姜燊燊，遲世春

(1.大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部水利工程學(xué)院 工程抗震研究所， 遼寧 大連 116024)

粗粒料的濕化變形指的是在一定應(yīng)力狀態(tài)下的壩體堆石料由于浸水產(chǎn)生變形。濕化變形的原因包括巖體顆粒飽和軟化、水的潤滑作用引起顆粒的滑移和重排以及顆粒的破碎。心墻堆石壩上下游壩殼堆石區(qū)在初次蓄水以及降雨的影響下產(chǎn)生濕化變形，由于不協(xié)調(diào)的變形會(huì)導(dǎo)致壩體裂縫，甚至形成滲漏通道，威脅壩體安全。因此，對(duì)于粗粒料的濕化變形研究非常重要。

目前，對(duì)于濕化變形的計(jì)算主要通過“單線法”和“雙線法”試驗(yàn)研究得到。試驗(yàn)方法如圖1所示。

圖1 濕化試驗(yàn)方法

梁晨等[1]在論文中對(duì)堆石料濕化試驗(yàn)的研究進(jìn)行了總結(jié)，大致分為三個(gè)階段，第一階段采用單向固結(jié)儀進(jìn)行濕化變形的研究；第二階段通過三軸儀采用“雙線法”進(jìn)行濕化試驗(yàn)研究；第三階段基于我國學(xué)者劉祖德[2]提出的“單線法”濕化試驗(yàn)。沈珠江等[3]認(rèn)為在低應(yīng)力水平下濕化體積變形量可以近似為常數(shù)。李國英等[4]根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)濕化體變與圍壓相關(guān)，基于此對(duì)沈珠江模型進(jìn)行了修正。左元明等[5]通過對(duì)比“單線法”和“雙線法”試驗(yàn)得出濕化變形與應(yīng)力路徑有關(guān)，簡單采用雙線法是不合理的。李廣信等[6]對(duì)影響濕化變形的因素進(jìn)行了研究。張少宏等[7]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)濕化體變和濕化軸變的關(guān)系并非雙曲線關(guān)系。王富強(qiáng)等[8]通過比較試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，濕化體變與圍壓和應(yīng)力水平都有關(guān)。付江等[9]通過研究提出濕化體變分為由圍壓引起的體變和偏應(yīng)力引起的體變兩部分組成，由圍壓引起的體變隨圍壓增大而增大，有偏應(yīng)力引起的體變隨應(yīng)力水平的增大而減小。彭凱等[10]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)濕化體積變形與圍壓呈雙曲線關(guān)系，濕化軸變與圍壓可以用直線擬合。李鵬等[11]采用高壓三軸儀進(jìn)行試驗(yàn)，認(rèn)為同等圍壓下濕化軸變隨應(yīng)力水平增大而增大，濕化體變隨應(yīng)力水平增大而減小。李全明等[12]通過分析公伯峽粗粒料的三軸濕化試驗(yàn)成果，提出了改進(jìn)的沈珠江模型。魏松等[13]對(duì)濕化后顆粒破碎進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)濕化變形和顆粒破碎呈現(xiàn)很好的相關(guān)性，認(rèn)為濕化變形可以從顆粒破碎的角度加以解釋。周雄雄等[14]分析濕化試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)濕化體變與濕化軸變的比值k、平均主應(yīng)力p和廣義剪應(yīng)力q三者滿足扭面關(guān)系。當(dāng)k恒定時(shí)，此扭面變?yōu)閜-q平面內(nèi)一條經(jīng)過原點(diǎn)的直線。2018年張延億等[15]對(duì)砂板巖混合堆石料進(jìn)行單線法濕化試驗(yàn)研究得出球應(yīng)力為影響濕化體變的主要因素。濕化體積應(yīng)變與濕化應(yīng)力較好的符合線性函數(shù)關(guān)系。孫振遠(yuǎn)等[16]通過對(duì)石英砂巖的浸水濕化試驗(yàn)表明單線法浸水變形小于雙線法試驗(yàn)得到的濕化變形，同時(shí)單線法試驗(yàn)路徑更加合理。

這些已有濕化試驗(yàn)成果差別較大，模型眾多，所以對(duì)于粗粒料的濕化研究仍有必要。本文采用粗粒土大型蠕變壓縮儀，對(duì)粗粒料進(jìn)行濕化性質(zhì)研究。分析其濕化變形特性，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出濕化變形的定性結(jié)論，為后續(xù)研究提供支持。

1 三軸濕化試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)采用大型三軸試驗(yàn)儀，通過液壓控制系統(tǒng)施加圍壓、軸力和位移。通過數(shù)據(jù)采集軟件可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)三軸試驗(yàn)的自動(dòng)控制。本設(shè)備的軸位移、側(cè)位移、圍壓和軸力的最小度量值分別為0.01 mm、0.01 mm、0.001 kPa和0.01 kN。

1.2 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)采用大連石灰?guī)r作為試驗(yàn)材料，試樣最大粒徑60 mm，制樣密度2.215 g/cm3，試樣級(jí)配曲線如圖2所示。

圖2 粗粒料的質(zhì)量累計(jì)曲線

1.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)?zāi)康氖谦@取各個(gè)圍壓下不同應(yīng)力水平時(shí)試樣的濕化體變，探討濕化體變與圍壓及應(yīng)力水平之間的關(guān)系。試驗(yàn)采用3個(gè)圍壓，每個(gè)圍壓下進(jìn)行4個(gè)應(yīng)力水平下的濕化試驗(yàn)，這樣每個(gè)圍壓就得到4個(gè)濕化體變。

具體方案是：試驗(yàn)共分三組，分別對(duì)應(yīng)圍壓800 kPa、1 000 kPa、1 200 kPa。每個(gè)圍壓分四個(gè)應(yīng)力水進(jìn)行浸水濕化，分別是SL=0.0、0.5、0.75、0.9。

1.4 試驗(yàn)方法

制樣時(shí)，將風(fēng)干樣按照試驗(yàn)級(jí)配(見圖2)進(jìn)行稱料，攪拌均勻，分六層填入承膜桶，每層振搗密實(shí)。為了防止風(fēng)干料的制樣離析，每層預(yù)留部分細(xì)顆粒撒在振搗密實(shí)后的試樣頂面。

試樣準(zhǔn)備完成，將試樣在一定圍壓下固結(jié)穩(wěn)定后進(jìn)行三軸排氣剪切試驗(yàn)，剪切速率1 mm/min。待試樣剪切到一定應(yīng)力水平時(shí)，調(diào)整為力控加載速率為1 kN/s,保持應(yīng)力水平不變。等到風(fēng)干樣在力控下達(dá)到穩(wěn)定后(穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：軸位移在20 min內(nèi)變化量小于0.1 mm)向試樣內(nèi)部加水進(jìn)行濕化，同時(shí)保持應(yīng)力水平不變，在試樣出水后繼續(xù)通水30 min使試樣充分飽和。達(dá)到濕化穩(wěn)定(穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：軸位移在20 min內(nèi)變化量小于0.1 mm)之后結(jié)束試驗(yàn)。

1.5 非飽和樣體變測(cè)量

三軸試驗(yàn)主應(yīng)力差的計(jì)算和體應(yīng)變以及軸應(yīng)變的計(jì)算都依賴于試樣體積變化量。非飽合樣的體變測(cè)量的合理與否將直接決定濕化試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

根據(jù)三軸試驗(yàn)儀器原理，對(duì)于非飽和樣的體積變化的測(cè)量采用通過試樣外液體也即壓力室液體體積變化進(jìn)行間接擬合。1 000 kPa圍壓下常規(guī)飽和三軸試驗(yàn)結(jié)果和擬合試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。可見通過試樣外液體變化進(jìn)行間接度量試樣體變是可行的。

從圖3和圖4可以看出，用擬合數(shù)據(jù)計(jì)算出來的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)際測(cè)量得到的數(shù)據(jù)基本重合，擬合出來的應(yīng)變-體變曲線與實(shí)際測(cè)量的趨勢(shì)相同，數(shù)值稍有誤差。在現(xiàn)有儀器條件下滿足后續(xù)試驗(yàn)的要求。

2 試驗(yàn)成果及分析

2.1 粗粒料濕化試驗(yàn)成果

依據(jù)濕化三軸試驗(yàn)的結(jié)果，整理出各圍壓下的(σ1-σ3)-εα、εv-εα之間的關(guān)系(見圖5—圖7)。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從圖5—圖7中濕化應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系我們可以發(fā)現(xiàn)：在同一圍壓下，由εv-εα關(guān)系可以看出，在三軸試驗(yàn)過程中從加水開始到完全濕化過程中濕化體變和濕化軸變基本呈直線關(guān)系，此直線的斜率隨著濕化應(yīng)力水平的增大而變緩。

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 應(yīng)變-體變曲線

圖5 800 kPa圍壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 1 000 kPa圍壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

截取加水濕化至濕化結(jié)束段數(shù)據(jù)見表1。增量體變與圍壓和應(yīng)力水平的關(guān)系如圖8和圖9所示。

由圖8和圖9我們可以得到兩個(gè)結(jié)論：

(1) 濕化體變?cè)隽颗c圍壓大致呈現(xiàn)線性關(guān)系。

(2) 濕化體變存在一個(gè)臨界應(yīng)力水平；在小于臨界應(yīng)力水平的應(yīng)力下濕化體變隨著應(yīng)力水平增大而增大，當(dāng)超過臨界應(yīng)力水平后濕化體變隨應(yīng)力水平增大而下降。

圖7 1 200 kPa圍壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1 濕化試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖8 濕化體變與SL關(guān)系

圖9 濕化體變與σ3關(guān)系

3 濕化體變計(jì)算公式

3.1 濕化試驗(yàn)公式

對(duì)于濕化體變的計(jì)算，本次數(shù)據(jù)見表2。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和兩個(gè)結(jié)論：濕化體變和圍壓之間呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，見圖6。這種關(guān)系可以描述為：

(1)

式中:k為直線的斜率；b為直線截距；Pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓取為101 kPa。濕化體變與應(yīng)力水平之間關(guān)系可以用式(2)描述：

(2)

式中：Δεv為增量濕化體變;SL為應(yīng)力水平;A，D與圍壓相關(guān)的濕化體變(與圍壓呈線性關(guān)系);SLc為臨界應(yīng)力水平;B，n為模型參數(shù)

參數(shù)D，可以簡單處理采用零應(yīng)力水平下的濕化體變替代。參數(shù)A，由公式可知令SL=SLc時(shí)Δεv=A+D,所以可以通過試驗(yàn)測(cè)得臨界應(yīng)力水平下濕化體變?chǔ)う舦，結(jié)合零應(yīng)力水平體變得到參數(shù)A。

對(duì)于B,n模型參數(shù)，通過非線性最小二乘法進(jìn)行擬合得到。

這里需要強(qiáng)調(diào)對(duì)于參數(shù)A和D與兩個(gè)應(yīng)力狀態(tài)下濕化體變有關(guān)；第一個(gè)是零應(yīng)力情況下的濕化應(yīng)力水平，第二個(gè)是臨界應(yīng)力水平所對(duì)應(yīng)的濕化體變。這兩體變也對(duì)應(yīng)濕化體變的最大和最小值。

結(jié)合本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算公式的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果及相關(guān)系數(shù)R2如表2所示。

表2 大連石灰?guī)r模型參數(shù)

根據(jù)相關(guān)系數(shù)R2以及圖8中的曲線可以發(fā)現(xiàn)公式可以較好的擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.2 公式的驗(yàn)證

公式對(duì)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠較好的擬合，但是對(duì)于其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)的適用性依然需要驗(yàn)證。這里采用觀音巖濕化試驗(yàn)數(shù)據(jù)和西域礫巖[17]進(jìn)行擬合分析。

觀音巖濕化試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合圖形如圖10所示，模型參數(shù)如表3所示。西域礫巖濕化試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合圖形如圖11所示，模型參數(shù)如表4所示。

由表3、表4和圖10、圖11可以發(fā)現(xiàn)利用本次試驗(yàn)得出的公式能夠較好的擬合觀音巖和西域礫巖濕化試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖10 觀音巖公式擬合圖

表3 觀音巖模型參數(shù)

圖11 西域礫巖公式擬合圖

表4 西域礫巖模型參數(shù)

3.3 公式的一些說明

公式中模型參數(shù)B，n需要先確定A，D后通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用非線性最小二乘法擬合得到；每個(gè)圍壓可以進(jìn)行一次擬合，然后通過算術(shù)平均求得B，n。由目前濕化試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看n可以直接取為2。

臨界應(yīng)力水平并沒有取一個(gè)固定的值，需要結(jié)合試驗(yàn)特性并根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)的曲線關(guān)系進(jìn)行實(shí)際的判斷。對(duì)于臨界應(yīng)力水平的機(jī)理以及取值還需要進(jìn)行深入的研究。

3.4 關(guān)于臨界應(yīng)力水平

對(duì)于濕化臨界應(yīng)力水平進(jìn)行簡單的解釋說明。最早在濕化試驗(yàn)中提出這個(gè)濕化臨界應(yīng)力水平概念的可以追溯到楊小龍[17]對(duì)西域礫巖濕化試驗(yàn)的研究。

但是出現(xiàn)臨界應(yīng)力水平點(diǎn)的濕化試驗(yàn)，可以追溯到左元明等[18]對(duì)于小浪底壩石料的濕化試驗(yàn)研究，在方緒順[19]以及魏松[20]的研究中都不同程度出現(xiàn)臨界應(yīng)力水平。其中左元明的文章中最早出現(xiàn)濕化體變隨著應(yīng)力水平的增大先增加后下降的趨勢(shì)，為了濕化的簡單計(jì)算將濕化應(yīng)力水平小于0.5時(shí)濕化體變?nèi)槌?shù)。對(duì)于方緒順等的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)發(fā)現(xiàn)濕化體變隨著應(yīng)力水平增加一直減小。魏松等人的研究在應(yīng)力水平為0.8左右出現(xiàn)了體變隨應(yīng)力水平增加而下降的情況。

總結(jié)左元明、方緒順、魏松、楊小龍等的濕化試驗(yàn)結(jié)合本次濕化試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)在試樣在進(jìn)行常規(guī)三軸飽和樣剪切試驗(yàn)過程中都出現(xiàn)了不同程度的剪脹現(xiàn)象。所以有理由認(rèn)為濕化變形臨界應(yīng)力水平與試樣的剪脹性有關(guān)。

4 結(jié) 論

通過對(duì)大連石灰?guī)r試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可以得出如下結(jié)論：

(1) 本次濕化試驗(yàn)存在臨界應(yīng)力水平，在應(yīng)力水平小于臨界應(yīng)力水平時(shí)濕化體變隨著應(yīng)力水平增大而增大，在應(yīng)力水平超過臨界應(yīng)力水平后濕化體變隨著應(yīng)力水平的增加而降低。

(2) 在相同應(yīng)力水平下，濕化體變隨著圍壓增大而線性增大。

(3) 濕化過程中，濕化體變和濕化軸變之間呈現(xiàn)線性關(guān)系，隨著圍壓的增大，斜率降低，隨著濕化應(yīng)力水平的增大，直線的斜率降低。

(4) 結(jié)合本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了濕化體變計(jì)算的公式。通過對(duì)不同材料濕化試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)公式具有較好的適用性。