試樣級(jí)配及干密度見表1.

表1 試樣密度與級(jí)配Table 1 Densities and gradations of samples

試驗(yàn)圍壓σ3分別為500kPa，1200kPa，1800kPa和2500kPa.固結(jié)應(yīng)力比Kc覆蓋層第③層為2.5，砂層和心墻摻礫料為1.5，過渡料、下游堆石料、反濾Ⅰ均分別為1.5和2.5，分別對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)殘余變形試驗(yàn).各初始應(yīng)力狀態(tài)下，在排水條件下施加2～3級(jí)軸向循環(huán)荷載，荷載頻率為0.1Hz，共30振次.

2 動(dòng)三軸殘余變形試驗(yàn)

在σ3，Kc初始狀態(tài)下(σ3=1800kPa)，動(dòng)應(yīng)力 σd作用下產(chǎn)生殘余的剪切應(yīng)變 γr和體積應(yīng)變 εvr曲線見圖1和圖2.為清楚起見，圖中試驗(yàn)點(diǎn)為某振次的平均應(yīng)變.

圖1 下游堆石料動(dòng)殘余變形試驗(yàn)曲線Fig.1 Curves of dynamic residual deformation of downstream rockfill materials

圖2 反濾Ⅰ動(dòng)殘余變形試驗(yàn)曲線Fig.2 Curves of dynamic residual deformation of filterⅠ

由圖1和圖2可知:(a)動(dòng)殘余體積變形隨圍壓和動(dòng)應(yīng)力比的提高而增大，固結(jié)應(yīng)力比對(duì)體積變形的影響不大.(b)動(dòng)殘余剪切變形隨動(dòng)應(yīng)力比和圍壓的提高而增大.與殘余體積變形不同，動(dòng)殘余剪切變形受固結(jié)應(yīng)力比的影響較大，隨固結(jié)應(yīng)力比的提高而增大.(c)由圖1可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)Kc=1.5時(shí)，殘余體積應(yīng)變與剪切應(yīng)變大致相當(dāng);當(dāng)Kc=2.5時(shí)，殘余體積應(yīng)變要小于剪切應(yīng)變.對(duì)于反濾Ⅰ試樣，無論Kc是1.5或2.5，殘余體積應(yīng)變要小于剪切應(yīng)變.下游堆石料與反濾Ⅰ2種試樣母巖相同，圍壓相同，施加的軸向動(dòng)應(yīng)力基本相同，試驗(yàn)結(jié)果卻有明顯差別.

沈珠江動(dòng)殘余變形模型[6]中僅有5個(gè)參數(shù)，且參數(shù)物理意義明確，直接或間接考慮了圍壓、應(yīng)力水平、動(dòng)應(yīng)力等影響土體動(dòng)殘余變形的主要因素，在國內(nèi)土石壩設(shè)計(jì)與計(jì)算中運(yùn)用廣泛.

沈珠江等[4]認(rèn)為 γr和εvr的發(fā)展大體上符合半對(duì)數(shù)衰減規(guī)律，即

式中:Cvr，Cdr——εvr～lg(1+N)和 γr～lg(1+N)關(guān)系曲線的斜率;εar——?dú)堄噍S向應(yīng)變;μd——?jiǎng)硬此杀龋?.33.

式中:c1——Cvr～γd雙對(duì)數(shù)關(guān)系曲線γd=1%處的直線截距;c2——擬合曲線的斜率雙對(duì)數(shù)關(guān)系曲線γd=1%處的直線截距;c5——擬合曲線的斜率.研究結(jié)果表明，Sl對(duì)Cvr影響很小，故可假定Sl對(duì)Cvr無影響，即式(3)中的c3= 0.當(dāng)以10為底進(jìn)行參數(shù)整理時(shí)，c1和 c4要乘以0.4343.確定模型參數(shù)后可用增量法計(jì)算動(dòng)殘余體積應(yīng)變和殘余剪切應(yīng)變.

由試驗(yàn)結(jié)果整理得到的沈珠江動(dòng)殘余變形模型參數(shù)見表2，下游堆石料和反濾Ⅰγd～Cvr曲線及γd～Cdr/S2l曲線見圖3和圖4.

表2 動(dòng)殘余變形特性試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Parameters for tests on dynamic residual deformation characteristics

圖3 γd～Cvr曲線Fig.3 Curves of γd～Cvr

圖4 γd～Cdr/曲線Fig.4 Curves of γd～Cdr/

由圖3可見，Sl對(duì)殘余體積變形影響不大，式(3)能較好地反映試驗(yàn)結(jié)果.由圖4可見，對(duì)于本文壩料試驗(yàn)結(jié)果，每個(gè)Kc情況下的曲線形成了2個(gè)狹長的帶狀體，式(4)不能很好地描述不同Kc下的動(dòng)殘余剪切變形情況，文獻(xiàn)[9-10]也得出了類似的結(jié)論.

鑒于沈珠江動(dòng)殘余變形模型的突出優(yōu)點(diǎn)，建議延用式(4)的形式，采用式(5)描述殘余剪切變形:

由式(5)，等向固結(jié)時(shí)，Cdr和γr為0，這與已有的研究成果相符合.固定指數(shù) n整理得到的c′4和c′5見表3，表中 R為相關(guān)系數(shù).由表3可見，n在0.4～0.6范圍內(nèi)曲線擬合較好，建議n取0.5.當(dāng)n取0.5時(shí)過渡料的擬合結(jié)果也比較理想.下游堆石料和反濾曲線見圖5.由圖5可見，式(5)能較好地反映試驗(yàn)情況，其余各壩料和覆蓋層的c4和c5見表2.在進(jìn)行動(dòng)力反映分析時(shí)原有計(jì)算程序僅略為修改即可進(jìn)行動(dòng)殘余變形計(jì)算.

表3 不同n時(shí)的c′4和c′5Table 3 Values of c′4and c′5under different values of n

圖5 曲線Fig.5 Curves of

3 動(dòng)力殘余變形特性初探

3.1 動(dòng)力殘余體積變形特性分析

由圖1、圖2和表2可見，對(duì)于殘余體積變形，下游堆石料的c1要大于過渡料和反濾Ⅰ，壩基第③層要遠(yuǎn)大于砂層，心墻摻礫料最小.這主要是因?yàn)榧?jí)配和滲透特性引起的.SL 237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，在進(jìn)行靜力三軸壓縮CD試驗(yàn)時(shí)，對(duì)于無黏性粗顆粒材料剪切速率為每分鐘0.1%～0.5%應(yīng)變，黏質(zhì)粗顆粒材料剪切速率僅為每分鐘0.012%～0.003%應(yīng)變.這樣規(guī)定，能通過剪切速率使試樣在剪切過程中充分排水和消散超孔隙水壓力.但是模擬地震情況的動(dòng)力三軸試驗(yàn)要求在很短的時(shí)間內(nèi)完成.無論是無黏性粗顆粒土還是黏質(zhì)粗顆粒土甚至黏土，循環(huán)荷載施加時(shí)間基本相同.如本文試驗(yàn)每級(jí)動(dòng)應(yīng)力30振次，頻率為0.1Hz，動(dòng)應(yīng)力施加過程為300s.因此對(duì)于非自由排水體，即使上下排水閥門都已打開，若不能充分排水，仍然會(huì)產(chǎn)生超孔隙水壓力，這是導(dǎo)致砂層、心墻摻礫料和反濾Ⅰ產(chǎn)生的動(dòng)殘余體積變形遠(yuǎn)小于下游堆石料和壩基第③層的原因之一.

國內(nèi)動(dòng)力試驗(yàn)一般試樣最大允許顆粒粒徑僅為60mm，因此室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)首先應(yīng)對(duì)壩料進(jìn)行級(jí)配縮制.縮尺效應(yīng)使室內(nèi)試驗(yàn)成果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際壩料力學(xué)特性之間存在差異[11].已有研究表明，小于5mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)P5是影響土料力學(xué)性能的重要參數(shù)[12].P5對(duì)動(dòng)力殘余體積變形的影響如圖6所示.圖6表明，隨著P5的增加，殘余體積變形明顯減小.目前壩體填筑材料的最大允許顆粒粒徑已經(jīng)提高至1000mm，造成了試驗(yàn)級(jí)配沒有設(shè)計(jì)級(jí)配優(yōu)良，最大顆粒粒徑減小，P5要有所增加.也就是說，一般室內(nèi)試驗(yàn)得出的殘余體積變形要比現(xiàn)場(chǎng)原位土體的殘余體積變形小.

圖6 P5對(duì)殘余體積變形的影響Fig.6 Effect of P5on residual volume deformation

3.2 動(dòng)殘余剪切變形特性分析

心墻摻礫料和砂層的滲透系數(shù)低，在動(dòng)殘余變形試驗(yàn)過程中，孔隙水壓力僅能部分消散，產(chǎn)生了動(dòng)孔隙水壓力，導(dǎo)致殘余剪切變形較大.過渡料、下游堆石料和反濾Ⅰ母巖成分相同，其動(dòng)殘余剪切變形相差不大，但出現(xiàn)了粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大的下游堆石料c4最大這一現(xiàn)象.這些都表明動(dòng)殘余剪切變形的影響因素眾多，除了圍壓、固結(jié)應(yīng)力比和動(dòng)應(yīng)力，還包括了母巖特性、密度、級(jí)配、粗細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)等.這些影響規(guī)律應(yīng)依據(jù)大量試驗(yàn)，進(jìn)行進(jìn)一步研究.

4 結(jié) 論

a.動(dòng)殘余體積變形隨圍壓和動(dòng)應(yīng)力比的提高而增大，固結(jié)應(yīng)力比(或應(yīng)力水平)對(duì)體積變形的影響不大;動(dòng)殘余剪切變形隨動(dòng)應(yīng)力比、圍壓的提高而增大，與殘余體積變形不同，動(dòng)殘余剪切變形受固結(jié)應(yīng)力比的影響較大，隨固結(jié)應(yīng)力比的提高而增大.

b.對(duì)沈珠江動(dòng)殘余變形模型關(guān)于殘余剪切變形的內(nèi)容，提出了經(jīng)驗(yàn)修正公式，以反映不同固結(jié)應(yīng)力比情況下的殘余剪切變形特性.

c.初步探討了殘余體積變形和剪切變形的影響因素.另外試驗(yàn)結(jié)果也表明，殘余體積變形隨著P5的增大呈現(xiàn)變小的規(guī)律.

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