付 江,方緒順,秦桂林,付皓鶇

(1.長江下游水文水資源勘測局九江水文站,江西 九江332000;2.南京水利科學研究院,江蘇 南京210024)

0 前 言

土石壩的浸水變形是引起壩體裂縫的一個重要原因,將危及土壩特別是高土石壩的安全。除加強原型監(jiān)測外,室內試驗和對土石壩初次蓄水及水位驟降的應力應變分析,是土石壩筑壩技術研究的重要手段。

早在1973年,Nobari和Duncan[1]首先用三軸試驗通過“單線法”和“雙線法”分別研究了浸水變形,同時得出結論,浸水變形可以由干濕兩種應力—應變曲線來求。國內在1985年～1989年期間,先后有南京水利科學研究院、成都科技大學、清華大學和黃河水利科學研究院等兄弟院校進行過室內浸水變形試驗研究,并建立了相應的浸水變形模型[2,3]。

鑒于當時的試驗條件,試驗總結出的成果沒有很好地運用到有限元計算中去,而濕化變形在心墻壩的有限元計算中占有重要的地位,它的存在,使土壩的局部可能產生完全的塑性狀態(tài),甚至出現受拉狀態(tài)。因此,利用現代科技手段進一步研究浸水變形特性是一個重要的新課題。

筆者在前人所做工作的基礎上,利用引進的VJ非飽和土三軸儀,進一步開展單線法試驗研究,修正濕化變形計算模型,得出了浸水變形計算經驗公式。

1 試驗用料的選取

試驗用料是新疆引額濟烏“635”水利樞紐大壩的壩殼砂礫石料。由于試樣直徑的限制,在試驗過程中,將砂礫石料中大于5 mm的顆粒篩去,取小于5 mm顆粒的砂土,其顆粒級配曲線見圖1。試驗土料的土粒比重 G=2.72,最大干密度 ρdmax=1.99 g/cm3,最小干密度 ρdmin=1.50 g/cm3,試樣干密度 ρd=1.80 g/cm3,相對密實度 Dr=0.68,不均勻系數 Cu=13.71。

圖1 試驗用砂礫料級配曲線

2 儀器設備

試驗儀器設備選用英國進口的VJ非飽和土三軸儀,其結構示意圖如圖2所示,試驗過程中的應力和變形等數據自動采集。跟常規(guī)三軸儀相比具有以下特點:

圖2 VJ非飽和土三軸儀結構示意圖

(1)采用雙壓力室,利用內壓力室進、出水的體積測量非飽和土的體積變形。

(2)采用精確的體變儀自動跟蹤測量試樣的體變代替以前的人工測讀的方法,體變儀的進出水量即為體變。

(3)試樣偏應力采用連續(xù)加荷代替以前分級加荷的方式,荷載的大小通過軸力傳感器測量。

(4)圍壓通過加水壓的方式加載,通過壓力傳感器測量圍壓的大小。

(5)軸向變形是通過數字式千分表測量。

(6)在整個試驗過程中所用的水都為無氣水。

(7)最大軸力:10 kN 精度±1 N

最大圍壓:1 700 kPa 精度±0.1 kPa

最大體變:100 mL 精度±0.1 mL

試樣尺寸:直徑50 mm高100 mm

3 試驗方案

在分析總結前人所做研究的基礎上,本試驗分3組合計15個試樣。所有試樣干密度控制為1.80 g/cm3,選擇3種不同的圍壓,即 σ3=200 kPa、400 kPa、600 kPa,最大圍壓與依托工程的實際最大側壓力相近。在3種不同的圍壓下,分別進行干砂等壓固結浸水變形試驗、干砂固結排水剪切試驗和3種不同的應力水平SL=0.25、0.5、0.75下浸水變形試驗。試驗加荷速率為100 kPa/h。

4 試驗方法

4.1 制試樣

根據體積稱取砂重后,分3次裝入承膜筒內,每次控制高度在3.5 cm左右,裝入后輕輕敲擊承膜筒再擊實至設定密度。試樣高度h=10.8 cm,直徑φ=5.0 cm。為確保試樣尺寸精度,拆除承膜筒后再行量測試樣的高度和直徑。

4.2 干砂剪切試驗

裝好試樣后加圍壓,待固結穩(wěn)定后,加軸向荷載,儀器自動記錄每級荷載下的軸向變形和體積變形,直到剪切破壞。

4.3 干砂在等壓固結作用下浸水變形試驗

裝好試樣后,加固結壓力,待固結穩(wěn)定后。在恒定的應力下從試樣底部進水,使其逐漸飽和。當同一時間間隔內出水量等于入水量即認為試樣已飽和。浸水變形的穩(wěn)定標準采用15 min內垂直變形不超過1%mm。浸水飽和時間大約在1 h左右。

4.4 干砂在剪切狀態(tài)下浸水變形試驗

裝好試樣后,加固結壓力,待固結穩(wěn)定后,加軸向壓力(σ1-σ3)剪切,軸向壓力分別加到峰值荷載的25%、50%、75%,即 SL=(σ1-σ3)/(σ1-σ3)f=0.25、0.5、0.75。待變形穩(wěn)定后,在恒定的應力下從試樣底部進水,使其逐漸飽和。當同一時間間隔內出水量等于入水量即認為飽和。浸水變形的穩(wěn)定標準采用15 min內垂直變形不超過1%mm。浸水飽和時間大約在1 h左右。然后再加軸向壓力剪切,荷載勻速自動加載,直至破壞。

5 試驗成果的整理

5.1 浸水變形的應力應變及體應變

5.1.1 各向等壓條件下浸水變形試驗

干砂各向等壓浸水變形試驗結果繪成εv～t之間的關系如圖3所示(圖中,t=0為等壓固結開始時刻),從圖中可以看出,干樣在固結過程中εv隨圍壓的增加其值逐漸變大。待干樣固結穩(wěn)定后,試樣開始從底部浸水,在浸水過程中,曲線 εv～t呈較明顯陡增的直線段。待試樣完全飽和后,εv～t呈明顯的直線段,說明浸水變形趨于穩(wěn)定。

圖3 各向等壓浸水變形εv～t過程線

浸水變形引起的體應變增量統(tǒng)計表見表1所示。

表1 各向等壓浸水變形產生的體應變增量統(tǒng)計表

從上表可以看出,各向等壓浸水變形產生的體積應變增量隨圍壓的增加而增大。其Δεv～σ3關系曲線如圖 4所示。從圖中可以看出Δεv～σ3之間接近對數關系。

圖4 Δεv～ σ3之間關系曲線

5.1.2 三軸剪切條件下的浸水變形試驗

依據三軸剪切試驗的結果,整理出各個側壓力下(σ1-σ3)～εa、εv～εa之間的關系。為便于比較將在同一種圍壓作用下的干砂及飽和砂試驗、浸水變形試驗繪于同一張圖上如圖5、圖6、圖7所示,從圖中可看出:

圖5 砂礫石料在σ3=200 kPa下浸水試驗結果

圖6 砂礫石料在σ3=400 kPa下浸水試驗結果

圖7 砂礫石料在σ3=600 kPa下浸水試驗結果

(1)在同一種σ3條件下,干砂浸水前同一圍壓下的應力應變曲線基本重合。浸水過程中的應力、應變曲線(σ1-σ3)～ εa表現為水平直線段,即維持軸向附加應力(σ1-σ3)不變,εv～ εa呈較明顯陡增的直線段。浸水后繼續(xù)對試樣增加(σ1-σ3),直至剪切破壞。浸水后試樣的強度(σ1-σ3)f比干樣低,比飽和樣高。

(2)在同一應力水平下,浸水后試樣的強度(σ1-σ3)f隨圍壓的增加其值增大。

(3)干砂在某一狀態(tài)下浸水變形引起的軸向應變與體應變增量比相同應力狀態(tài)下干砂與飽和砂之間的軸向應變之差及體應變之差都要大。亦即“單線法”比“雙線法”測出浸水變形引起的軸向應變增量及體應變增量要大,尤其在低應力水平下,“單線法”要比“雙線法”大100%。進一步說明在考慮浸水變形時,用“雙線法”代替“單線法”不盡合理,如有條件要進行“單線法”試驗。

浸水變形引起的軸向應變增量、體應變增量、徑向應變增量和偏應變增量統(tǒng)計表見表2所示。

從表和圖中可以看出:

(1)同一圍壓下浸水變形產生的軸向應變和偏應變增量隨應力水平的增大而增大,而體應變增量則相反,隨應力水平的增大而減小。

(2)同一應力水平下浸水變形產生的軸向應變增量、體應變和偏應變增量均隨圍壓的增加而增大,但浸水變形引起的體應變增量隨圍壓的增大有趨于穩(wěn)定的趨勢。

(3)當應力水平SL=0.25時,浸水變形引起的體應變增量大于軸向應變增量,說明低應力水平下浸水變形主要表現為壓縮。

(4)當應力水平SL進一步增大時,浸水變形引起的軸向應變增量和偏應變增量會很快增加并遠遠超過相同圍壓下的體應變增量,而此時水平向應變增量小于零,說明較高應力水平下浸水變形主要表現為沉降及水平膨脹。

表2 不同應力水平下浸水變形產生的應變增量統(tǒng)計表

6 浸水變形引起應變增量計算公式

為了在壩體應力應變分析過程中考慮浸水變形而引起的應變增量,需要通過以上試驗成果整理出體應變增量Δεv～σ應力之間的函數關系以及偏應變增量Δγ～σ應力之間的經驗表達式。假定體積應變增量在試樣各向同性和等壓固結條件下可分解成兩部分,一部分是由于圍壓 σ3引起的,另一部分是由于偏應力引起的;偏應變僅由偏應力引起的。

根據本文的砂礫石料試驗結果,依據Δεa～ SL、Δεv～ SL和Δγ～ SL關系以及 Δεa～ σ3、Δεv～ σ3和Δγ～ σ3關系整理出以下浸水變形增量計算表達式:

式中:Δεv為體應變增量;Δγ為偏應變增量;σ3為圍壓;SL為應力水平;Pa為大氣壓力;K為側壓力系數;γ為偏應變;εv為體應變;εa為軸向應變;Cω、nω、Fω、Dω為試驗參數。

7 計算公式參數整理

7.1 體應變增量計算參數整理

利用干砂各向等壓作用下浸水變形引起的體應變增量在雙對數紙上點繪 Δεv～ σ3/Pa相關線,可整理得到參數Cω、nω,其中 Cω為該相關線的截距,nω為該相關線的斜率。

依據三軸剪切試驗結果,通過點繪不同圍壓下偏應力引起的體應變增量與應力水平和圍壓之間的關系曲線,即相關線,整理參數Fω,其中Fω為不同圍壓下該相關線斜率的算術平均值,Δε′V等于三軸剪切浸水變形引起的體應變增量與相同固結壓力下各向等壓浸水變形引起的體應變之間的差值,即上述表2中的體應變增量與表1中相應圍壓下體應變增量之差。

7.2 偏應變增量計算參數整理

假定浸水變形引起的偏應變增量與應力水平和側壓力系數有關,通過點繪不同圍壓下相關線整理參數Dω,其中Dω為不同圍壓下該相關線斜率的算術平均值。

7.3 整理出的計算參數

整理得出的經驗表達式計算參數見表3。

表3 參數統(tǒng)計表

8 結 語

通過對砂礫料的固結和剪切狀態(tài)下浸水變形的試驗研究,得到以下幾點結論:

(1)砂礫石料各向等壓浸水變形引起的體應變增量Δεv隨圍壓σ3的增加而增大。其與圍壓之間的關系在雙對數坐標上可以表示為一條直線。

(2)在同一圍壓作用下,砂礫石料在不同偏應力狀態(tài)下浸水,引起的體應變增量隨應力水平的增加而減小,且其增量均小于同一圍壓無偏應力狀態(tài)下的浸水變形引起的體應變增量。

(3)砂礫石料的浸水變形引起的體應變增量包括兩部分,一部分是圍壓σ3引起的增量,另外一部分是偏應力 q引起的增量,前者隨圍壓σ3的增加而增加,而后者與應力水平SL有關,隨著應力水平SL的增加而減小。

(4)浸水變形引起的偏應變增量Δγ與應力水平SL和側壓力系數K有關,且隨著應力水平SL的增加而增加,與變量之間的關系近似成一直線關系。

[1] Nobari E S,Duncan J M.Movements in Dams due to Reservoir Filling[C]//Proceedings of Specialty Conference onPerformance of Earth and Earth Supported Structures.[s.l.]:[s.n.],1972:797-815.

[2] 朱百里,沈珠江.計算土力學[M].上海:上海科學技術出版社,1990:289-308.

[3] 李廣信.堆石料的濕化試驗和數學模型[J].巖土工程學報,1990,12(5):198-205.