母岩性质对粗颗粒材料动力特性影响试验研究

傅 华 韩华强 凌 华

（1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210029；2.南京水利科学研究院 水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室，南京 210029）

土石坝筑坝材料主要以棱角明显的堆石料和浑圆度较好的砂砾料为主，其强度和变形特性事关到土石坝的安全运行，因此国内外学者针对粗颗粒材料的静、动力特性开展了大量的研究工作，取得了一定的成果［1－5］.母岩性质是影响粗颗粒材料动力特性的重要因素，主要包括颗粒大小、形状、强度以及表面粗糙程度等，粗颗粒材料的动力特性与它们有着紧密的联系，其中某一因素的变化必然会引起其动力特性的改变.对于爆破开采的堆石料，多棱角，表面粗糙，在高应力的作用下易产生棱角破碎；相应于堆石料，砂砾料颗粒则是颗粒比较光滑，浑圆度较好，不易被压碎，抗剪强度较高，但在施工过程中易离析，带来渗透系数偏低［6］.在上述两大类的材料中，同时还会存在风化程度的影响，目前大部分土石坝工程坝体填筑料中均会或多或少地存在强风化料，常规设计是将这部分料和一些强度较高的粗颗粒材料混合起来布置在坝体下游上部区域，由于强度较低的母岩掺入，同样会降低混合料的动力特性，它们对土石坝抗震性能的影响也是一个值得关注的问题.

针对上述问题，试验挑选母岩性质中强度和颗粒形状这两个主要因素，分别研究其对粗颗粒材料动力特性的影响.

1 试验方案及过程

试验挑选不同强度和颗粒形状的粗颗粒材料，分别研究母岩性质的变化对其动力特性的影响.试验设备选用大型动三轴剪切仪，试样尺寸为Φ300mm×700mm，试验所用试样处于自然风干状态，分60～40 mm、40～20mm、20～10mm、10～5mm、5～0mm 5种粒径范围进行试样的制备，装样过程中主要控制好两点：①试样分5层进行铺装，尽量减少试样粗、细颗粒的离析；②采用表面振动器对试样进行分层振动，保证整个试样的密度均匀性.试样制好后采用水头饱和法自下而上对试样进行饱和，然后根据要求开展不同类型的动力特性对比试验研究.

2 母岩强度对粗颗粒材料动力特性的影响

试验挑选的弱风化花岗岩和弱风化砂泥岩进行对比试验，其中弱风化花岗岩母岩饱和单轴抗压强度为80～150MPa，弱风化砂泥岩母岩饱和单轴抗压强度为30～50MPa，母岩强度差异较明显.试验制样密度和级配见表1.

表1 制样密度及级配特性

两种不同母岩强度的粗颗粒材料动弹性模量试验结果见表2.根据前面的研究成果［7－8］，随着孔隙率的增大，粗颗粒材料力学特性会产生一定降低.然而由表2，弱风化花岗岩孔隙率比弱风化砂泥岩大2.0%，而在相同的围压和固结应力下，弱风化花岗岩的最大动弹性模量反而均要明显高于弱风化砂泥岩的，出现这种现象的主要原因是粗颗粒材料母岩强度的差异所导致，弱风化砂泥岩母岩单轴抗压强度明显低于弱风化花岗岩，母岩强度低、在动荷载的作用下易被压碎、产生的动力变形大，必然导致最大动弹模量值较弱风化花岗岩会产生明显降低，正是由于这种母岩强度的差异才导致了弱风化花岗岩孔隙率大，但其动弹性模量值不减反增这一反常的试验结果.表2同时还显示，随着围压由400kPa提高至2 200kPa，母岩强度的差异使得最大动弹性模量增加率由13.7%增加至16.7%，强度高母岩动力特性的优势随着围压提高越明显.

表2 不同强度的母岩动弹性摸量试验结果

表3为不同围压、不同固结比作用下，不同母岩强度的粗颗粒材料最大动轴向永久变形与最大动体积永久变形对比表.由表3可以看出，永久变形试验成果的宏观上与动弹性模量试验结果的规律性保持一致，即弱风化花岗岩的孔隙率虽然大于弱风化砂泥岩，但其动永久变形同样要明显小于弱风化砂泥岩.相对于弱风化砂泥岩，弱风化花岗岩最大动永久轴向应变减小了29.4%～48.0%，最大动永久体积应变减小了13.8%～46.2%.

表3 不同强度的母岩动永久变形试验结果

上述试验结果表明，提高母岩强度对粗颗粒材料在地震荷载下的动力变形具有很好的抑制作用.由此高土石坝设计及施工过程中，使用母岩强度高的岩石作为土石坝坝体填筑材料是提高坝体整体抗震能力的一种简便易行的方法.

3 母岩颗粒形状对粗颗粒材料动力特性的影响

除母岩强度对混合料的动力指标具有重要影响外，母岩的颗粒形状同样会对混合料的动力特性产生一定的影响.试验选浑圆度较好的砂砾石料和棱角比较明显的灰岩堆石料进行对比试验，试验密度均采用2.22g／cm3，试验模拟级配如图1所示，两种不同性质的粗颗粒材料动弹性模量试验结果对比见表4.

图1 级配曲线

表4 不同颗粒形状的母岩动弹性模量试验结果

根据前人的研究成果［9－11］：级配变化导致混合料的力学变形特性相应变化，细料含量相对较高的混合料的力学特性会明显优于细粒含量相对低的混合料的.图1显示，本次试验灰岩料的细料含量为18.0%，砂砾料的细料含量为13.0%，灰岩料的粗、细颗粒充填关系要优于砂砾料，但表4显示，在相同的围压和固结应力下，砂砾料的最大动弹性模量却明显要高于灰岩料，究其原因，土石坝筑坝材料大多采用人工爆破等方法开采出来，往往存在很多肉眼无法看到的缺陷［12］，同时爆破开采的灰岩堆石料棱角比较明显，在地震荷载的作用下，颗粒易产生破碎，产生的动力变形较大，而对于天然砂砾石料，由于颗粒浑圆度较好，不易被压碎，使得混合料抵抗动荷载的能力较强.表4同时还显示，随着围压由400kPa提高至3 000kPa，砂砾料的最大动弹性模量较灰岩料增加率由17.0%提高至22.9%，母岩颗粒形状对动力特性的影响随着围压的提高其优势性越来越明显.

表5动永久变形试验结果同样显示，砂砾料的最大轴向动力永久变形较灰岩料最大降低了35.2%，最大体积动力永久变形最大降低了40.4%，这种差异性在相同围压下随着动应力的增加逐渐增加；随着围压的提高，这种差异性同样变得越来越明显.

表5 不同颗粒形状的动力永久变形试验结果

粗颗粒材料颗粒形状的优化对混合料提高其抗震能力有明显的改善作用，因此，在高土石坝设计及施工过程中，对于坝体通过提高母岩强度或增加碾压遍数均不能满足抗震设计要求的区域，可考虑通过选用母岩浑圆度较好的粗颗粒材料来减小坝体在地震荷载作用下的变形，提高其整体抗震能力.

4 结 语

1）母岩强度的变化对其混合料动力特性的影响较大，母岩强度越高，对应的动弹性模量值越大，动永久变形量越小，这种差异性随着围压的提高会变得越来越明显.

2）爆破开采的堆石料由于颗粒存在裂隙及棱角比较明显，在动荷载的作用下较浑圆度好的砂砾石料易产生颗粒破碎，使得其动弹性模量值产生一定的降低，而动永久变形量产生相应的增加.颗粒形状的变化对混合料动力特性的影响同样随着围压的提高会变得越来越明显.

3）母岩性质是影响粗颗粒材料动力特性的重要因素，因此对于高土石坝选用母岩强度高、颗粒浑圆度较好的粗颗粒料作为坝体填筑材料是减小坝体在地震荷载作用下变形、提高其整体抗震能力的一种简便易行的方法.

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