围压对堆石料和砂砾料强度及变形特性的影响

穆台力普·牙森，陈子玉

（1.塔里木河流域大石峡枢纽工程建设管理局，新疆 喀什 844000；2.南京水利科学研究院岩土工程研究所，江苏 南京 235100）

0 引言

堆石料和砂砾料由于取材方便、强度较高、经济效益明显，被广泛应用于土石坝筑坝材料，但是堆石料和砂砾料［1］由于粒径、材料形状、母岩岩性、风化程度等原因，呈现出不同的强度和变形特性；一般来说堆石料采用爆破取材，形状不规则，而砂砾料磨圆度较高。新疆大石峡［2-4］水利枢纽工程有我国目前最高的混凝土面板砂砾石坝（251 m），坝体内上游筑坝材料主要采用砂砾料，下游筑坝材料采用堆石料。因此，有必要针对两种筑坝材料研究其强度和变形特性，通过试验手段研究两种筑坝材料的强度和应力应变特性。邓肯-张Eμ模型、EB模型［5-8］作为非线性弹性模型，可以很好地反映粗粒土材料的应变硬化特征，广泛应用于国内外水利水电工程的数值分析，但是邓肯-张模型不能很好地反映粗粒土的剪胀特性；而南水模型［9-10］作为弹塑性本构模型，可以很好的反映粗粒土的剪胀剪缩及弹塑性变形特性。本文通过3种模型的对比，分析堆石料和砂砾料的强度及变形特性的差异。

1 试验材料及试验方案

1.1 试验材料

堆石料采用爆破开挖的弱风化灰岩材料，砂砾石取自现场开挖砂砾料。由于现场筑坝材料粒径较大，室内试验时需要对试验材料缩尺。对于堆石料设计级配平均线采用等量替代法进行缩制，对于砂粒料采用现场筛分级配包线的平均线采用等量替代法进行缩制（见图1）。堆石料和砂砾料缩尺后最大粒径均为60 mm，最小粒径0.1 mm。堆石料比重为2.74，相对密度为0.9，设计干密度2.22 g/m3，最大、最小干密度分别为2.22、1.68 g/m3；砂砾料比重为2.75，相对密度为0.9，设计干密度2.27 g/m3，最 大、最 小 干 密 度 分 别 为2.32、1.88 g/m3。

图1 堆石料和砂砾料现场及试验级配曲线

1.2 试验方案

堆石料和砂砾料试样尺寸均为φ300×700 mm，在GCTS大三轴压缩试验仪上试验。根据试验要求的干密度、试样的尺寸和级配曲线计算所需试样，试验所用的试样均处于自然风干状态。分别进行围压为400、800、1 200、2 000 kPa和3 000 kPa的三轴CD试验，整个试验过程按《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）进行。

2 试验结果

堆石料和砂砾料应力应变曲线如下所示（见图2）。两种材料的应力应变曲线均呈现出应变硬化型，随着轴变增加，偏应力q逐渐增加趋于稳定，达到峰值状态；随着围压增高，偏应力曲线变陡，围压对两种材料强度提高效应明显。体变曲线在低围压下产生剪胀，在初期产生体积压缩后体变曲线出现拐点，出现体积膨胀。高围压下处于持续剪缩状态，围压越高，剪缩性越大，两种材料试验结束时均未达到体变趋于稳定的临界状态。试验过程中峰值强度与围压关系曲线，摩擦角与围压关系曲线如下所示（见图3、图4）。可以看出，随着围压增大，堆石料和砂砾料的峰值偏应力qf随之增大。砂砾石峰值强度增高幅度大于堆石料；堆石料和砂砾料摩擦角随着围压升高而逐渐降低，在低围压下堆石料摩擦角高于砂砾料摩擦角，高围压下堆石料摩擦角低于砂砾料摩擦角。以上试验结果表明堆石料受围压的影响较大。

图2 堆石料和砂砾料应力应变关系曲线

图3 堆石料和砂砾料峰值偏应力

图4 堆石料和砂砾料摩擦角

3 强度和变形参数分析

针对水利水电工程中常用的邓肯-张Eμ模型、EB模型和南水模型3种本构模型，整理模型参数，分析砂砾料和堆石料应力变形的强度和变形参数特征（见表1～表3）。

表3 南水模型参数

在表1～3中，3种本构模型前5个参数具有相同的定义，因此同一种筑坝材料，参数大小相同，堆石料初始摩擦角φ0堆石料相较砂砾料更高。随着围压增加，摩擦角降低，堆石料的非线性摩擦角Δφ更高，表明堆石料受到围压的影响更大。相对于砂砾料，堆石料由于磨圆度较差，棱角较多导致更容易产生颗粒破碎，高围压下摩擦角较低。但是与剪切模量相关的K值、系数n、破坏比Rf三个参数砂砾石更大，表明砂砾石抵抗变形的能力更强，强度更高。对于邓肯-张EB模型，堆石料和砂砾料初始切线体积模量系数Kb大小虽接近，但是模量系数m相差较大，说明砂砾料体变模量受到围压的影响更为显著，随着围压升高增长明显。此外由南水模型参数Rd的定义可知，砂砾料参数Rd较大，表明砂砾料发生剪胀时对应的偏应力更大。

表1 邓肯-张Eμ模型参数

鉴于砂砾料在低围压下强度较低而堆石料在低围压下强度较高，同时砂砾料具有较高的抵抗变形的能力，因此在坝体分区中，宜将堆石料置于外部以增强坝坡的抗滑稳定性，而将砂砾料包裹于堆石料中间以控制坝体的变形。

表2 邓肯-张EB模型参数

4 结论

堆石料和砂砾料作为大石峡混凝土面板砂砾石坝工程的主要筑坝材料，具有不同的强度和应力应变特性。大型三轴压缩试验对比分析表明，堆石料和砂砾料应力应变特性基本呈应变硬化型，在低围压下呈现出剪胀、高围压下呈现出剪缩的应变特性。堆石料和砂砾料峰值强度随围压升高而升高，摩擦角随围压升高而降低，堆石料强度和变形特性受围压的影响更大。