傅華，韓華強，凌 華

（1.南京水利科學研究院，江蘇南京210029；2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京210029；

3.水利部土石壩破壞機理與防控技術重點實驗室，江蘇南京210029）

密度對粗顆粒材料動力特性影響試驗研究

傅華1，2，3，韓華強1，2，3，凌 華1，2，3

（1.南京水利科學研究院，江蘇南京210029；2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京210029；

3.水利部土石壩破壞機理與防控技術重點實驗室，江蘇南京210029）

密度是影響粗顆粒材料動力特性的重要因素。隨著密度值的提高，粗顆粒材料的最大動彈性模量產生一定的增加，但增加率隨著圍壓的提高呈逐漸減弱的趨勢；隨著密度值的提高，粗顆粒材料在動荷載作用下的初次動軸向永久變形降低的較明顯，后期隨著振次的增加，動永久軸向變形呈逐漸收斂趨勢，密度值的提高對動軸向永久變形的影響要明顯大于對體積變形的影響。因此，對于高土石壩工程來說，提高壓實標準有利于改善粗顆粒材料的力學特性，控制壩體的整體變形即提高其抗震性能。

密度；粗顆粒材料；動力特性；影響因素；試驗研究

1 研究背景

土石壩壩體填筑材料的密度是控制壩體變形的重要因素，隨著土石壩的日益發(fā)展，特別是近幾年300 m級高土石壩的興建，研究表明［1-7］，控制壩體變形主要工程措施仍然是提高堆石體碾壓密度。密度是土石壩設計以及施工過程中非常關鍵的控制指標，研究表明［8-14］，密度對粗顆粒材料的剪脹效應、顆粒的破碎和重排均具有明顯影響，從而影響其強度和變形指標。不同的孔隙性狀使得粗顆粒材料具有不同的初始結構性，因而表現(xiàn)出不同的力學性質，粗顆粒材料在松散狀態(tài)下內摩擦要明顯的低于密實狀態(tài)。由于密度是決定粗顆粒材料結構性的重要因素，初始密度決定了粗顆粒材料的初始結構性，并最終決定其在動荷載的作用下的應力應變特性，因此，研究粗顆粒材料的動力特性有必要對其密度進行更深入的探討，分析密度對其動力特性的影響。同時在土石壩壩體設計和施工過程中，根據壩體的受力及變形規(guī)律，通常會在壩體不同的填筑區(qū)設置不同的碾壓標準，從而形成不同的填筑密度，密度的改變必然會引起筑壩材料動力特性的改變，因此研究密度變化對筑壩材料動力特性的影響對于保證壩體各分區(qū)在地震作用下的變形協(xié)調同樣還具有十分重要的工程意義。

2 試驗方案及過程

圖1 試驗級配曲線

試驗挑選灰?guī)r料和砂礫料分別進行了不同密度的對比試驗，其中灰?guī)r料密度分別選取2.02 g/cm3和2.05 g/cm3，砂礫料密度分別選取2.20 g/cm3和2.26 g/ cm3。圖1為二種材料的試驗級配曲線。試驗選用大型動力三軸剪切儀，試樣尺寸為Φ300×700 mm，試驗所用的試樣均處于自然風干狀態(tài)，分60～40mm、40～20mm、20～10mm、10～5mm、5mm～0五種粒徑范圍進行試樣的備制，裝樣過程中主要控制好兩點：①試樣分5層進行鋪裝，盡量減少試樣粗、細顆粒的離析；②采用表面振動器對試樣進行分層振動，保證整個試樣的密度均勻性，其中密度的差異性主要通過控制每層試樣的振動時間長短來控制。試樣制好后采用水頭飽和法自下而上對試樣進行飽和，然后根據要求開展不同類型的動力特性對比試驗研究。

3 密度對動彈性模量的影響

為了研究密度對動彈性模量的影響，分別繪制灰?guī)r料和砂礫石料在不同制樣密度下動力彈性模量的倒數(shù)1/Ed與動應變的εd對比曲線，見圖2。

圖2 不同密度下1/Ed～εd對比曲線

由上圖可知，隨著密度值的提高，1/Ed～εd直線擬合段的截距明顯變小，對應于每級圍壓下最大動彈性模量值Edmax顯著變大，表示為數(shù)值如表1和表2所示。砂礫料密度值由2.20 g/cm3增加至2.26 g/cm3，對應于各級圍壓下最大動彈性模量均產生一定的增加，增加率為10.4％～18.8％；灰?guī)r料密度值由2.02 g/cm3增加至2.05 g/cm3，對應于各級圍壓下最大動彈性模量增加率為9.6％～17.2％。繪制兩種材料隨著密度值的提高，最大動彈性模量增加率與圍壓的關系曲線，如圖3所示。圖形顯示，隨著密度值的提高，最大動彈性模量增加率隨著圍壓的增加均呈逐漸減小趨勢。究其原因，在低圍壓狀態(tài)下，由于初始圍壓較小，對粗顆?；旌狭系某跏冀Y構性影響較小，隨著圍壓的逐漸提高，固結應力逐漸克服粗、細顆粒初始的骨架充填效應，粗顆粒棱角在固結應力的作用下產生一定的破碎、滑移和顆粒重組，在這個過程中，密度低的粗顆粒材料對應的固結變形量要明顯大于密度高的材料，低密度試樣在高固結應力狀態(tài)下密實度得到明細提高，從而使得試樣初始制樣密度的影響逐漸減弱。因此，密度值的增加對粗顆粒材料最大動彈性模量影響隨著圍壓的提高呈逐漸減弱的趨勢。

表1 不同圍壓下砂礫料最大動彈性摸量值

表2 不同圍壓下灰?guī)r料最大動彈性摸量值

圖3 動彈性模量增加率隨圍壓變化曲線

圖4 Edmax/Pa～σ3/Pa關系曲線

4 密度對動永久變形特性的影響

表3 動模量參數(shù)表

針對上述兩種材料分別開展了不同密度下的動永久變形試驗，試驗得到典型曲線如圖5所示。不同密度下動軸向永久變形曲線對比顯示，隨著密度值的提高，在動荷載作用下第1次初始應變明顯降低，后期隨著振動次數(shù)的增加，試樣逐漸被振密實，永久變形曲線均逐漸收斂，因此用函數(shù)來描述永久變形的發(fā)展過程曲線時，應考慮到初始密度偏低會造成第1次應變突變這一現(xiàn)象；對于動體積永久變形曲線，隨著密度值提高并沒有出現(xiàn)第1次初始體變明顯減小的現(xiàn)象，這主要跟試樣在動荷載作用下孔隙水在短時間內很難迅速排出有關，隨著振動次數(shù)的增加，排水量呈逐漸增大趨勢，當振動次數(shù)達到30次時，動體變永久變形曲線的收斂程度不及動軸向永久變形曲線好。

圖5 不同干密度最大動力永久變形典型試驗曲線對比

表4—表5分別列出了同一試樣在不同密度下的最大動永久軸向變形與最大動永久體積變形值。試驗結果顯示，灰?guī)r料密度值提高1.5％，對應的最大動永久軸向應變減小17.5％～47.0％，最大動永久體積應變減小9.7％～37.2％；砂礫料密度值提高2.7％，對應的最大動永久軸向應變減小16.2％～54.5％，最大動永久體積應變減小9.6％～43.2％。試驗結果表明，密度變化對粗顆粒材料的動永久變形特性影響非常明顯，隨著密度值的提高，軸向動永久變形和體積動永久變形均產生一定的降低，其中對軸向動永久變形的影響要明顯大于對體積變形的影響。密度大、小表示了粗顆粒材料孔隙比的大、小，密度越大，孔隙比越小，顆粒間咬合的越緊密，加之顆粒間接觸點數(shù)增加，有緩解顆粒破碎的作用［15］。因此，不論從咬合還是從顆粒破碎方面，壓實都可以說起著有利于提高粗顆粒材料的力學特性、改善土石壩壩體的抗震性能的作用。

表4和表5數(shù)據對比同時還顯示，隨著圍壓的增加，密度值的增加對粗顆粒材料永久變形的影響宏觀上呈逐漸減弱的趨勢，這一規(guī)律與密度值的增加對動彈性模量影響的規(guī)律保持一致。

表4 不同干密度下灰?guī)r料最大動力永久變形對比

5 結論

（1）隨著密度值的提高，粗顆粒材料的最大動彈性模量產生一定的增加，但增加率隨著圍壓的提高呈逐漸減弱的趨勢，這一現(xiàn)象導致描述最大動彈性模量的參數(shù)k和n同樣發(fā)生規(guī)律性變化，即隨著密度值的提高，參數(shù)k值變大、參n值逐漸降低。

（2）隨著密度值的提高，粗顆粒材料在動荷載作用下的初次動永久軸向變形產生明顯的降低，后期隨著振動次數(shù)的增加，動永久軸向變形呈逐漸收斂趨勢；密度值的提高對動軸向永久變形的影響要明顯大于對體積變形的影響，增加率均隨著圍壓的提高呈逐漸減弱的趨勢。

（3）密度是影響粗顆粒材料動力特性的重要因素，對于高土石壩工程來說，提高壓實標準有利于改善粗顆粒材料的力學特性、控制壩體整體變形及提高其整體抗震能力。

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Experim ental study on in fluence of density on dynam ic p roperties of coarse aggregate

FU Hua1，2，3，HAN Hua-qiang1，2，3，LING Hua1，2，3
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China；2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nan jing 210029，China；3.Key Laboratory of Earth-Rock Dam FailureMechanism and Safety Control Techniques，Ministry ofWater Resources，Nanjing 210029，China）

The density is an important factor for the dynamic properties of coarse aggregate.W ith the in?crease of its density，the largest dynamic elastic modulus of coarse aggregate has a certain increase，howev?er，the increment ratio exhibits a gradual decrease tendency with the increase of the confining pressure. W ith the increasing density，the initial dynam ic axial permanent deformation of coarse aggregate under dy?namic loads has obvious decrease，and it shows a gradual convergence tendency at the late stage with the increase of vibration number.The influence of the increasing density on the dynamic axial permanent defor?mation of coarse aggregate is obviously larger than that on the volume change.Accordingly，for high earth-rock dams，to raise compactness standard is beneficial to improving the mechanical properties of coarse aggregate，controlling the integrated deformation of dams and raising their seismic performance.

density；coarse aggregate；dynam ic property；influence factor；experimental study

TV641.4

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.03.017

1672-3031（2014）04-0437-05

（責任編輯：李琳）

2014-08-25

國家自然科學基金重大研究計劃集成項目（91215301）；國家自然科學基金青年基金項目（51309161）

傅華（1977-），男，江蘇響水人，高級工程師，博士生，主要從事粗顆粒土的試驗研究，E-mail：hfu@nhri.cn