熊澤斌，左永振，潘家軍，孫向軍

(1.長江設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430010； 2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010； 3.長江科學(xué)院 土工研究所，湖北 武漢 430010； 4.水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010)

0 引 言

國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為，堆石料強(qiáng)度與變形性質(zhì)的影響因素可分為材料狀態(tài)和受力狀態(tài)，前者包括巖性、密度、級配、顆粒粒徑等，后者包括圍壓、應(yīng)力路徑等。

在級配對強(qiáng)度變形特性影響方面，姜景山等[1]認(rèn)為，粗砂和細(xì)礫含量相同時(shí)，粗礫含量越低，堆石料抗剪強(qiáng)度越小，體脹變形越大；趙曉菊等[2]認(rèn)為，隨著細(xì)顆粒含量的增加，強(qiáng)度指標(biāo)變大，抵御變形能力增強(qiáng)，剪切過程中產(chǎn)生的體積變形更小，剪脹更為明顯；馬捷等[3]認(rèn)為，隨P5含量增大，堆石料側(cè)限壓縮模量呈先增后減趨勢。

在密度對強(qiáng)度變形特性影響方面，牟聲遠(yuǎn)等[4]通過統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為，堆石料彈性模量數(shù)、體積模量數(shù)、破壞比、摩擦角均隨干密度的增大而增大；徐國建等[5]采用PFC2d軟件模擬三軸試驗(yàn)得出結(jié)論：隨著孔隙率增加，土體強(qiáng)度峰值逐漸降低，對應(yīng)軸向應(yīng)變增大，體變由剪脹性逐漸向剪縮性過渡；傅華等[6]通過試驗(yàn)認(rèn)為，隨著堆石料孔隙率降低以及級配改善，堆石混合料力學(xué)指標(biāo)得到明顯提高。

上述研究大多將級配和密度二者割裂開來，即多偏重于研究單一因素影響，對其綜合影響研究較少。然而在土石壩設(shè)計(jì)階段，為滿足不同壩體分區(qū)的設(shè)計(jì)要求，常需同時(shí)優(yōu)化填筑堆石料密度、級配等狀態(tài)變量，故有必要開展不同密度和級配組合的堆石料力學(xué)特性試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為西藏拉洛水利樞紐工程的雪日巴唐料場及塔曲漫灘料場筑壩砂礫石料，兩料場的砂礫石料比重分別為2.73和2.74。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器為大型高壓三軸剪切試驗(yàn)儀，見圖 1。試樣為直徑300 mm、高610 mm的圓柱樣，最大試驗(yàn)圍壓可達(dá) 3.5 MPa，本次開展4種圍壓0.3，0.6，0.9，1.2 MPa的飽和固結(jié)排水(CD)三軸試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)級配及密度

試驗(yàn)級配如圖2所示。其中級配1～4為雪日巴唐砂礫石料級配，級配5～7為塔曲漫灘砂礫石料級配。

圖2 試驗(yàn)級配曲線Fig.2 Test grading curve

GB/T 50145-2007《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》將2～60 mm粒組分為3類：粗礫組(20～60 mm)、中礫組(5～20 mm)、細(xì)礫組(2～5 mm)，將其質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)依次記為ΔP20～60，ΔP5～20，ΔP2～5，則可采用公式(1)～(3)近似計(jì)算3種礫組固體顆粒的個(gè)數(shù)N、表面積S及體積Vs。

(1)

(2)

(3)

上式中：V為試樣總體積，mm3，ρd為制樣干密度，g/cm3；ρw為4 ℃純蒸餾水的密度g/cm3；Gs為試樣比重。

本文采用圓柱形試樣，其體積V為42 412 cm3，7組大型三軸CD試驗(yàn)的級配、制樣干密度ρd，以及3種礫組含量ΔP如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案Tab.1 Test plan

將表1及Gs，V代入公式(1) 即可得7組級配及密度組合的3種粒組固體顆粒幾何參數(shù)(圖3)。

圖3 礫組固體顆粒幾何參數(shù)Fig.3 Geometric parameters of solid particles in gravel groups

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 三軸試驗(yàn)關(guān)系曲線

通過三軸試驗(yàn)得到雪日巴唐料4組試樣的應(yīng)力(σ1-σ3)-應(yīng)變(εa)、體變(εv)-應(yīng)變(εa)關(guān)系曲線如圖4～5所示。通過三軸試驗(yàn)得到塔曲漫灘料3組試樣的應(yīng)力-應(yīng)變、體變-應(yīng)變關(guān)系曲線(圖6～7)。

圖4 雪日巴唐料應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of Sheribatang material

圖5 雪日巴唐料體變-應(yīng)變曲線Fig.5 Variation-strain curve of Sheribatang material

圖6 塔曲漫灘料應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curve of Taqu floodplain material

圖7 塔曲漫灘料體變-應(yīng)變曲線Fig.7 Variation-strain curve of Taqu floodplain material

由圖4，6可知，對于同種堆石料，其應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)基本一致，即低圍壓下呈弱軟化趨勢，中高圍壓下均呈硬化趨勢。

由圖5可知，第1組試樣的低圍壓剪脹性最強(qiáng)，第4組試樣在高圍壓條件下的差異性最強(qiáng)。由圖7可知，第5～7組試樣在高圍壓下體變差異性方面存在顯著差異。

上述結(jié)論僅為定性分析，故有必要結(jié)合鄧肯-張模型各參數(shù)物理意義進(jìn)行詳盡分析。

2.2 鄧肯-張模型參數(shù)分析

7組試樣的鄧肯-張模型參數(shù)如表2所示。

表2 鄧肯-張模型參數(shù)Tab.2 Test results of mechanical characteristics of artificial blasting pile stone

試料黏聚力c與細(xì)礫表面積規(guī)律良好，細(xì)礫表面積越大，其黏聚力亦愈大。試料內(nèi)摩擦角φ與3種礫組顆?？偙砻娣e規(guī)律良好，2～60 mm粒組顆?？偙砻娣e越多，內(nèi)摩擦角值越大。圍壓為1個(gè)大氣壓時(shí)的剪切角值φ0與中粗礫顆粒總個(gè)數(shù)規(guī)律良好，中粗礫顆?？倐€(gè)數(shù)越大，其值亦愈大。圍壓增加10倍時(shí)，剪切角的減小量Δφ與5～60 mm粒組顆粒個(gè)數(shù)規(guī)律性良好。5～60 mm粒組顆粒個(gè)數(shù)越多，內(nèi)摩擦角值越大。

圍壓為1個(gè)大氣壓時(shí)的初始切線模量與大氣壓的比值K，與3種礫組顆粒個(gè)數(shù)總和規(guī)律良好，2～60 mm粒組顆粒個(gè)數(shù)越多，其值亦愈大。初始切線模量隨著圍壓增大而增大的急劇程度參數(shù)n與3種礫組顆?？偙砻娣e規(guī)律良好，2～60 mm粒組顆?？偙砻娣e越大，其值亦愈小。破壞應(yīng)力和雙曲線模型下極限應(yīng)力的比值Rf值與3種礫組顆?？偙砻娣e規(guī)律良好，2～60 mm粒組顆?？偙砻娣e越大，其值亦愈大。

參數(shù)G為圍壓為1個(gè)大氣壓時(shí)初始切線泊松比，參數(shù)F為初始切線泊松比隨圍壓增大而增大的急劇程度，參數(shù)D反映較小的偏應(yīng)力增量引起側(cè)向膨脹應(yīng)變增量的大小程度，參數(shù)G，F(xiàn)，D與粒組固體顆粒幾何參數(shù)無明顯規(guī)律。這可能與E-μ模型本身存在的不足有關(guān)，故僅需分析E-B模型。

參數(shù)Kb為圍壓是1個(gè)大氣壓時(shí)切線體積模量與大氣壓的比值，與5～60 mm粒組顆粒個(gè)數(shù)規(guī)律性良好。5～60 mm粒組顆粒個(gè)數(shù)越多，其值越大。初始切線體積模量隨圍壓增大而增大的急劇程度參數(shù)m，與中粗礫顆?？倐€(gè)數(shù)規(guī)律良好，中粗礫顆?？倐€(gè)數(shù)越大，其值亦愈大。

總體來看，鄧肯-張E-B模型參數(shù)(表2)與中粗礫石顆粒個(gè)數(shù)具有良好的對應(yīng)關(guān)系。

3 結(jié) 語

對西藏拉洛水利樞紐工程的雪日巴唐料場及塔曲漫灘料場的砂礫石料，開展7組不同級配和密度組合的大型飽和固結(jié)排水三軸試驗(yàn)，結(jié)合粗礫、中礫、細(xì)礫粒組的固體顆粒幾何參數(shù)，分析了不同級配和密度組合對筑壩堆石料強(qiáng)度-變形特性的影響規(guī)律。

本文研究仍存在不足，如計(jì)算20～60 mm粒徑范圍內(nèi)顆粒個(gè)數(shù)時(shí)，以40 mm球體近似代替，下一步可考慮基于級配方程進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，研究固體顆粒個(gè)數(shù)與強(qiáng)度、模量之間的定量關(guān)系，為填筑堆石料的密度、級配優(yōu)化提供參考依據(jù)。