西南某水电站坝址河床覆盖层大型三轴试验

2019-09-05

四川水利 2019年4期

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州，310014；2.成都理工大学环境与土木工程学院，成都，610059)

1 引言

近年来，随着国家经济建设的发展，对水利资源的开发利用逐渐增加，尤其在我国的西南地区水力资源丰富，修建了诸多水电站。但是在西南地区复杂地貌下，有着许多工程问题。尤其是西南高山峡谷地区河床覆盖层结构层次复杂，级配、干密度、力学性质变化大，原位结构性强、颗粒分选性差、大小不同的砾石相互交叠，真实掌握覆盖层的工程力学特性是工程界的一大难题，目前常采用的是原位实验与室内试验相结合的方法。原位实验在诸多条件下，有着工序简单、试样扰动小、精确度高的优点[1]。但是在研究覆盖层的力学特性时，许多常规试验没有原位实验的条件，只能在室内进行作业，这就对室内试验的精度提出了更高的要求。目前，有多种试验方法可以测定岩土体强度特性，其中三轴试验可直接测得土体的C，φ值。研究发现，在水电工程的坝址区、引水隧道、公路铁路隧道及地下厂房等工程所处的岩体内同时存在着渗流场、应力场、温度场的作用，当岩体遇到工程扰动时这些存在于岩体内的渗流场、应力场、温度场就会相互作用，使岩体内的这些因素在相互作用下达到动态平衡[2]。研究发现，在渗流场、应力场、温度场耦合作用下由工程扰动引起的岩体裂隙的起裂、扩展和连接贯通是造成这类工程岩体破坏的主要因素[3]。渗流场-应力场-温度场耦合的大型三轴试验是一种精确度极高的三轴剪切实验方法，最大的特点是考虑了岩体中的渗流场、温度场、应力场的相互作用和影响，在实验中模拟岩体在三场作用下的受力情况，从而得到真实的岩体强度参数，并利用邓肯模型对参数进行了拟合。鉴此，本文结合雅砻江上某水电工程进行了大型三轴试验，并得到了详实精确的数据，为测定覆盖层的强度参数提供了一种可靠性更强的使用方法，为工程设计提供客观、合理的依据。

表1 试样编号及取样高程

表2 材料级配分布

表3 最大、最小干密度试验结果

2 试验仪器及试验过程

2.1 试验仪器

试验采用的仪器为河海大学与溧阳市永昌工程实验仪器有限公司共同研制的“渗流场-应力场-温度场耦合的大型三轴试验仪”，如图1所示。该仪器最大轴向力为3000kN，最大围压为3MPa。

图1 三场耦合三轴试验系统

2.2 试验过程

在上述三轴仪上，进行了土样编号为Q1、Q2的风干及饱和状态的三轴剪切试验。试验所需材料级配与相对密度试验相同，初始试样密度取相对密度Dr=1，每组试样分别开展0.4MPa、0.8MPa、1.2MPa和1.6MPa围压下的三轴压缩试验，主要步骤为：

(1)试样制备。采用分层装填、分层击实法制样。试样分五层装入成型筒内，每层厚约14cm～16cm，用振动器分5次振实，振动器型号同相对密度试验所用型号相同(试样表面静载为14kPa，振动频率为40Hz)，如图2所示。根据试样要求的干容重的大小控制振动时间，振动击实后拆除成型筒，成型后的试样如图3所示。

(2)试样饱和。饱和状态的三轴试验需要试样饱和。试样装进压力室，将压力室充满水，打开进水阀，采用抽气饱和与静水灌注使试样从下而上进行饱和，直至孔隙压力系数B大于或等于0.95时，认为试样已达到饱和。

(3)等向固结。每组试验为4个试样，分别施加围压0.4MPa、0.8MPa、1.2MPa和1.6MPa，进行等向固结，固体变由计算机同步测读，如图4所示，直至体积变化趋于稳定，即认为固结完成，记录体积变化量。

(4)试验剪切。等向固结完成后，开始对试样进行剪切。剪切速率控制为1.0mm/min。剪切过程中由计算机采集试样的轴向荷载、轴向变形和体积变化并同步绘制应力-应变曲线及应变-体变曲线，直至试样破坏或至试样轴向应变的20%。当应力-应变曲线有峰值时，以峰值点为破坏点，峰值点所对应的主应力差(σ1-σ3)为该堆石料的破坏强度，反之则取轴向应变的20%所对应的点为破坏点，对应的主应力差(σ1-σ3)为该堆石料的破坏强度，剪切破坏的试样如图5所示。

(5)颗粒分析。待剪切结束后，取出试样进行筛分试验，统计颗粒破碎情况。

图2 试样制备

图3 制备好的试样

图4 计算机自动采集系统

图5 剪切破坏的试样

3 实验结果分析

根据上述操作可得出试样的应力-应变关系，并绘制莫尔应力圆，从而得到对应的力学参数。由于堆石料的抗剪强度不符合Mohr-Coulomb破坏准则，可通过参数拟合得到更加真实的数据。

3.1 三轴试验曲线

根据试验数据绘制曲线如图6、图7所示：

(a)饱和 (b)风干

通过试验曲线可知，Q1卵石料的强度略高于Q2卵石料；风干状态强度高于饱和状态；风干状态的剪胀性强于饱和状态，符合一般规律。

3.2 颗粒破碎统计

三轴试验结束后进行颗粒筛分，不同工况下的颗粒破碎情况如图8、图9所示：

(a)饱和 (b)风干

试验前后级配变化差别不大，说明颗粒破碎量较小；颗粒破碎量随着围压的增大而增大，符合一般规律。

3.3 邓肯模型参数整理

Duncan和Chang于1970年提出E-μ非线性弹性模型，它以假定(σ1-σ3)～εa和εa～εr皆为双曲线关系为基础，通常也称为双曲线模型。该模型共含8个参数：φ、c、Rf、K、n、G、F、D。随后Duncan等人于1980年将E-μ模型进行改良，提出用体积模量Bt代替切线泊松比νt，可更为合理的表达土体在较高应力水平下的力学性质[4]。改良后的模型称为E-B模型，共含7个参数：φ、c、Rf、K、n、Kb、m。

c、φ是采用线性强度准则(Mohr-Coulomb强度准则)而得到的[5]。对于堆石材料，当应力水平较高时，由于颗粒破碎的影响，其强度包络线呈非线性，抗剪强度不符合Mohr-Coulomb破坏准则。所以堆石材料选用非线性强度准则更为合理[6]。本次参数拟合采用非线性强度参数φo、△φ代替线性强度参数c、φ。根据上述方法，整理的邓肯模型(E-μ，E-B模型)参数见表4及表5。