堆石料的壓縮模量特性研究

鄭希鐳， 朱 晟，張 遠(yuǎn)

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)水工結(jié)構(gòu)研究所，江蘇 南京 210098)

0 引 言

壓縮模量定義為土在完全側(cè)限狀態(tài)下的豎向附加應(yīng)力與對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)隽恐萚1]。近年來，為開發(fā)我國西部地區(qū)豐富的水能資源，建設(shè)了一批200 m及以上超高壩工程，例如古水、茨哈峽、馬吉、如美等。對(duì)于高堆石壩而言，壩基、壩體的不均勻變形是造成大壩裂縫和漏水，影響大壩安全及正常運(yùn)行的主要原因[2]。壩料的壓縮模量作為影響壩體變形的關(guān)鍵因素，不僅與填筑料的巖石特性、顆粒尺寸、含水率及孔隙率相關(guān)，還與大壩沉降、漏水量有著千絲萬縷的關(guān)系。合理測(cè)定壩料的壓縮模量就能更準(zhǔn)確描述堆石體的力學(xué)特性，這對(duì)在設(shè)計(jì)階段通過數(shù)值模擬預(yù)測(cè)大壩的變形與沉降有重要的工程意義。

馬洪琪、曹克明等[3,4]認(rèn)為超高面板堆石壩的主堆石區(qū)壓縮模量值能用于控制面板撓度，合適的主次堆石區(qū)壓縮模量之比能避免堆石上游面產(chǎn)生拉應(yīng)變。劉祖德等[5-6]結(jié)合土壩填筑過程中一些代表性單元的實(shí)測(cè)值與變形值分析發(fā)現(xiàn)各單元的主應(yīng)力比的變化不大，大壩單元的實(shí)際應(yīng)力路徑與等應(yīng)力比試驗(yàn)的應(yīng)力路徑比較接近。水布埡面板壩計(jì)算的堆石體單元應(yīng)力路徑與大型承載試驗(yàn)的應(yīng)力路徑基本一致[7]，都接近等應(yīng)力比加載，其中堆石體單元施工期主應(yīng)力比約為2.85。堆石料室內(nèi)靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗(yàn)的結(jié)果顯示[7]，較高應(yīng)力范圍內(nèi)的靜止側(cè)壓力系數(shù)基本不隨應(yīng)力變化，K0=0.386，對(duì)應(yīng)的大小主應(yīng)力比為R=2.59。

測(cè)定壓縮模量的應(yīng)力路徑與大壩單元實(shí)際填筑的應(yīng)力路徑相似，壓縮模量可以作為一個(gè)能反映大壩變形的控制指標(biāo)。本文取等應(yīng)力比三軸R=2.5，此應(yīng)力路徑與堆石料室內(nèi)單軸壓縮應(yīng)力路徑最為接近，通過室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)與室內(nèi)的等應(yīng)力比三軸試驗(yàn)，建立起變形模量與壓縮模量之間的關(guān)系。

1 現(xiàn)行壓縮模量公式存在的問題

Leps[8]指出早期研究者如Cooke等定義任意水平面上堆石自重作為被壓縮堆石的荷載。將壓縮率定義為該水平面產(chǎn)生的沉降量除以該水平面以下的堆石厚度。曹克明[9]提出的壓縮模量估算公式為

Erc=0.01γHd/δs

(1)

式中，γ為堆石密度，t/m3；H為沉降儀上覆堆石厚度，m；d為沉降儀下臥堆石厚度，m；δs為沉降儀沉降，m。

兩層沉降儀間的壓縮模量為

Erc=0.01γH2H3/[S2-S1H3/(H3+H2)]

(2)

式中，H3為沉降儀上覆堆石厚度，m；H2為兩層沉降儀之間的堆石厚度，m；S2為上層沉降儀沉降，m；S1為下層沉降儀沉降，m。式(2)以某層堆石體受到上臥堆石荷載除以這層堆石的豎向應(yīng)變作為壓縮模量的估計(jì)值。但壓縮模量定義為側(cè)限狀態(tài)下，應(yīng)力增量與應(yīng)變?cè)隽康谋戎?。此公式?jì)算的實(shí)質(zhì)為無側(cè)限的條件下不考慮泊松比與應(yīng)力比堆石料的變形模量。

趙賤清[10]在水布埡茅口灰?guī)r承載板試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)中分析發(fā)現(xiàn)，兩種試驗(yàn)的試驗(yàn)料、起始干密度、承壓板直徑與穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)完全相同，同在4 MPa荷載下，壓縮試驗(yàn)總變形量為14.6 mm，而承載板試驗(yàn)總變形量為43.4 mm。承載板試驗(yàn)的變形量超過壓縮試驗(yàn)變形量的197.2%。在相同條件下，堆石體的壓縮模量與變形模量相差甚遠(yuǎn)，直接用變形模量代替壓縮模量進(jìn)行壩體的應(yīng)力變形計(jì)算顯然是不合理的。

將堆石體看做彈性體，基于廣義虎克定律，得到堆石體壓縮模量與變形模量的關(guān)系，即

(3)

式中，μ為泊松比；K0為靜止側(cè)壓力系數(shù)；E0為堆石體的變形模量；Es為堆石體的壓縮模量。

式(3)反映了變形模量與壓縮模量關(guān)于泊松比的線性關(guān)系。因此泊松比是影響建立壓縮模量與變形模量關(guān)系式的重要因素。下文結(jié)合水布埡室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)與等應(yīng)力比三軸試驗(yàn)分別建立考慮泊松比與應(yīng)力比前后的變形模量與壓縮模量關(guān)系式。結(jié)合大壩的沉降觀測(cè)資料，采用2種關(guān)系式修正壓縮模量，比較考慮泊松比與應(yīng)力比前后修正壓縮模量的差異。

2 變形模量和壓縮模量的關(guān)系

2.1 泊松效應(yīng)和應(yīng)力狀態(tài)影響下的變形模量計(jì)算

若考慮泊松比與應(yīng)力比的影響，則根據(jù)廣義虎克定律的增量形式推導(dǎo)等應(yīng)力比三軸試驗(yàn)中的泊松比為

(4)

式中，R為大小主應(yīng)力之比；ε1、ε3分別為堆石體大主應(yīng)力和小主應(yīng)力方向上的應(yīng)變。

考慮泊松比與應(yīng)力比的等應(yīng)力比三軸試驗(yàn)下的變形模量為

(5)

式中，Et為變形模量；σ1為等應(yīng)力比試驗(yàn)中堆石體的大主應(yīng)力。

2.2 考慮泊松效應(yīng)和應(yīng)力狀態(tài)影響的變形模量和壓縮模量之間的關(guān)系

圖1 堆石料室內(nèi)單軸壓縮

表1 水布埡堆石料壓縮模量擬合結(jié)果

圖2水布埡茅口組和棲霞組堆石料的等應(yīng)力比三軸試驗(yàn)結(jié)果。等應(yīng)力比試驗(yàn)中應(yīng)力路徑見圖2a。圖2b、2c為水布埡堆石料室內(nèi)等應(yīng)力比三軸試驗(yàn)時(shí)的第一主應(yīng)力σ1和軸向應(yīng)變?chǔ)?關(guān)系以及徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線。

圖2 堆石料等應(yīng)力比三軸試驗(yàn)

由圖2b可知，軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變的關(guān)系可表示為

(6)

式中，a、b為擬合參數(shù)。

圖2c中，當(dāng)R=2時(shí)，壩料一直呈現(xiàn)出徑向壓縮的變化規(guī)律；R=3，壩料先發(fā)生徑向壓縮然后發(fā)生徑向膨脹，拐點(diǎn)出現(xiàn)在ε1=0.01～0.015。用駝峰曲線可以較好地?cái)M合ε1、ε3的關(guān)系，結(jié)果見表2。駝峰曲線的形式為

表2 水布埡堆石料等應(yīng)力比三軸試驗(yàn)擬合參數(shù)

(7)

式中，ε3為徑向應(yīng)變；c、d、e為回歸系數(shù)。

為保證應(yīng)力路徑一致，需要在相同的應(yīng)力比下建立壓縮模量與變形模量的關(guān)系。通過插值得到R=2.5時(shí)的等應(yīng)力三軸試驗(yàn)曲線，見圖3。

圖3 堆石料等應(yīng)力比三軸徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變(R=2.5)

R=2.5時(shí)，加載過程中試樣未出現(xiàn)徑向膨脹的情況，得到的曲線同樣用駝峰曲線進(jìn)行擬合，得到的參數(shù)見表3。

表3 水布埡堆石料參數(shù)擬合(R=2.5)

對(duì)式(7)進(jìn)行求導(dǎo)得

(8)

結(jié)合式(8)與式(4)得

(9)

(10)

結(jié)合表3，繪制等應(yīng)力比三軸變形模量與軸向應(yīng)變的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 堆石料等應(yīng)力比三軸試驗(yàn)變形模量

變形模量隨著應(yīng)變的增加逐漸減小，由于推導(dǎo)公式比較復(fù)雜，為了便于計(jì)算，采用冪函數(shù)形式對(duì)變形模量與軸向應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行擬合簡(jiǎn)化，由圖4可知擬合效果較好，擬合曲線較好的反映了數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布。擬合的關(guān)系式見表4。

表4 考慮泊松比的壓縮模量變形模量關(guān)系

為驗(yàn)證表4中壓縮模量變形模量關(guān)系的合理性，將壓縮模量實(shí)際值與公式反算值畫在圖5中。由圖5可知，茅口組堆石料壓模量實(shí)際值與公式反算值基本吻合，可以反映應(yīng)力路徑相似情況下，壓縮模量與變形模量之間的關(guān)系。

圖5 茅口組堆石料壓縮模量實(shí)際值與計(jì)算值

2.3 不考慮泊松效應(yīng)和應(yīng)力狀態(tài)影響的變形模量和壓縮模量之間的關(guān)系

3 工程驗(yàn)證及應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場(chǎng)載荷板試驗(yàn)反演對(duì)公式的驗(yàn)證

表5為水布埡現(xiàn)場(chǎng)荷載板試驗(yàn)的荷載沉降結(jié)果。

表5 棲霞組載荷板試驗(yàn)結(jié)果

為模擬筑壩現(xiàn)場(chǎng)大型承載試驗(yàn)條件，建立二維有限元計(jì)算模型見圖6，共劃分計(jì)算單元100個(gè)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)125個(gè)。

圖6 荷載板試驗(yàn)二維有限元網(wǎng)格

結(jié)合IGA方法[11]，進(jìn)行二維非線性有限元計(jì)算，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算位移，根據(jù)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際變形值，構(gòu)建IGA的目標(biāo)函數(shù)，若目標(biāo)函數(shù)不滿足輸出條件，則進(jìn)行免疫操作與遺傳操作，通過遺傳、免疫算子流程形成新的個(gè)體，依據(jù)適應(yīng)性高低引導(dǎo)免疫遺傳算法檢索方向，找尋最佳單體，最終得到現(xiàn)場(chǎng)的模型參數(shù)以及單元的主應(yīng)力與雙向應(yīng)變用以計(jì)算變形模量。 其目標(biāo)函數(shù)為

(11)

圖7為進(jìn)行棲霞組灰?guī)r料現(xiàn)場(chǎng)荷載板試驗(yàn)反演分析時(shí)目標(biāo)函數(shù)變化過程以及實(shí)際變形曲線和反演計(jì)算擬合曲線。當(dāng)反演計(jì)算到第10代以后，目標(biāo)函數(shù)已經(jīng)基本穩(wěn)定；而當(dāng)計(jì)算到20代后，目標(biāo)函數(shù)基本無變化。反演計(jì)算得到的荷載板中心變形與實(shí)際變形曲線基本吻合，說明反演得到的模型參數(shù)與單元輸出的應(yīng)力應(yīng)變基本可靠。

圖7 棲霞組堆石料大型承載板試驗(yàn)反演結(jié)果

圖8 現(xiàn)場(chǎng)大型承載板試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線

表6 水布埡堆石料現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)參數(shù)擬合

圖9 現(xiàn)場(chǎng)大型壓縮試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線

對(duì)比通過室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)與等應(yīng)力比三軸試驗(yàn)建立的考慮泊松比與應(yīng)力比影響的壓縮模量變形模量關(guān)系式，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)建立的關(guān)系式基本與之吻合。

3.2 基于原型大壩的監(jiān)測(cè)資料的壓縮模量修正

曹克明[9]指出以蓄水前測(cè)定的壓縮模量作為堆石壩的壓縮模量。選取水布埡大壩0+212斷面，其水管式沉降儀埋設(shè)見圖10。根據(jù)式(1)與式(2)并結(jié)合7號(hào)、27號(hào)、33號(hào)測(cè)點(diǎn)處水管式沉降儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算修正前的壓縮模量，見表7。

圖10 水布埡0+212斷面水管式沉降儀埋設(shè)(單位：m)

表7 基于曹克明公式計(jì)算沉降儀處變形模量

在推導(dǎo)將堆石體視為線彈性的廣義虎克定律下變形模量與壓縮模量關(guān)系的公式中，可以發(fā)現(xiàn)兩者與泊松比密切相關(guān)。通過室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)大型試驗(yàn)建立的公式與檢驗(yàn)結(jié)果，也可以反映考慮泊松比后建立公式的合理性且更能反映實(shí)際情況。

表8 修正后的壓縮模量 MPa

4 總 結(jié)

(1)壓縮模量對(duì)于預(yù)測(cè)高壩變形以及限制大壩出現(xiàn)裂縫和滲漏均有重要意義。室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定壓縮模量時(shí)，主應(yīng)力比都接近常數(shù)，即近似為等應(yīng)力比路徑加載，與大壩單元實(shí)際填筑過程中的應(yīng)力路徑接近，驗(yàn)證了壓縮模量可以作為評(píng)價(jià)大壩實(shí)際變形控制指標(biāo)的依據(jù)。

(2)現(xiàn)行計(jì)算大壩壓縮模量的經(jīng)驗(yàn)公式，實(shí)質(zhì)為不考慮泊松比與應(yīng)力比影響的變形模量。相同應(yīng)力條件下變形模量與壓縮模量相差較大，結(jié)合室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)與等應(yīng)力比三軸試驗(yàn)，提出了考慮泊松效應(yīng)的修正壓縮模量公式，與大型承載板試驗(yàn)壓縮試驗(yàn)，得到的壓縮模量與變形模量關(guān)系基本吻合?？紤]泊松效應(yīng)后，基于水布埡大壩實(shí)測(cè)沉降的計(jì)算壓縮模量增大20%～30%。