堆石料湿化变形特性试验研究

于 浩

我国的水电开发进入了一个前所未有的高潮。在各种坝型中,土石坝以其突出的优点备受重视。随着经济建设的需要,高土石坝的数量越来越多,200 m乃至300 m级的高坝已经有多座在建设或者规划中。而对土石坝来说,坝体的沉降量是衡量施工质量和大坝运行状况的重要指标[1]。

堆石坝初次蓄水时会由于堆石料的浸水湿化变形而发生坝体的沉降、侧移和应力的重分布,有时甚至出现坝体开裂等问题。除了初次蓄水会引起坝体的湿化变形外,大坝运行期因库水位涨落和降雨造成的干湿循环作用也能导致坝体发生类似于初次蓄水时的湿化变形,这种变形也属于坝体长期变形之列,这里称之为干湿循环变形。

堆石料的湿化变形问题已经受到国内外专家的重视,并针对坝体初次蓄水的特点进行了比较多的试验研究工作。

1973年,Nobari和Duncan[2]首先用三轴试验研究了这种湿化变形,并且提出了在非线性有限元法计算中考虑湿化变形的方法,成功地应用于分析Oroville土坝的浸水变形。

保华富、屈智炯[3]通过对天生桥及鲁布革堆石料的等压和剪切湿化试验研究认为:浸水时间是影响湿化变形及其发展的一个重要因素,并且湿化使得变形参数均发生变化。

李广信[4]对小浪底堆石料进行了比较系统的三轴湿化试验,认为单线法比双线法更符合土体湿化变形的实际情况,单线法的湿化变形比双线法明显偏大;同时他们还对小浪底堆石料进行了湿化变形的试样缩尺效应研究,研究堆石料的最大粒径比实际缩小了50倍和12.5倍,其湿化变形试验结果表明,大试样的变形比小试样要小得多,其湿化轴向应变为小试样的一半左右。

但堆石料在湿化试验时一般只考虑干燥和饱和两种状态,仅有少数研究涉及非饱和湿化变形问题。至于模拟大坝运行期因库水位涨落和降雨造成的干湿循环作用,进行堆石料循环增湿变形的研究成果目前很少见到。

1 试验仪器、材料和试验方法

1.1 试验仪器

试验采用为适应长期加荷的应力控制式静力三轴仪,轴向压力加载系统与周围压力控制系统为独立加荷系统,均采用半自动砝码系统加荷,通过液压传动和油水交换系统提供轴向压力与周围压力,这种加荷方式在恒压加载过程中不必频繁动作,能够实现试验需要的长期恒载稳定要求。

1.2 试验材料

试验采用某堆石坝坝体堆石料,受仪器条件的限制,试验用料必须在原级配基础上采用等量替代法进行缩尺,以满足仪器设备要求。由于仪器的试样直径为300 mm,相应的试验用料的最大粒径为60 mm,缩尺方法采用等量替代法,即用5 mm～60 mm粒组料等量替代超径颗粒,小于5 mm粒组含量与原级配相同,如表1所示。试验的制样干密度采用施工控制干密度。

表1 堆石料原级配与试验级配 mm

1.3 试验方法

试样制备时,按试样控制密度及试样体积测算出试验用料数量,分粒组称取,并拌和均匀。之后,分五层人工夯实制样。试验一直维持轴向压力与周围压力稳定,在干料上进行待变形基本稳定后从试样底部浸水2 h左右,测得试样的湿化轴向变形和体积变形,待湿化轴向变形基本稳定时停止浸水。本次试验采用的围压为三级,应力水平为四级共12组试验:围压为0.5 MPa,1.0 MPa,1.5 MPa,应力水平为 0.2,0.4,0.6,0.7。

2 试验结果及初步分析

根据湿化试验结果,整理得到不同周围压力、不同应力水平下的三轴湿化轴向应变εw1和湿化体积应变εwv的关系曲线,如图1～图4所示。

由图可知在同一围压下,随着应力水平增大,湿化轴变明显增大,但围压越低,随应力水平提高轴向变形增长速度越快。在相同应力水平时,在低应力水平下,湿化轴变随围压增大而增大;当应力水平在0.6,0.7时,出现了低围压的湿化轴变大于高围压现象。

对于堆石料来说,当试验密度一定时,围压、颗粒大小、轴向应变、颗粒破碎率等因素相互影响其剪胀性[5]。同一围压、低围压时,应力水平较小堆石料的湿化体变表现为剪缩,应力水平较大后出现明显剪胀。高围压、应力水平较小时,堆石料表现为剪胀,而应力水平较大后表现出减缩。在相同应力水平下,湿化体变随围压增大而增大,且应力水平越小,湿化体变增大速度越快。仅在应力水平0.6时湿化体变稍微减小。

3 结语

堆石料的湿化变形特性研究是高堆石体应力应变分析的一个重要课题。本文在大型三轴湿化试验的基础上,对某工程堆石料湿化变形与周围压力、应力状态的关系进行了初步探讨和分析,得到如下结论:堆石料的湿化变形随着围压和湿化应力水平变化而变化;在低围压、高应力水平下堆石体产生剪胀;湿化轴向变形与应力水平存在明显的相关关系。

[1] 张丙印,于玉贞,张建民.高土石坝的若干关键技术问题[A].中国土木工程学会第九届土力学与岩土工程学术会议论文集[C].北京:清华大学出版社,2004.

[2] Nobari E S,Duncan J M.Movements in Dams due to Reservoir Filling[J].Performance of earth and Earth and Earth-Supported Structures,2007,1(1):23-24.

[3] 保华富,屈智炯.高土石坝筑坝关键技术问题的研究成果汇编[Z].“六五”国家科技攻关项目,2003.

[4] 李广信.土的清华弹塑性模型及其发展[J].岩土工程学报,2006,28(1):31-32.

[5] 傅志安,凤家骥.混凝土面板堆石坝[M].武汉:华中理工大学出版社,1993.