坝料动残余变形特性试验

凌 华，傅 华，蔡正银，刘汉龙

(1.南京水利科学研究院岩土工程研究所，江苏南京 210024;2.河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京 210098)

土石坝的建设多位于我国西部地区.西部地区地质条件复杂，地震烈度高，一旦失事，将产生灾难性的后果.震害资料表明，土石坝的裂缝、震陷、滑坡等与地震的残余变形有关[1].关于残余变形的研究成果近年较多[2-3].

残余变形模型一般可分为两类:一类是仅考虑剪切变形的模型[4-5]，另一类是不仅考虑剪切变形，也考虑体积变形的模型[6-8].工程学术界对永久变形预测中是否同时计入残余体积变形存有争议[9].但若不考虑残余体积变形，动力分析时相应的计算结果表明，地震后下游坝坡大量向外鼓出，坝顶的沉降小于水平位移，这与震后观测资料明显不符，特别是自由排水的堆石体在反复剪切作用下，棱角破碎严重，残余体积变形十分明显.因此对于土石坝工程设计与计算而言，后一类残余变形模型更符合实际情况[6-7].

根据试验结果，分析了围压、固结应力比(或应力水平)和动应力对动残余剪切变形和动残余体积变形的影响，探讨了试样大小和小于5mm粒径颗粒含量对动残余体积变形特性的影响规律.

1 实验简介

为减少缩尺效应的影响，试验在南京水利科学研究院大型动力三轴仪上进行.试样直径300mm，高700mm，最大允许粒径60mm.依据SL237—006《土工试验规程》，采用等量替代或等量替代和相似级配混合法进行级配缩制，具体试验试样级配及干密度见表1.

表1 试样密度与级配Table 1 Densities and gradations of samples

试验围压σ3分别为500kPa，1200kPa，1800kPa和2500kPa.固结应力比Kc覆盖层第③层为2.5，砂层和心墙掺砾料为1.5，过渡料、下游堆石料、反滤Ⅰ均分别为1.5和2.5，分别对其进行了动残余变形试验.各初始应力状态下，在排水条件下施加2～3级轴向循环荷载，荷载频率为0.1Hz，共30振次.

2 动三轴残余变形试验

在σ3，Kc初始状态下(σ3=1800kPa)，动应力 σd作用下产生残余的剪切应变 γr和体积应变 εvr曲线见图1和图2.为清楚起见，图中试验点为某振次的平均应变.

图1 下游堆石料动残余变形试验曲线Fig.1 Curves of dynamic residual deformation of downstream rockfill materials

图2 反滤Ⅰ动残余变形试验曲线Fig.2 Curves of dynamic residual deformation of filterⅠ

由图1和图2可知:(a)动残余体积变形随围压和动应力比的提高而增大，固结应力比对体积变形的影响不大.(b)动残余剪切变形随动应力比和围压的提高而增大.与残余体积变形不同，动残余剪切变形受固结应力比的影响较大，随固结应力比的提高而增大.(c)由图1可以发现:当Kc=1.5时，残余体积应变与剪切应变大致相当;当Kc=2.5时，残余体积应变要小于剪切应变.对于反滤Ⅰ试样，无论Kc是1.5或2.5，残余体积应变要小于剪切应变.下游堆石料与反滤Ⅰ2种试样母岩相同，围压相同，施加的轴向动应力基本相同，试验结果却有明显差别.

沈珠江动残余变形模型[6]中仅有5个参数，且参数物理意义明确，直接或间接考虑了围压、应力水平、动应力等影响土体动残余变形的主要因素，在国内土石坝设计与计算中运用广泛.

沈珠江等[4]认为 γr和εvr的发展大体上符合半对数衰减规律，即

式中:Cvr，Cdr——εvr～lg(1+N)和 γr～lg(1+N)关系曲线的斜率;εar——残余轴向应变;μd——动泊松比，取0.33.

式中:c1——Cvr～γd双对数关系曲线γd=1%处的直线截距;c2——拟合曲线的斜率双对数关系曲线γd=1%处的直线截距;c5——拟合曲线的斜率.研究结果表明，Sl对Cvr影响很小，故可假定Sl对Cvr无影响，即式(3)中的c3= 0.当以10为底进行参数整理时，c1和 c4要乘以0.4343.确定模型参数后可用增量法计算动残余体积应变和残余剪切应变.

由试验结果整理得到的沈珠江动残余变形模型参数见表2，下游堆石料和反滤Ⅰγd～Cvr曲线及γd～Cdr/S2l曲线见图3和图4.

表2 动残余变形特性试验参数Table 2 Parameters for tests on dynamic residual deformation characteristics

图3 γd～Cvr曲线Fig.3 Curves of γd～Cvr

图4 γd～Cdr/曲线Fig.4 Curves of γd～Cdr/

由图3可见，Sl对残余体积变形影响不大，式(3)能较好地反映试验结果.由图4可见，对于本文坝料试验结果，每个Kc情况下的曲线形成了2个狭长的带状体，式(4)不能很好地描述不同Kc下的动残余剪切变形情况，文献[9-10]也得出了类似的结论.

鉴于沈珠江动残余变形模型的突出优点，建议延用式(4)的形式，采用式(5)描述残余剪切变形:

由式(5)，等向固结时，Cdr和γr为0，这与已有的研究成果相符合.固定指数 n整理得到的c′4和c′5见表3，表中 R为相关系数.由表3可见，n在0.4～0.6范围内曲线拟合较好，建议n取0.5.当n取0.5时过渡料的拟合结果也比较理想.下游堆石料和反滤曲线见图5.由图5可见，式(5)能较好地反映试验情况，其余各坝料和覆盖层的c4和c5见表2.在进行动力反映分析时原有计算程序仅略为修改即可进行动残余变形计算.

表3 不同n时的c′4和c′5Table 3 Values of c′4and c′5under different values of n

图5 曲线Fig.5 Curves of

3 动力残余变形特性初探

3.1 动力残余体积变形特性分析

由图1、图2和表2可见，对于残余体积变形，下游堆石料的c1要大于过渡料和反滤Ⅰ，坝基第③层要远大于砂层，心墙掺砾料最小.这主要是因为级配和渗透特性引起的.SL 237—1999《土工试验规程》规定，在进行静力三轴压缩CD试验时，对于无黏性粗颗粒材料剪切速率为每分钟0.1%～0.5%应变，黏质粗颗粒材料剪切速率仅为每分钟0.012%～0.003%应变.这样规定，能通过剪切速率使试样在剪切过程中充分排水和消散超孔隙水压力.但是模拟地震情况的动力三轴试验要求在很短的时间内完成.无论是无黏性粗颗粒土还是黏质粗颗粒土甚至黏土，循环荷载施加时间基本相同.如本文试验每级动应力30振次，频率为0.1Hz，动应力施加过程为300s.因此对于非自由排水体，即使上下排水阀门都已打开，若不能充分排水，仍然会产生超孔隙水压力，这是导致砂层、心墙掺砾料和反滤Ⅰ产生的动残余体积变形远小于下游堆石料和坝基第③层的原因之一.

国内动力试验一般试样最大允许颗粒粒径仅为60mm，因此室内试验时首先应对坝料进行级配缩制.缩尺效应使室内试验成果与现场实际坝料力学特性之间存在差异[11].已有研究表明，小于5mm颗粒质量分数P5是影响土料力学性能的重要参数[12].P5对动力残余体积变形的影响如图6所示.图6表明，随着P5的增加，残余体积变形明显减小.目前坝体填筑材料的最大允许颗粒粒径已经提高至1000mm，造成了试验级配没有设计级配优良，最大颗粒粒径减小，P5要有所增加.也就是说，一般室内试验得出的残余体积变形要比现场原位土体的残余体积变形小.

图6 P5对残余体积变形的影响Fig.6 Effect of P5on residual volume deformation

3.2 动残余剪切变形特性分析

心墙掺砾料和砂层的渗透系数低，在动残余变形试验过程中，孔隙水压力仅能部分消散，产生了动孔隙水压力，导致残余剪切变形较大.过渡料、下游堆石料和反滤Ⅰ母岩成分相同，其动残余剪切变形相差不大，但出现了粗颗粒质量分数最大的下游堆石料c4最大这一现象.这些都表明动残余剪切变形的影响因素众多，除了围压、固结应力比和动应力，还包括了母岩特性、密度、级配、粗细颗粒质量分数等.这些影响规律应依据大量试验，进行进一步研究.

4 结 论

a.动残余体积变形随围压和动应力比的提高而增大，固结应力比(或应力水平)对体积变形的影响不大;动残余剪切变形随动应力比、围压的提高而增大，与残余体积变形不同，动残余剪切变形受固结应力比的影响较大，随固结应力比的提高而增大.

b.对沈珠江动残余变形模型关于残余剪切变形的内容，提出了经验修正公式，以反映不同固结应力比情况下的残余剪切变形特性.

c.初步探讨了残余体积变形和剪切变形的影响因素.另外试验结果也表明，残余体积变形随着P5的增大呈现变小的规律.

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