夏家南，梁 彬，湯書明，朱俊高

(1. 河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇南京 210098； 2. 中設設計集團股份有限公司，江蘇南京 210005； 3. 上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海 200032)

近年來粗粒料被廣泛應用于土石壩、鐵路和公路路基、橋梁墩臺、軟基處理和高填方等工程，尤其在土石壩中粗粒料的應用越來越廣泛。據(jù)統(tǒng)計，自20世紀50年代后期以來，世界各國采用堆石料的高土石壩占比達70%～80%，并且還有繼續(xù)發(fā)展的趨勢[1-3]。粗粒料作為主要的填筑材料用量巨大，它的力學性質(zhì)對工程安全和正常使用起到關鍵性作用，因此，針對粗粒料的研究越來越多[4]。為了得到粗粒料的力學性質(zhì)需對其進行常規(guī)三軸試驗，但是粗粒料的試樣表面凹凸不平且布滿了棱邊和尖角，即使是特制的厚橡皮膜也會在中等壓力下被刺穿而發(fā)生漏水，所以必須采取一定的措施消除這種不利影響。國內(nèi)外學者對橡皮膜的刺穿問題有了一定的研究，并在試驗中采取了相應的措施。例如，孔德志等[5]在試驗中采用了兩層厚度分別為0.8和2.0 mm的橡皮膜，并在兩層橡皮膜之間加設了3 mm厚的橡皮板；張啟岳[6]在試驗中采用了特制的粘附有正六角塊的內(nèi)襯膜，以及外套防漏膜；孔祥臣[7]在試驗中采用兩層1.5 mm厚的橡皮膜，并且在里層襯上由5塊約4 mm厚的活動膠板；司洪洋[8]提出在內(nèi)膜和外膜之間填砂的組合結(jié)構；國外的學者采用了在膜與試樣間放入小塊薄銅片、硅橡膠等方法[9-10]。

本文采用在試樣表面包裹土工布的方法來保護橡皮膜，但是土工布的包裹對試樣的徑向變形有約束作用，從而影響到試樣的變形和強度。因此，進行了包裹土工布和未包裹土工布的常規(guī)三軸固結(jié)排水對比試驗，分析研究土工布對試樣強度和變形的影響程度。

表1壩殼粗粒料原級配及縮尺級配

Tab.1 Original and scale gradation of coarse-grained materials of dam shell

粒組/mm原級配/%縮尺級配/%60～4018.4040～2027.2020～1021.346.210～517.738.4<515.415.4

1 試驗方案

1.1 試驗土樣

試驗采用云南糯扎渡土石壩的壩殼粗粒料，該材料為正長石花崗巖，巖性新鮮和微風化，粒度均勻，棱角尖銳，其原級配如表1所示。由于試樣直徑為101 mm，《土工試驗規(guī)程》[11]規(guī)定最大允許粒徑為20 mm，因此必須對原級配進行縮尺。試驗采用等量替代法進行縮尺，縮尺后級配如表1所示。

1.2 土工布特性

試驗采用無紡土工布。無紡土工布是土工合成材料的一種，其物理力學特性如表2所示。

表2 土工布物理力學特性Tab.2 Physical and mechanical properties of geotextiles

1.3 試驗方案

試樣直徑為101 mm，高度為200 mm。制樣時土層分5層擊實，控制干密度ρd為1.90 g/cm3。進行包裹土工布的中型三軸試驗時，制樣過程中還需要將土工布(寬21 cm，長35～37 cm)卷成圈后放入對開膜內(nèi)，并使其平整貼于對開膜內(nèi)壁。

制樣完成后對試樣進行飽和固結(jié)。將壓力室灌滿水并密封，向壓力室施加20 kPa的圍壓，使厚橡皮膜與標準橡皮膜及土工布貼緊。然后提高與試樣底部相連的進水管水頭，使進水管與排水管的水頭差在l m左右。打開進水管與排水管閥門，使水在水頭差的作用下從底部進入試樣，從試樣的頂部流出，排除試樣內(nèi)的空氣，直到流入水量與流出水量相等，可以認為試樣已經(jīng)飽和。試樣飽和后關閉進水管閥門，對其施加要求的圍壓，待排水管讀數(shù)穩(wěn)定后即認為固結(jié)完成。

由于不加土工布的三軸試驗橡皮膜易刺破，因此對比試驗只能在相對較低圍壓下進行，故分別進行圍壓為50，100，150，200，300和400 kPa的常規(guī)三軸固結(jié)排水剪切試驗，高圍壓下土工布對試樣強度特性和變形特性的影響可由低圍壓下的規(guī)律類比得出。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 強度特性分析

表3圍壓與峰值強度的關系

Tab.3 Relationships between confining pressure and peak strength

圍壓/kPa峰值強度/kPa無土工布有土工布峰值強度差/kPa峰值強度增加率/%50442.0713.4271.461.4100738.7951.4212.728.8150999.61 168.1168.516.92001 231.21 373.0141.811.53001 699.31 778.779.44.74002 042.82 130.787.94.3注:峰值強度增加率=峰值強度差/無土工布的峰值強度×100%。

2.1.1峰值強度 圖1給出了包裹土工布與未包裹試樣的應力應變對比曲線。由圖1可見，在相同圍壓下，包裹土工布試樣的應力應變曲線位于未包裹土工布試樣曲線的上方，說明包裹土工布提高了試樣強度。因此，在實際工程中，施加相同的σ1-σ3，包裹土工布條件下產(chǎn)生的軸向應變ε1比未包裹土工布條件下的要小。

表3總結(jié)了各圍壓下包裹土工布與未包裹土工布試樣的峰值強度，即(σ1-σ3)f。當圍壓為50 kPa時，包裹土工布試樣的峰值強度比未包裹時提高了61.4%，但是隨著圍壓的增加，兩組試樣之間的峰值強度差值顯著減小，且差值所占的比例也快速減小；在圍壓為400 kPa時，峰值強度僅僅相差4.3%。根據(jù)這一趨勢，繪制了峰值強度增加值與圍壓之間的散點圖，發(fā)現(xiàn)兩者之間的關系可以利用冪函數(shù)進行擬合(見圖2)，相關系數(shù)R2=0.982。由此可以推測，當圍壓更高時，可認為兩組試樣的峰值強度相等，即土工布對于峰值強度的影響可以忽略。

圖1 (σ1-σ3)-ε1關系對比曲線Fig.1 Relationship curves of (σ1-σ3)-ε1

圖2 峰值強度增加率與圍壓的關系曲線Fig.2 Relationship between increase rates of peak strength and confining pressure

Tab.4 Comparison between strength indexes with or without geotextile

試樣線性非線性c/kPaφ/°φo/°Δφ/°加土工布128.541.655.615.1無土工布70.643.451.99.6

2.1.2強度指標 通過表3中的圍壓及峰值強度，計算得到包裹土工布與未包裹土工布試樣的強度指標見表4。從表4可以看出，線性情況下，包裹土工布試樣的黏聚力c是未包裹土工布試樣的1.8倍，而內(nèi)摩擦角φ則減小了1.8°；非線性情況下，包裹土工布試樣的φ0是未包裹土工布試樣的1.07倍，Δφ增加了5.5°。

綜上所述，土工布對不同圍壓下試樣的峰值強度及土體強度指標都有不同程度的提高。其原因在于，當試樣發(fā)生側(cè)向變形時，包裹在試樣表面的土工布會被拉伸，從而產(chǎn)生限制試樣變形的應力，本質(zhì)上等同于對試樣施加了附加圍壓。當試驗圍壓較小時，附加圍壓所占的比例較大，因而能顯著提高峰值強度；當試驗圍壓逐漸加大時，附加圍壓所占比例逐漸減小，對峰值強度的提高效果也顯著降低直至可以忽略。針對本文的粗粒料和土工布，是否包裹土工布的界限圍壓可以確定為400 kPa(400 kPa及以下時不需包裹土工布)，因為此時峰值強度差僅為4.3%，且無土工布時橡皮膜也不會被刺破。

2.2 變形特性分析

2.2.1體積變形 圖3給出了包裹土工布與未包裹土工布試樣的εv-ε1對比曲線。由圖3可見，隨著軸向應變ε1的增加，試樣的體積應變εv從剪縮向剪脹發(fā)展。在相同圍壓下，包裹土工布試樣的εv-ε1關系曲線位于未包裹土工布試樣曲線的下方，說明包裹土工布提高了試樣的剪脹性，即產(chǎn)生相同的軸向應變εa，包裹土工布條件下產(chǎn)生的體積應變比未包裹土工布條件下的大。

表5總結(jié)了各圍壓下包裹與未包裹土工布試樣在軸向應變ε1達到15%時的體積應變。由表5可見，圍壓為50 kPa時，試樣產(chǎn)生的體積應變較大，包裹土工布試樣的體積應變比未包裹土工布試樣的體積應變在數(shù)值上提高了16.25%，但是隨著體積應變數(shù)值的減小，體變變化率顯著增加；在圍壓為400 kPa時，試樣產(chǎn)生的體積應變較小，體變變化率達到了122.53%。但是，體積應變差在此過程中變化較小，在不同圍壓下基本維持在1%(體積應變差的平均值)。

圖3 εv-ε1關系對比曲線Fig.3 Relationship curves of εv-ε1

圍壓/kPa體積應變/%無土工布有土工布體積應變差/%體變變化率/%圍壓/kPa體積應變/%無土工布有土工布體積應變差/%體變變化率/%50-7.93-9.241.3116.52200-4.04-5.211.1728.96100-7.48-8.350.8711.64300-2.52-3.400.8834.92150-5.50-6.410.9116.55400-0.71-1.580.87122.53注:體變變化率=體積應變差/無土工布的體積應變×100%。

2.2.2側(cè)向變形 圖4給出了包裹土工布與未包裹土工布試樣的ε3-ε1對比曲線，由圖4可見，包裹土工布與未包裹土工布試驗得到的ε3-ε1曲線都具有以下特征：側(cè)向應變ε3都是負值，即側(cè)向都發(fā)生膨脹。在相同圍壓下，包裹土工布試樣的ε3-ε1曲線位于未包裹土工布試樣曲線的下方，這說明在相同的ε1下，包裹土工布條件下的側(cè)向膨脹量比未包裹土工布條件下的大。

表6總結(jié)了各圍壓下包裹與未包裹土工布試樣軸向應變ε1達到15%時的側(cè)向應變。由表6 可見，包裹土工布試樣與未包裹土工布試樣的側(cè)向應變差以及側(cè)變變化率隨著圍壓的變化，沒有發(fā)生顯著改變，分別維持在0.5%(側(cè)向應變差平均值)和5.17%(側(cè)變變化率平均值)。

圖4 ε3-ε1關系對比曲線Fig.4 Relationship curves of ε3-ε1

綜上所述，土工布致使試樣的體積膨脹和側(cè)向膨脹都有一定程度的增加，且增加的量受圍壓的影響較小。理論上講，土工布增加了對試樣變形的約束，體積膨脹變形、側(cè)向膨脹變形都應該減小，包裹土工布試驗的εv-ε1關系、ε3-ε1曲線都應在未包裹土工布試驗的相應曲線的上方，但本試驗得出的結(jié)果恰恰相反，袁鐵柱[12]也得出了與本試驗相同的結(jié)果。筆者分析認為，土工布的增加，只是包裹試樣一周，并沒有縫合，提供的側(cè)向約束有限；但是，土工布阻擋了橡皮膜向土顆粒間嵌入，即減小了橡皮膜的嵌入量，使得測得試樣排出水的體積減小，即體積應變εv在數(shù)值上是減小的，而側(cè)向應變ε3是通過ε3=(εv-ε1)/2換算得到的，所以ε3在數(shù)值上也是減小的。

表6 圍壓與側(cè)向應變(ε1=15%)的關系Tab.6 Relationships between confining pressure and lateral strain (ε1=15%)

3 結(jié) 語

用中型三軸儀對包裹土工布與未包裹土工布的粗粒料試樣進行了常規(guī)三軸固結(jié)排水剪切試驗，研究了土工布對其強度特性和變形特性的影響，得到如下結(jié)論：

(1)三軸試樣包裹土工布后，對試樣的強度影響較大，低圍壓下的影響不可忽略；試樣包裹土工布對其體積變形也有顯著影響。

(2)對于相同的σ3，包裹土工布的試樣的(σ1-σ3)-ε1關系曲線位于未包裹土工布試樣曲線的上方，包裹土工布提高了試樣強度。

(3)包裹土工布與未包裹土工布試樣的峰值強度差在低圍壓下較大，但隨圍壓的增加呈冪函數(shù)形式減小，直至接近于0。

(4)線性情況下，包裹土工布試樣的黏聚力c是未包裹土工布試樣的1.8倍，而內(nèi)摩擦角φ則減小了1.8°；非線性情況下，包裹土工布試樣的φ0是未包裹土工布試樣的1.07倍，Δφ增加了5.5°。

(5)對于相同的σ3，包裹土工布試樣的εv-ε1，ε3-ε1關系曲線位于未包裹土工布試樣曲線的下方，包裹土工布限制了橡皮膜的嵌入。

(6)包裹土工布與未包裹土工布試樣的體積應變差和側(cè)向應變差受圍壓變化的影響較小。