凌 華，傅 華，蔡正銀，劉漢龍

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

土石壩的建設多位于我國西部地區(qū).西部地區(qū)地質(zhì)條件復雜，地震烈度高，一旦失事，將產(chǎn)生災難性的后果.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[1].關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].工程學術界對永久變形預測中是否同時計入殘余體積變形存有爭議[9].但若不考慮殘余體積變形，動力分析時相應的計算結(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?，這與震后觀測資料明顯不符，特別是自由排水的堆石體在反復剪切作用下，棱角破碎嚴重，殘余體積變形十分明顯.因此對于土石壩工程設計與計算而言，后一類殘余變形模型更符合實際情況[6-7].

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

1 實驗簡介

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

表1 試樣密度與級配Table 1 Densities and gradations of samples

試驗圍壓σ3分別為500kPa，1200kPa，1800kPa和2500kPa.固結(jié)應力比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，分別對其進行了動殘余變形試驗.各初始應力狀態(tài)下，在排水條件下施加2～3級軸向循環(huán)荷載，荷載頻率為0.1Hz，共30振次.

2 動三軸殘余變形試驗

在σ3，Kc初始狀態(tài)下(σ3=1800kPa)，動應力 σd作用下產(chǎn)生殘余的剪切應變 γr和體積應變 εvr曲線見圖1和圖2.為清楚起見，圖中試驗點為某振次的平均應變.

圖1 下游堆石料動殘余變形試驗曲線Fig.1 Curves of dynamic residual deformation of downstream rockfill materials

圖2 反濾Ⅰ動殘余變形試驗曲線Fig.2 Curves of dynamic residual deformation of filterⅠ

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

沈珠江動殘余變形模型[6]中僅有5個參數(shù)，且參數(shù)物理意義明確，直接或間接考慮了圍壓、應力水平、動應力等影響土體動殘余變形的主要因素，在國內(nèi)土石壩設計與計算中運用廣泛.

沈珠江等[4]認為 γr和εvr的發(fā)展大體上符合半對數(shù)衰減規(guī)律，即

式中:Cvr，Cdr——εvr～lg(1+N)和 γr～lg(1+N)關系曲線的斜率;εar——殘余軸向應變;μd——動泊松比，取0.33.

式中:c1——Cvr～γd雙對數(shù)關系曲線γd=1%處的直線截距;c2——擬合曲線的斜率雙對數(shù)關系曲線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Cvr影響很小，故可假定Sl對Cvr無影響，即式(3)中的c3= 0.當以10為底進行參數(shù)整理時，c1和 c4要乘以0.4343.確定模型參數(shù)后可用增量法計算動殘余體積應變和殘余剪切應變.

由試驗結(jié)果整理得到的沈珠江動殘余變形模型參數(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 動殘余變形特性試驗參數(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對殘余體積變形影響不大，式(3)能較好地反映試驗結(jié)果.由圖4可見，對于本文壩料試驗結(jié)果，每個Kc情況下的曲線形成了2個狹長的帶狀體，式(4)不能很好地描述不同Kc下的動殘余剪切變形情況，文獻[9-10]也得出了類似的結(jié)論.

鑒于沈珠江動殘余變形模型的突出優(yōu)點，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，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n取0.5時過渡料的擬合結(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)能較好地反映試驗情況，其余各壩料和覆蓋層的c4和c5見表2.在進行動力反映分析時原有計算程序僅略為修改即可進行動殘余變形計算.

表3 不同n時的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 動力殘余變形特性初探

3.1 動力殘余體積變形特性分析

由圖1、圖2和表2可見，對于殘余體積變形，下游堆石料的c1要大于過渡料和反濾Ⅰ，壩基第③層要遠大于砂層，心墻摻礫料最小.這主要是因為級配和滲透特性引起的.SL 237—1999《土工試驗規(guī)程》規(guī)定，在進行靜力三軸壓縮CD試驗時，對于無黏性粗顆粒材料剪切速率為每分鐘0.1%～0.5%應變，黏質(zhì)粗顆粒材料剪切速率僅為每分鐘0.012%～0.003%應變.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力三軸試驗要求在很短的時間內(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)荷載施加時間基本相同.如本文試驗每級動應力30振次，頻率為0.1Hz，動應力施加過程為300s.因此對于非自由排水體，即使上下排水閥門都已打開，若不能充分排水，仍然會產(chǎn)生超孔隙水壓力，這是導致砂層、心墻摻礫料和反濾Ⅰ產(chǎn)生的動殘余體積變形遠小于下游堆石料和壩基第③層的原因之一.

國內(nèi)動力試驗一般試樣最大允許顆粒粒徑僅為60mm，因此室內(nèi)試驗時首先應對壩料進行級配縮制.縮尺效應使室內(nèi)試驗成果與現(xiàn)場實際壩料力學特性之間存在差異[11].已有研究表明，小于5mm顆粒質(zhì)量分數(shù)P5是影響土料力學性能的重要參數(shù)[12].P5對動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，造成了試驗級配沒有設計級配優(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)試驗得出的殘余體積變形要比現(xiàn)場原位土體的殘余體積變形小.

圖6 P5對殘余體積變形的影響Fig.6 Effect of P5on residual volume deformation

3.2 動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，在動殘余變形試驗過程中，孔隙水壓力僅能部分消散，產(chǎn)生了動孔隙水壓力，導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，其動殘余剪切變形相差不大，但出現(xiàn)了粗顆粒質(zhì)量分數(shù)最大的下游堆石料c4最大這一現(xiàn)象.這些都表明動殘余剪切變形的影響因素眾多，除了圍壓、固結(jié)應力比和動應力，還包括了母巖特性、密度、級配、粗細顆粒質(zhì)量分數(shù)等.這些影響規(guī)律應依據(jù)大量試驗，進行進一步研究.

4 結(jié) 論

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

b.對沈珠江動殘余變形模型關于殘余剪切變形的內(nèi)容，提出了經(jīng)驗修正公式，以反映不同固結(jié)應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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