圍壓對(duì)堆石料和砂礫料強(qiáng)度及變形特性的影響

穆臺(tái)力普·牙森，陳子玉

（1.塔里木河流域大石峽樞紐工程建設(shè)管理局，新疆 喀什 844000；2.南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所，江蘇 南京 235100）

0 引言

堆石料和砂礫料由于取材方便、強(qiáng)度較高、經(jīng)濟(jì)效益明顯，被廣泛應(yīng)用于土石壩筑壩材料，但是堆石料和砂礫料［1］由于粒徑、材料形狀、母巖巖性、風(fēng)化程度等原因，呈現(xiàn)出不同的強(qiáng)度和變形特性；一般來說堆石料采用爆破取材，形狀不規(guī)則，而砂礫料磨圓度較高。新疆大石峽［2-4］水利樞紐工程有我國目前最高的混凝土面板砂礫石壩（251 m），壩體內(nèi)上游筑壩材料主要采用砂礫料，下游筑壩材料采用堆石料。因此，有必要針對(duì)兩種筑壩材料研究其強(qiáng)度和變形特性，通過試驗(yàn)手段研究?jī)煞N筑壩材料的強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變特性。鄧肯-張Eμ模型、EB模型［5-8］作為非線性彈性模型，可以很好地反映粗粒土材料的應(yīng)變硬化特征，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外水利水電工程的數(shù)值分析，但是鄧肯-張模型不能很好地反映粗粒土的剪脹特性；而南水模型［9-10］作為彈塑性本構(gòu)模型，可以很好的反映粗粒土的剪脹剪縮及彈塑性變形特性。本文通過3種模型的對(duì)比，分析堆石料和砂礫料的強(qiáng)度及變形特性的差異。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

堆石料采用爆破開挖的弱風(fēng)化灰?guī)r材料，砂礫石取自現(xiàn)場(chǎng)開挖砂礫料。由于現(xiàn)場(chǎng)筑壩材料粒徑較大，室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)需要對(duì)試驗(yàn)材料縮尺。對(duì)于堆石料設(shè)計(jì)級(jí)配平均線采用等量替代法進(jìn)行縮制，對(duì)于砂粒料采用現(xiàn)場(chǎng)篩分級(jí)配包線的平均線采用等量替代法進(jìn)行縮制（見圖1）。堆石料和砂礫料縮尺后最大粒徑均為60 mm，最小粒徑0.1 mm。堆石料比重為2.74，相對(duì)密度為0.9，設(shè)計(jì)干密度2.22 g/m3，最大、最小干密度分別為2.22、1.68 g/m3；砂礫料比重為2.75，相對(duì)密度為0.9，設(shè)計(jì)干密度2.27 g/m3，最 大、最 小 干 密 度 分 別 為2.32、1.88 g/m3。

圖1 堆石料和砂礫料現(xiàn)場(chǎng)及試驗(yàn)級(jí)配曲線

1.2 試驗(yàn)方案

堆石料和砂礫料試樣尺寸均為φ300×700 mm，在GCTS大三軸壓縮試驗(yàn)儀上試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)要求的干密度、試樣的尺寸和級(jí)配曲線計(jì)算所需試樣，試驗(yàn)所用的試樣均處于自然風(fēng)干狀態(tài)。分別進(jìn)行圍壓為400、800、1 200、2 000 kPa和3 000 kPa的三軸CD試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)過程按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果

堆石料和砂礫料應(yīng)力應(yīng)變曲線如下所示（見圖2）。兩種材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化型，隨著軸變?cè)黾?，偏?yīng)力q逐漸增加趨于穩(wěn)定，達(dá)到峰值狀態(tài)；隨著圍壓增高，偏應(yīng)力曲線變陡，圍壓對(duì)兩種材料強(qiáng)度提高效應(yīng)明顯。體變曲線在低圍壓下產(chǎn)生剪脹，在初期產(chǎn)生體積壓縮后體變曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，出現(xiàn)體積膨脹。高圍壓下處于持續(xù)剪縮狀態(tài)，圍壓越高，剪縮性越大，兩種材料試驗(yàn)結(jié)束時(shí)均未達(dá)到體變趨于穩(wěn)定的臨界狀態(tài)。試驗(yàn)過程中峰值強(qiáng)度與圍壓關(guān)系曲線，摩擦角與圍壓關(guān)系曲線如下所示（見圖3、圖4）?？梢钥闯?，隨著圍壓增大，堆石料和砂礫料的峰值偏應(yīng)力qf隨之增大。砂礫石峰值強(qiáng)度增高幅度大于堆石料；堆石料和砂礫料摩擦角隨著圍壓升高而逐漸降低，在低圍壓下堆石料摩擦角高于砂礫料摩擦角，高圍壓下堆石料摩擦角低于砂礫料摩擦角。以上試驗(yàn)結(jié)果表明堆石料受圍壓的影響較大。

圖2 堆石料和砂礫料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

圖3 堆石料和砂礫料峰值偏應(yīng)力

圖4 堆石料和砂礫料摩擦角

3 強(qiáng)度和變形參數(shù)分析

針對(duì)水利水電工程中常用的鄧肯-張Eμ模型、EB模型和南水模型3種本構(gòu)模型，整理模型參數(shù)，分析砂礫料和堆石料應(yīng)力變形的強(qiáng)度和變形參數(shù)特征（見表1～表3）。

表3 南水模型參數(shù)

在表1～3中，3種本構(gòu)模型前5個(gè)參數(shù)具有相同的定義，因此同一種筑壩材料，參數(shù)大小相同，堆石料初始摩擦角φ0堆石料相較砂礫料更高。隨著圍壓增加，摩擦角降低，堆石料的非線性摩擦角Δφ更高，表明堆石料受到圍壓的影響更大。相對(duì)于砂礫料，堆石料由于磨圓度較差，棱角較多導(dǎo)致更容易產(chǎn)生顆粒破碎，高圍壓下摩擦角較低。但是與剪切模量相關(guān)的K值、系數(shù)n、破壞比Rf三個(gè)參數(shù)砂礫石更大，表明砂礫石抵抗變形的能力更強(qiáng)，強(qiáng)度更高。對(duì)于鄧肯-張EB模型，堆石料和砂礫料初始切線體積模量系數(shù)Kb大小雖接近，但是模量系數(shù)m相差較大，說明砂礫料體變模量受到圍壓的影響更為顯著，隨著圍壓升高增長明顯。此外由南水模型參數(shù)Rd的定義可知，砂礫料參數(shù)Rd較大，表明砂礫料發(fā)生剪脹時(shí)對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力更大。

表1 鄧肯-張Eμ模型參數(shù)

鑒于砂礫料在低圍壓下強(qiáng)度較低而堆石料在低圍壓下強(qiáng)度較高，同時(shí)砂礫料具有較高的抵抗變形的能力，因此在壩體分區(qū)中，宜將堆石料置于外部以增強(qiáng)壩坡的抗滑穩(wěn)定性，而將砂礫料包裹于堆石料中間以控制壩體的變形。

表2 鄧肯-張EB模型參數(shù)

4 結(jié)論

堆石料和砂礫料作為大石峽混凝土面板砂礫石壩工程的主要筑壩材料，具有不同的強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變特性。大型三軸壓縮試驗(yàn)對(duì)比分析表明，堆石料和砂礫料應(yīng)力應(yīng)變特性基本呈應(yīng)變硬化型，在低圍壓下呈現(xiàn)出剪脹、高圍壓下呈現(xiàn)出剪縮的應(yīng)變特性。堆石料和砂礫料峰值強(qiáng)度隨圍壓升高而升高，摩擦角隨圍壓升高而降低，堆石料強(qiáng)度和變形特性受圍壓的影響更大。