凌 華,張 勝,敖大華,王 芳,韓華強(qiáng)

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029;2.水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029;3.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550081)

復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下土料三軸滲透試驗(yàn)

凌 華1,2,張 勝3,敖大華3,王 芳1,2,韓華強(qiáng)1,2

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029;2.水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029;3.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550081)

為研究高土石壩壩體內(nèi)土體單元在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的滲透性能,在中型三軸儀上對(duì)同一土料場(chǎng)3種不同級(jí)配土料進(jìn)行三軸滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)圍壓分為5級(jí)(100 kPa、400 kPa、800 kPa、1 200 kPa和2 000 kPa),每級(jí)圍壓下分4種應(yīng)力水平(0、0.2、0.4和0.8),當(dāng)試樣在初始應(yīng)力狀態(tài)下變形基本穩(wěn)定后,采用常水頭法測(cè)試試樣的滲透系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明:級(jí)配是影響滲透系數(shù)的重要因素,相同應(yīng)力條件下土料粉粒和黏粒含量越高,滲透系數(shù)越小;隨圍壓和應(yīng)力水平的提高,土料的滲透系數(shù)逐漸降低;粉粒和黏粒含量越低、大顆粒含量越高,圍壓對(duì)土料滲透系數(shù)的影響越顯著;對(duì)于不同級(jí)配相同密實(shí)度試樣,應(yīng)力水平對(duì)滲透系數(shù)的影響程度基本一致。在分析滲透系數(shù)隨圍壓和應(yīng)力水平變化規(guī)律的基礎(chǔ)上,建立了能描述復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)條件下土體滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。

復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài);三軸滲透試驗(yàn);中型三軸儀;滲透系數(shù);圍壓;應(yīng)力水平;顆粒級(jí)配;常水頭法

心墻防滲體是心墻堆石壩建設(shè)的關(guān)鍵部位,目前壩體滲流分析常采用現(xiàn)場(chǎng)或室內(nèi)試驗(yàn)確定滲透系數(shù),而這些試驗(yàn)一般不考慮土體的受力條件,忽視了壩體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)。實(shí)際壩體內(nèi)土體單元總是承受一定的應(yīng)力,這不但會(huì)導(dǎo)致壩體發(fā)生變形,也會(huì)影響土體的滲透性能。土體受力后孔隙比會(huì)發(fā)生變化,考慮到孔隙比能反映土體的基本性質(zhì)、密實(shí)程度和壓縮特性,目前多采用孔隙比描述滲透系數(shù)的變化,如Kozeny[1]和Carman[2-3]針對(duì)多孔介質(zhì)提出了滲透系數(shù)與孔隙率的半經(jīng)驗(yàn)半理論KC方程;Taylor[4]研究了引入壓縮指數(shù)的滲透系數(shù)與孔隙比關(guān)系式;Mesri等[5]針對(duì)軟黏土提出了考慮土體活性的滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系式；鄧永鋒等[6]對(duì)比分析了幾種孔隙比與滲透系數(shù)的關(guān)系式；黨發(fā)寧等[7]建立了基于有效孔隙比的黏性土滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式；蘇立君等[8]研究了同一粒徑級(jí)砂土滲透系數(shù)隨孔隙率的變化和同一孔隙率下不同粒徑級(jí)砂土滲透系數(shù)隨均值粒徑的變化規(guī)律；黃達(dá)等[9]對(duì)粗粒土孔隙比及級(jí)配參數(shù)與滲透系數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行了研究。

實(shí)際上不同的應(yīng)力狀態(tài)和邊界條件會(huì)使土體產(chǎn)生相同的體積變形,從而達(dá)到相同的孔隙比。如高應(yīng)力條件下的有側(cè)限壓縮試驗(yàn)和低應(yīng)力條件下的三軸剪切試驗(yàn)后的試樣可能具有相同的孔隙比,但由于此時(shí)試樣內(nèi)部應(yīng)力分布不同,土體顆粒重新排列與大粒徑顆粒的破碎情況也勢(shì)必存在差異,此時(shí)相同孔隙比土體的滲透系數(shù)顯然是不相等的,也就是說(shuō)受力后相同孔隙比條件下土體的滲透系數(shù)不唯一。

從應(yīng)力角度研究滲透系數(shù)方面,劉維正等[10]采用固結(jié)滲透聯(lián)合試驗(yàn),研究了不同前期固結(jié)壓力重塑樣的滲透系數(shù)變化規(guī)律;蔣中明等[11]研究了側(cè)限條件下不同垂直應(yīng)力狀態(tài)下含黏粗粒土的滲透變形特性；李廣冬等[12]通過(guò)三軸滲透試驗(yàn),得出在同等條件下隨著圍壓和干密度的增大,滲透系數(shù)減小,但其對(duì)滲透系數(shù)的影響會(huì)越來(lái)越小的結(jié)論；張改玲等[13]研究了高圍壓條件下砂土的滲透特性；吳珺華等[14]研究了不同圍壓、土石比和水頭差對(duì)摻礫心墻料滲透系數(shù)的影響；雷紅軍等[15]研究了黏土滲透特性與大剪切變形的關(guān)系,討論了滲透系數(shù)隨軸向應(yīng)變的變化規(guī)律；郭鴻等[16]采用三軸儀器開展了飽和黃土滲透試驗(yàn),研究了不同地區(qū)黃土滲透系數(shù)的差異性；羅玉龍等[17]的室內(nèi)試驗(yàn)研究表明,圍壓越大,管涌臨界滲透坡降越大?？傮w而言,關(guān)于滲透系數(shù)隨應(yīng)力變化這方面的研究還不太成熟,成果也較少,更為重要的是未能綜合考慮側(cè)向壓力、剪應(yīng)力或應(yīng)力水平等復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)對(duì)滲透系數(shù)的影響。

目前我國(guó)心墻堆石壩已經(jīng)發(fā)展至300 m級(jí),如美、雙江口、兩河口心墻堆石壩分別達(dá)到了315 m、314 m和295 m,壩體內(nèi)的應(yīng)力不但高而且非常復(fù)雜,因此應(yīng)重視復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下心墻防滲土料與接觸土料的滲透性能。鑒于相同孔隙比條件下土體滲透系數(shù)的非唯一性、為獲取孔隙比所要進(jìn)行的壩體內(nèi)部密度測(cè)試工作的繁瑣與困難、高土石壩壩體單元體內(nèi)的實(shí)際復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)等多種因素,本文在中型三軸儀上開展了土體在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的滲透性能試驗(yàn),研究了不同級(jí)配土料滲透系數(shù)隨圍壓和應(yīng)力水平的變化規(guī)律,建立了復(fù)雜應(yīng)力條件下土體滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式,可方便地運(yùn)用于土石壩滲流-應(yīng)力耦合分析中,以期能真實(shí)反映壩體滲流特性。

1 三軸滲透試驗(yàn)

1.1土料基本性質(zhì)

三軸滲透試驗(yàn)試樣為同一土料場(chǎng)的3種不同級(jí)配土料,土料級(jí)配見(jiàn)表1。首先進(jìn)行了中型尺寸的輕型擊實(shí)試驗(yàn),擊實(shí)筒內(nèi)徑為152 mm,單位體積擊實(shí)功為592.2 kJ/m3。根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果,選取0.98密實(shí)度確定試驗(yàn)干密度,以排除密實(shí)度的影響,土料的試驗(yàn)干密度及其他基本物理力學(xué)特性見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)土料級(jí)配

為確定三軸滲透試驗(yàn)時(shí)的初始預(yù)定應(yīng)力狀態(tài),開展了直徑101 mm的中型三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn),剪切速率為每分鐘0.01%軸向應(yīng)變,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果整理得到的強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表2。典型三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖1和圖2,圖中ε1、εv分別為軸向應(yīng)變與體積應(yīng)變。由圖1、圖2可知,隨圍壓的增大,應(yīng)力應(yīng)變曲線逐漸表現(xiàn)為硬化特性,體積應(yīng)變的剪縮性增強(qiáng),這與文獻(xiàn)[18]的試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律類似。

表2 土料的主要物理力學(xué)指標(biāo)

圖1 試樣2的(σ1-σ2)～ε1曲線Fig.1 (σ1-σ3)-ε1 curves of sample 2

圖2 試樣2的εv～ε1曲線Fig.2 εv-ε1 curves of sample 2

1.2復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下土料滲透系數(shù)試驗(yàn)

復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的滲透試驗(yàn)在中型三軸儀上進(jìn)行,試樣直徑為101 mm。采用人工擊實(shí)法分層制樣,采用抽氣飽和法進(jìn)行飽和。試驗(yàn)時(shí),首先在試樣上施加圍壓,固結(jié)完成后在排水條件下采用位移控制方式按照靜力三軸剪切速率對(duì)試樣進(jìn)行剪切,當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到預(yù)定應(yīng)力時(shí),將位移控制方式切換為應(yīng)力控制方式,保持軸向應(yīng)力和圍壓不變至變形基本穩(wěn)定。穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn):試樣每小時(shí)排水量小于0.1 mL。變形穩(wěn)定后,在下排水管施加15 kPa常水頭壓力,記錄上排水管排出水量、時(shí)間和溫度。三軸滲透試驗(yàn)圍壓5級(jí),分別為100 kPa、400 kPa、800 kPa、1 200 kPa和2 000 kPa,應(yīng)力水平Sl分為4級(jí),分別為0、0.2、0.4和0.8。

試樣2，在圍壓為800 kPa、應(yīng)力水平為0.2時(shí)的三軸剪切及變形穩(wěn)定應(yīng)力～應(yīng)變曲線見(jiàn)圖3,體積應(yīng)變隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖4。本次試驗(yàn),隨試樣級(jí)配、應(yīng)力狀態(tài)的不同,一般需1～2 d后變形才可基本穩(wěn)定,方能進(jìn)行滲透系數(shù)測(cè)試。

圖3 三軸滲透試驗(yàn)軸向應(yīng)力加載曲線Fig.3 Axial stress loading curve of triaxial seepage test

圖4 體積應(yīng)變隨時(shí)間的變化Fig.4 Volume strain changing with time

分別采用式(1)(2)計(jì)算剪切及變形穩(wěn)定后試樣的面積和高度:

(1)

(2)

式中:h——變形穩(wěn)定后的試樣高度,m；h0——試樣初始高度,m;Ai——變形穩(wěn)定后的試樣面積,cm2;ΔV——固結(jié)排水量,cm3;V0——試樣初始體積,cm3;Δhi——試樣剪切及變形穩(wěn)定過(guò)程中產(chǎn)生的高度變化,m；ΔVi——試樣剪切及變形穩(wěn)定過(guò)程中產(chǎn)生的排水量,cm3。

按照式(3)計(jì)算試樣在特定圍壓和應(yīng)力水平條件下三軸試樣在標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)的滲透系數(shù):

(3)

式中:k20——標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃時(shí)試樣的滲透系數(shù),cm/s;Q——時(shí)間t秒內(nèi)的滲透水量,cm3;H——測(cè)壓管水位差,cm;t——時(shí)間,s;ηT/η20——T℃與標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)水的動(dòng)黏滯系數(shù)比。

根據(jù)三軸滲透試驗(yàn)結(jié)果,3個(gè)試樣在不同圍壓和應(yīng)力水平條件下的滲透系數(shù)見(jiàn)表3。表3中,ξ均小于1,表明隨圍壓和應(yīng)力水平的提高,土料的滲透系數(shù)逐漸降低。本文應(yīng)力狀態(tài)范圍內(nèi),試樣3雖然密度較大、孔隙比較小,但由于含礫量較高，粉粒和黏粒含量較低,因此滲透系數(shù)最大;試樣1雖然孔隙比較大,但由于細(xì)粒含量較高,滲透系數(shù)最小;試樣2居中。這表明級(jí)配是影響土料滲透系數(shù)的重要因素。

表3 三軸滲透試驗(yàn)結(jié)果

注:ξ=ksl/ks,ks為常圍壓條件下應(yīng)力水平為0時(shí)試樣的滲透系數(shù),ksl為該圍壓下應(yīng)力水平不為0時(shí)的滲透系數(shù)。

2 滲透系數(shù)隨應(yīng)力狀態(tài)的變化

2.1滲透系數(shù)隨圍壓的變化

圖5 不同圍壓下試樣的滲透系數(shù)Fig.5 Coefficients of soil permeability under different confining pressures

由表3點(diǎn)繪應(yīng)力水平為0時(shí)的常圍壓固結(jié)狀態(tài)下滲透系數(shù)與圍壓的關(guān)系曲線,見(jiàn)圖5。

根據(jù)圖5,可近似采用下式描述滲透系數(shù)與圍壓的關(guān)系:

(4)

式中:a、b——擬合系數(shù),cm/s;Pa——大氣壓,取100 kPa。

試樣1～3的b值分別為7.39×10-8cm/s、1.10×10-7cm/s、1.57×10-7cm/s,由表3可知,圍壓100 kPa條件下,3組試樣的試驗(yàn)值與擬合b值相差不大,擬合相關(guān)系數(shù)都超過(guò)了0.96,表明采用式(4)描述滲透系數(shù)隨常圍壓的變化是可靠的,而且精度較高,能反映不同圍壓條件下的土料滲透系數(shù)的變化規(guī)律。

試樣1～3的a值分別為2.06×10-8cm/s、3.10×10-8cm/s、3.69×10-8cm/s,均為正值,表明隨常規(guī)固結(jié)應(yīng)力的增加,滲透系數(shù)逐漸降低。這主要是因?yàn)?試樣在圍壓作用下,土顆粒發(fā)生重新排列,土體發(fā)生排水,孔隙比降低,內(nèi)部滲水通道面積減少,導(dǎo)致了隨圍壓的增大滲透系數(shù)逐漸降低。

另外,試樣1的a值最低、試樣3的a值最高,對(duì)于本文土料,隨黏粒含量增加滲透系數(shù)隨圍壓的變化幅度也越小。當(dāng)圍壓較高時(shí),依據(jù)式(4)會(huì)出現(xiàn)試樣3滲透系數(shù)要小于試樣1的現(xiàn)象。文獻(xiàn)[13]也得出了粗砂在高圍壓下的滲透系數(shù)要低于細(xì)砂的結(jié)論,認(rèn)為這可能是由于顆粒破碎引起的。對(duì)于本文試驗(yàn)出現(xiàn)這種結(jié)果,從表象而言,試樣3所摻的礫顆粒破碎更嚴(yán)重，其次是受力后試樣3具有更大的密度，過(guò)水面積更小。從影響機(jī)理而言,主要應(yīng)歸為級(jí)配或土料自身特性:即由于試樣1粉粒和黏粒含量較高,級(jí)配對(duì)滲透系數(shù)的影響占主要因素,應(yīng)力變化對(duì)滲透系數(shù)的影響不占主導(dǎo)因素;對(duì)于試樣3,由于粉粒與黏粒含量較低,應(yīng)力變化對(duì)滲透系數(shù)的影響權(quán)重增加,應(yīng)力變化對(duì)試樣3滲透系數(shù)影響比試樣1更顯著,因此試樣1的a值要低于試樣3。

2.2滲透系數(shù)隨應(yīng)力水平的變化

圖6 各試樣ξ～關(guān)系曲線Fig.6 ξ- curve of samples

3個(gè)試樣d值均為負(fù)值,反映了隨應(yīng)力水平的提高滲透系數(shù)逐漸降低。試樣1～3的d值分別為-2.16、-2.11、-2.04,d值較接近,表明對(duì)于本文不同級(jí)配、相同密實(shí)度的試驗(yàn)土料,應(yīng)力水平對(duì)滲透系數(shù)的影響程度近視一致,可采用平均值。

圖7 滲透系數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of calculated and measured permeability coefficients

2.3滲透系數(shù)隨應(yīng)力狀態(tài)的變化

(5)

由式(5),通過(guò)a、b、d可確定試樣在特定圍壓和應(yīng)力水平條件下的滲透系數(shù)。

試樣2在圍壓為800 kPa和2 000 kPa條件下,采用式(5)計(jì)算得到的滲透系數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖7,可見(jiàn)本文提出的經(jīng)驗(yàn)公式能較好地描述復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的土體的滲透系數(shù)變化規(guī)律。

3 結(jié) 論

a. 文中應(yīng)力范圍內(nèi),相同應(yīng)力條件下粉粒和黏粒含量越高,土料滲透系數(shù)越小,表明了級(jí)配是影響土料滲透系數(shù)的重要因素。

b. 隨圍壓和應(yīng)力水平的提高,土料的滲透系數(shù)逐漸降低。

c. 粉粒和黏粒含量越低、大顆粒含量越高,圍壓對(duì)土料滲透系數(shù)的影響越顯著;對(duì)于不同級(jí)配相同密實(shí)度試樣,應(yīng)力水平對(duì)滲透系數(shù)的影響程度基本一致。

d. 在分析滲透系數(shù)隨圍壓和應(yīng)力水平的變化規(guī)律基礎(chǔ)上，給出了能描述復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)條件下土體滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式(式(5))。

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Triaxialteststudyonthepermeabilityofsoilundercomplexstressstate

LINGHua1,2,ZHANGSheng3,AODahua3,WANGFang1,2,HANHuaqiang1,2

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,NanjingHydraulicResearchInstitute，Nanjing210029，China;2．KeyLaboratoryofEarth-RockDamFailureMechanismandSafetyControlTechniques，MinistryofWaterResources，Nanjing210029，China;3.Power-ChinaGuiyangEngineeringCorporationLimited,Guiyang550081,China)

To study soil permeability of soil element within the high earth-rock dam under complex stress state, medium-sized triaxial tests are carried out on the medium-sized triaxial apparatus for three kinds of soils with different gradations from the same material site, which incorporates five levels of confining pressure (100 kPa、400 kPa、800 kPa、1 200 kPa and 2 000 kPa), with each being consisted of four stress levels (0、0.2、0.4 and 0.8). The permeability coefficient of soil sample is determined by using constant-head test method when the sample deformation is basically stable in the initial stress state. The test results show that, the coefficient of permeability is largely influenced by soil grading. Under the same stress state condition, the coefficient of permeability appears to decrease with the increase of silt and clay contents. Moreover, this coefficient of permeability is gradually reduced by the increased confining pressure and stress level, the effects of confining pressures on the coefficient are remarkably intensified by a lower contents of silt and clay and higher content of soil with large particle. For soil samples with different gradations and the same compactness, the effects of stress levels on the coefficient of permeability are basically the same. Based on the analysis results of the coefficient of permeability varying with the confining pressures and the stress levels, an empirical formula is finally established to describe the the permeability coefficient of soil under complex stress state.

complex stress state；triaxial permeability test；medium-sized triaxial apparatus; coefficient of permeability；confining pressure；stress level；particle gradation; constant head

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.05.012

2017-04-06

國(guó)家自然科學(xué)基金(51679149)

凌華(1977—),男,江蘇鹽城人,高級(jí)工程師,博士,主要從事巖土工程研究。E-mail:hling@nhri.cn

TU411.4

A

1000-1980(2017)05-0451-06