趙 娜，周 密，何曉民

（長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010）

1 引 言

近年來，我國的高土石壩發(fā)展迅速，在建和擬建的高壩大多為200～300 m級的心墻堆石壩[1]，例如長河壩240 m、糯扎渡261 m、兩河口295 m、雙江口314 m等心墻料多是采用礫質(zhì)土[2－3]。由于壩高的增加，心墻土體將承受較大的應(yīng)力，單純采用黏性土作為心墻防滲土料已無法滿足強度和壓縮性的要求，因此，大于200 m的高心墻堆石壩心墻材料大部分都采用礫質(zhì)土材料。

筑壩材料的流變特性是壩工專家和工程師廣泛關(guān)注研究的問題之一，以往的研究多集中在粗粒料和純黏土兩部分。粗粒料是高堆石壩的主要填料，其流變特性是土石壩流變研究的關(guān)鍵因素，眾多學(xué)者對其流變特性進行了系列研究[4－7]，認為采用指數(shù)衰減函數(shù)或者冪函數(shù)可基本描述粗粒料的流變特性。對于飽和軟黏土的流變特性，一般采用廣義開爾文（Kelvin）模型及其擴展模型、冪函數(shù)經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、時間硬化經(jīng)驗?zāi)Ｐ兔枋鲕涴ね恋牧髯兲匦訹8－10]，對高土石壩中礫質(zhì)土的流變特性基本沒有研究，因礫質(zhì)土中含有較大顆粒，試驗需要大型試驗儀器，又含有大比例的黏性土、滲透系數(shù)低[11－12]、大尺寸試驗排水、飽和困難，試驗周期長，難度大。

長江科學(xué)院近些年來針對礫質(zhì)土大尺寸試樣的試驗過程中飽和、排水困難等問題，提出了在試樣中預(yù)留砂芯進行加速飽和、排水的方法，使大尺寸的礫質(zhì)土試驗成為可能[11,13]。本次在室內(nèi)配制了摻礫黏土試樣，采用大型三軸試驗儀（試樣尺寸（直徑φ ×高度H）300 mm×600 mm），進行三軸流變試驗，研究摻礫黏土的流變特性。

2 摻礫黏土樣的加速排水方法

本次試驗的難點即是大尺寸試樣的充分飽和及試驗過程中的排水通暢，保證數(shù)據(jù)的真實可靠，因此對預(yù)留砂芯加速排水方法進行簡單介紹。

摻礫黏土樣加速排水的基本要求是在不影響力學(xué)性質(zhì)的條件下盡量縮短試樣飽和、排水時間，提高效率。長江科學(xué)院基本做法是在直徑為 300 mm的大尺寸摻礫黏土樣中沿軸向均勻分布 13個直徑6 mm的預(yù)成孔，在孔中灌砂形成砂芯，砂芯起到有效減小排水距離，提高試樣的飽和度、排水速度的作用。

砂芯占試樣截面積的比例為 0.52%，經(jīng)試驗驗證有砂芯樣和無砂芯樣的三軸固結(jié)排水剪切試驗的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線十分近似，如圖1所示。試樣尺寸φ300 mm×H600 mm，圍壓為500 kPa，砂芯的設(shè)置對礫石土試樣的強度及應(yīng)力-應(yīng)變特性的改變不大。有砂芯樣的孔壓消散過程明顯加快，砂芯的排水作用明顯，如圖2所示。因此，在保證剪切過程中完全排水的前提下砂芯可以大大提高試驗的剪切速率。砂芯加速排水方法使摻礫黏土樣大型三軸試驗成為可能。

3 流變試驗方案

3.1 試驗方案

試驗的工程背景為某高心墻堆石壩，壩高達到300 m級，其心墻填筑料場為黏性土，需要進行摻礫，滿足心墻的變形協(xié)調(diào)。根據(jù)試驗材料設(shè)計了 2組試驗，一組為純黏土的流變試驗，另一組為摻礫后的流變試驗。

圖1 砂芯樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系對比[13]Fig.1 Comparison of stress and strain in samples with sand cores[13]

圖2 砂芯樣孔壓消散曲線對比[13]Fig.2 Comparison of pore pressure dissipation in samples with sand cores[13]

對于高土石壩，填筑期心墻料的含水率一般為最優(yōu)含水率，為非飽和狀態(tài)。當水庫蓄水以后，心墻料從非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變到飽和狀態(tài)，又根據(jù)飽和狀態(tài)設(shè)計了2組流變試驗，一組非飽和狀態(tài)的流變試驗，另一組飽和狀態(tài)的流變試驗。

試驗共4組，分別進行黏土樣的非飽和狀態(tài)試驗、飽和狀態(tài)試驗，摻礫樣的非飽和狀態(tài)試驗、飽和狀態(tài)試驗。文中非飽和狀態(tài)特指最優(yōu)含水率狀態(tài)。

3.2 試驗級配

黏土樣其液限為 28.8%，塑限為 15.2%，塑性指數(shù)為 13.6，按《土工試驗規(guī)程》[14]定義為低液限黏土。

摻礫樣的摻礫比例為土料:礫料= 6:4，土料為純黏土，礫料為板巖料，礫料級配見表1。

表1 礫料試驗級配Table 1 Grain size distribution of gravel material

3.3 試驗密度

在室內(nèi)進行大型擊實試驗，獲得試驗料的最大干密度和最優(yōu)含水率。擊實試驗為重型擊實試驗，擊實筒尺寸φ300×H288 mm，擊實錘質(zhì)量為35.2 kg，落高60 cm。試樣分3層填裝，每層擊數(shù)88次，單位體積功能2 688.2 kJ/m3。

擊實試驗成果見表 2。按重型擊實試驗壓實度95%計算試驗干密度。

表2 大型擊實試驗成果表Table 2 Results of large-scale compaction test

3.4 試驗儀器

采用長江科學(xué)院的大型高壓三軸儀，對試樣進行三軸流變試驗，試樣尺寸φ300×H600 mm，最大周圍壓力為3.0 MPa，最大豎向荷載為1 500 kN。儀器配有大型高壓穩(wěn)壓罐，最長穩(wěn)壓時間不少于60 d。

試驗圍壓為0.3、1.0、1.7、2.4 MPa四級，每個圍壓下分別進行4級應(yīng)力水平（SL= 0.2、0.4、0.6、0.8）。試樣的體積變化通過外體積變化測定。試驗時控制環(huán)境溫度在（20±1）℃。

流變試驗時按圍壓和應(yīng)力水平計算需施加的偏應(yīng)力豎向荷載。已知應(yīng)力條件下穩(wěn)定應(yīng)力狀態(tài)若干時間（不少于7 d），記錄不同時刻試樣的軸向變形和體積變形，當變形趨于穩(wěn)定后施加下一級荷載。

4 試驗結(jié)果

4.1 流變試驗成果

流變試驗加載的代表性曲線如圖3、4所示，為黏土樣非飽和狀態(tài)的過程曲線。從圖中可以看出，流變曲線是一個逐漸趨于停止的衰減曲線，也就是說流變是收斂的。

圖3 流變試驗的軸向蠕變與時間關(guān)系曲線Fig.3 Curves of axial creep strain and load time at rheological test

將蠕變量與時間關(guān)系繪制在雙對數(shù)坐標系下可以看出，其呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，說明可以采用冪函數(shù)來描述其流變特性。仍以黏土樣非飽和狀態(tài)的試驗為例，其軸向變形的蠕變量與時間關(guān)系的代表性圖形如圖5所示，體積變形的蠕變量與時間關(guān)系的代表性圖形如圖6所示。

圖4 “流變試驗”體積蠕變與時間關(guān)系曲線Fig.4 Curves of volumetric creep strain and load time at rheological test

圖6 體積蠕變與時間曲線（σ3 = 1.0 MPa）Fig.6 Curves of volumetric creep strain and load time(σ3 = 1.0 MPa)

4.2 含水率對變形量的影響

為分析飽和狀態(tài)對蠕變變形量的影響，4組流變試驗的軸向蠕變量和體積蠕變量整理列表 3、4中，蠕變量是該級試驗前后的應(yīng)變差值。

從蠕變量與應(yīng)力水平的關(guān)系曲線（見圖 7）可以看出，蠕變量整體趨勢上表現(xiàn)為隨圍壓和應(yīng)力水平的增加而增大，飽和試樣的變形量大于非飽和試樣的變形量。

圖7 黏土樣軸向蠕變量與應(yīng)力水平關(guān)系Fig.7 Curves of axial creep strain and stress level of clay

4.3 摻礫對變形量的影響

為分析摻礫對蠕變變形量的影響，將表 3、4中的數(shù)據(jù)進行對比，以飽和樣為例（見圖8），摻礫后的蠕變變形量較小，說明摻礫對降低心墻堆石壩填筑完成后的蠕變變形有較好的作用。

表3 黏土樣的蠕變量對比分析Table 3 Creep strain comparative of clay materials

表4 摻礫樣的蠕變量對比分析Table 4 Creep strain comparative of clay material with gravel

圖8 飽和樣軸向蠕變量與應(yīng)力水平關(guān)系曲線Fig.8 Curves of axial creep strain and stress level

5 蠕變模型

長江科學(xué)院針對粗粒料進行了大量蠕變試驗研究，發(fā)現(xiàn)蠕變量與時間曲線在雙對數(shù)座標系下呈良好的線性關(guān)系，剩余蠕變應(yīng)變與時間曲線在雙對數(shù)座標系下也呈良好的線性關(guān)系，在此基礎(chǔ)上采用冪函數(shù)表達粗拉料的蠕變量的時間曲線，提出了9參數(shù)蠕變模型[4－7]。

在摻礫黏土樣的三軸蠕變試驗中發(fā)現(xiàn)蠕變量與時間的關(guān)系也遵循上述關(guān)系，因此對蠕變成果的整理采用9參數(shù)模型，由于土料的初始變形量較大，導(dǎo)致軸向應(yīng)變與圍壓的關(guān)系表達式不通過0點，對原表達式進行了修正，增加了2個參數(shù)（a、b），其余的參數(shù)與 9參數(shù)蠕變模型中的物理意義完全相同。

剩余蠕變量與時間曲線在雙對數(shù)坐標下呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，如圖9所示。根據(jù)不同時間t的應(yīng)變ε可擬合fε、λ，且fε、λ都是應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)，見式（4）、（5）。不同應(yīng)力水平下的fε與圍壓有很好的線性關(guān)系和λ與圍壓曲線符合冪函數(shù)關(guān)系分別如圖10、11所示。

圖 9 (εf-εL)-t曲線（σ3 = 1.0 MPa）Fig.9 Curves of (εf-εL)-t (σ3 = 1.0 MPa)

圖 10 εf-σ3曲線Fig.10 Curves of εf-σ3

圖 11 λ-σ3曲線Fig.11 Curves of λ-σ3

式中：a、b、c、d、η、m為軸變?nèi)渥冎笜恕?/p>

體積蠕變量的時間曲線同樣采用冪函數(shù)表達：

根據(jù)不同時間t的應(yīng)變εLV可以擬合εfV、Vλ，且εfV是應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)，如圖12所示，見式（7）。Vλ為與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)的常量。

式中：cα、dα、cβ、dβ、Vλ均為體變?nèi)渥冎笜?。本次試驗得到?1個蠕變參數(shù)見表5。

圖 12 εfV-σ3曲線Fig.12 Curves of εfV-σ3

6 模型參數(shù)分析

在上述蠕變模型中，蠕變性指標fε反映軸向蠕變量的大小，εfV反映體積蠕變量的大小。為了分析摻礫對蠕變量的影響，將得到的蠕變參數(shù)a、b、c、d代入式（4），將蠕變指標cα、dα、cβ、dβ代入式（7），以圍壓3σ= 0.3 MPa為例，得到的fε與應(yīng)力水平的關(guān)系曲線如圖13所示，得到的εfV與應(yīng)力水平的關(guān)系曲線如圖14所示。從兩個圖中可以看出，相同飽和狀態(tài)下?lián)降[樣的蠕變指標降低，說明摻礫起到了改變工程性狀的功能；相同土樣或者摻礫樣條件下飽和狀態(tài)下的蠕變指標較高，說明當水庫蓄水后，隨著土料逐漸從非飽和狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，會產(chǎn)生一定的后期濕化變形。

表5 土料蠕變參數(shù)Table 5 Creep parameters of soil material

圖 13 εf-SL曲線Fig.13 Curves of εf-SL

圖 14 εfV-SL曲線Fig.14 Curves of εfV-SL

從整體趨勢看，軸向蠕變指標對比規(guī)律較好，體積蠕變的規(guī)律略差。這說明盡管采用了加速排水方法，試樣的飽和、排水通暢等仍存在需要改進的地方。

7 結(jié) 論

（1）黏土樣三軸蠕變試驗的蠕變量與時間曲線在雙對數(shù)座標系下呈很好的線性關(guān)系，符合冪函數(shù)關(guān)系式，長江科學(xué)院提出的蠕變模型可以準確表達剩余蠕變量和時間的關(guān)系。

（2）在相同飽和狀態(tài)下，摻礫樣的蠕變量和蠕變模型參數(shù)指標較低，說明摻礫起到了改善土樣性狀的功能。

（3）在均為土樣（摻礫樣）條件下，飽和狀態(tài)的蠕變指標明顯高于非飽和狀態(tài)下的蠕變指標，說明砂芯加速排水的方法起到了明顯的作用，促進了試樣的充分飽和。

（4）軸向蠕變指標規(guī)律較好，體積蠕變的規(guī)律略差，說明盡管采用了預(yù)留砂芯加速排水的方法，但試樣的充分飽和、排水通暢等仍存在需要改進的地方。

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