(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州，310014；2.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，成都，610059)

1 引言

近年來，隨著國家經(jīng)濟建設的發(fā)展，對水利資源的開發(fā)利用逐漸增加，尤其在我國的西南地區(qū)水力資源豐富，修建了諸多水電站。但是在西南地區(qū)復雜地貌下，有著許多工程問題。尤其是西南高山峽谷地區(qū)河床覆蓋層結構層次復雜，級配、干密度、力學性質(zhì)變化大，原位結構性強、顆粒分選性差、大小不同的礫石相互交疊，真實掌握覆蓋層的工程力學特性是工程界的一大難題，目前常采用的是原位實驗與室內(nèi)試驗相結合的方法。原位實驗在諸多條件下，有著工序簡單、試樣擾動小、精確度高的優(yōu)點[1]。但是在研究覆蓋層的力學特性時，許多常規(guī)試驗沒有原位實驗的條件，只能在室內(nèi)進行作業(yè)，這就對室內(nèi)試驗的精度提出了更高的要求。目前，有多種試驗方法可以測定巖土體強度特性，其中三軸試驗可直接測得土體的C，φ值。研究發(fā)現(xiàn)，在水電工程的壩址區(qū)、引水隧道、公路鐵路隧道及地下廠房等工程所處的巖體內(nèi)同時存在著滲流場、應力場、溫度場的作用，當巖體遇到工程擾動時這些存在于巖體內(nèi)的滲流場、應力場、溫度場就會相互作用，使巖體內(nèi)的這些因素在相互作用下達到動態(tài)平衡[2]。研究發(fā)現(xiàn)，在滲流場、應力場、溫度場耦合作用下由工程擾動引起的巖體裂隙的起裂、擴展和連接貫通是造成這類工程巖體破壞的主要因素[3]。滲流場-應力場-溫度場耦合的大型三軸試驗是一種精確度極高的三軸剪切實驗方法，最大的特點是考慮了巖體中的滲流場、溫度場、應力場的相互作用和影響，在實驗中模擬巖體在三場作用下的受力情況，從而得到真實的巖體強度參數(shù)，并利用鄧肯模型對參數(shù)進行了擬合。鑒此，本文結合雅礱江上某水電工程進行了大型三軸試驗，并得到了詳實精確的數(shù)據(jù)，為測定覆蓋層的強度參數(shù)提供了一種可靠性更強的使用方法，為工程設計提供客觀、合理的依據(jù)。

表1 試樣編號及取樣高程

表2 材料級配分布

表3 最大、最小干密度試驗結果

2 試驗儀器及試驗過程

2.1 試驗儀器

試驗采用的儀器為河海大學與溧陽市永昌工程實驗儀器有限公司共同研制的“滲流場-應力場-溫度場耦合的大型三軸試驗儀”，如圖1所示。該儀器最大軸向力為3000kN，最大圍壓為3MPa。

圖1 三場耦合三軸試驗系統(tǒng)

2.2 試驗過程

在上述三軸儀上，進行了土樣編號為Q1、Q2的風干及飽和狀態(tài)的三軸剪切試驗。試驗所需材料級配與相對密度試驗相同，初始試樣密度取相對密度Dr=1，每組試樣分別開展0.4MPa、0.8MPa、1.2MPa和1.6MPa圍壓下的三軸壓縮試驗，主要步驟為：

(1)試樣制備。采用分層裝填、分層擊實法制樣。試樣分五層裝入成型筒內(nèi)，每層厚約14cm～16cm，用振動器分5次振實，振動器型號同相對密度試驗所用型號相同(試樣表面靜載為14kPa，振動頻率為40Hz)，如圖2所示。根據(jù)試樣要求的干容重的大小控制振動時間，振動擊實后拆除成型筒，成型后的試樣如圖3所示。

(2)試樣飽和。飽和狀態(tài)的三軸試驗需要試樣飽和。試樣裝進壓力室，將壓力室充滿水，打開進水閥，采用抽氣飽和與靜水灌注使試樣從下而上進行飽和，直至孔隙壓力系數(shù)B大于或等于0.95時，認為試樣已達到飽和。

(3)等向固結。每組試驗為4個試樣，分別施加圍壓0.4MPa、0.8MPa、1.2MPa和1.6MPa，進行等向固結，固體變由計算機同步測讀，如圖4所示，直至體積變化趨于穩(wěn)定，即認為固結完成，記錄體積變化量。

(4)試驗剪切。等向固結完成后，開始對試樣進行剪切。剪切速率控制為1.0mm/min。剪切過程中由計算機采集試樣的軸向荷載、軸向變形和體積變化并同步繪制應力-應變曲線及應變-體變曲線，直至試樣破壞或至試樣軸向應變的20%。當應力-應變曲線有峰值時，以峰值點為破壞點，峰值點所對應的主應力差(σ1-σ3)為該堆石料的破壞強度，反之則取軸向應變的20%所對應的點為破壞點，對應的主應力差(σ1-σ3)為該堆石料的破壞強度，剪切破壞的試樣如圖5所示。

(5)顆粒分析。待剪切結束后，取出試樣進行篩分試驗，統(tǒng)計顆粒破碎情況。

圖2 試樣制備

圖3 制備好的試樣

圖4 計算機自動采集系統(tǒng)

圖5 剪切破壞的試樣

3 實驗結果分析

根據(jù)上述操作可得出試樣的應力-應變關系，并繪制莫爾應力圓，從而得到對應的力學參數(shù)。由于堆石料的抗剪強度不符合Mohr-Coulomb破壞準則，可通過參數(shù)擬合得到更加真實的數(shù)據(jù)。

3.1 三軸試驗曲線

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制曲線如圖6、圖7所示：

(a)飽和 (b)風干

(a)飽和 (b)風干

通過試驗曲線可知，Q1卵石料的強度略高于Q2卵石料；風干狀態(tài)強度高于飽和狀態(tài)；風干狀態(tài)的剪脹性強于飽和狀態(tài)，符合一般規(guī)律。

3.2 顆粒破碎統(tǒng)計

三軸試驗結束后進行顆粒篩分，不同工況下的顆粒破碎情況如圖8、圖9所示：

(a)飽和 (b)風干

(a)飽和 (b)風干

試驗前后級配變化差別不大，說明顆粒破碎量較??；顆粒破碎量隨著圍壓的增大而增大，符合一般規(guī)律。

3.3 鄧肯模型參數(shù)整理

Duncan和Chang于1970年提出E-μ非線性彈性模型，它以假定(σ1-σ3)～εa和εa～εr皆為雙曲線關系為基礎，通常也稱為雙曲線模型。該模型共含8個參數(shù)：φ、c、Rf、K、n、G、F、D。隨后Duncan等人于1980年將E-μ模型進行改良，提出用體積模量Bt代替切線泊松比νt，可更為合理的表達土體在較高應力水平下的力學性質(zhì)[4]。改良后的模型稱為E-B模型，共含7個參數(shù)：φ、c、Rf、K、n、Kb、m。

c、φ是采用線性強度準則(Mohr-Coulomb強度準則)而得到的[5]。對于堆石材料，當應力水平較高時，由于顆粒破碎的影響，其強度包絡線呈非線性，抗剪強度不符合Mohr-Coulomb破壞準則。所以堆石材料選用非線性強度準則更為合理[6]。本次參數(shù)擬合采用非線性強度參數(shù)φo、△φ代替線性強度參數(shù)c、φ。根據(jù)上述方法，整理的鄧肯模型(E-μ，E-B模型)參數(shù)見表4及表5。

表4 大三軸剪切試驗鄧肯模型(E-μ)參數(shù)

表5 大三軸剪切試驗鄧肯模型(E-B)參數(shù)

擬合所得參數(shù)的取值位于卵石料鄧肯模型參數(shù)的變化范圍之內(nèi)。

4 結論

(1)壩基覆蓋層具有很強的原位結構，新型大型三軸試驗儀考慮到巖石變形過程中滲流場-應力場-溫度場之間的相互耦合，從而能夠精確地測得試樣的力學參數(shù)。

(2)將新型張拉式直剪試驗法應用于雅礱江某水電站壩址處表層覆蓋層原位強度測試，測得的強度指標值為見表4、表5，在建議范圍內(nèi)。