筑坝堆石料三轴剪切特性及变形破坏试验研究

2024-01-06熊治茗杨志全沈兴刚

水利与建筑工程学报 2023年6期

熊治茗,杜俊,杨志全,沈兴刚

(1.昆明理工大学公共安全与应急管理学院,云南昆明 650093;2.昆明学院建筑工程学院,云南昆明 650214)

近年来,中西部地区经济高速发展,对水电能源的需求量也不断扩大,土石坝因取材方便、结构简单、易于施工等优点被广泛应用于经济建设中[1,2]。筑坝堆石料是典型的宽级配粗粒土,级配组成较为分散,粗细颗粒占比不一,高应力条件下其强度与变形特性是影响坝体安全性能的重要因素。因此,研究筑坝堆石料强度与变形特性、揭示其变形破坏机理对土石坝的设计施工及长期平稳运行具有十分重要的研究意义。

已有研究结果表明,围压是影响粗粒土强度及变形特性的重要原因[3-4]。JANG等[5]通过4组大型三轴压缩试验,结果为粗粒土应力-应变曲线受围压影响显著,低围压时表现出软化特征,而高围压时则呈硬化特征。褚福永等[6]对3种堆石料进行三轴压缩试验,发现堆石料破坏剪切强度随围压的增加而增大。高文华等[7]发现红砂岩粗粒土峰值强度及硬化特征与围压呈正相关,均随围压的增加而逐渐增大。受围压影响,筑坝堆石料变形破坏对土石坝长期安全运行具有明显的控制作用。由于堆石料颗粒级配组成十分复杂,颗粒间的接触关系在空间上不断发生变化,使其剪切过程中表现出明显的剪胀性。一方面,围压是引起粗粒土剪胀变形的外在条件,Chu等[8]研究认为粗粒土剪胀性与围压密切相关,低围压下表现出明显的剪胀特征,而高围压下则由剪胀向剪缩转变。与此同时,褚福永等[9-10]、程展林等[11]、姜景山等[12]也认为粗粒料剪胀性在不同围压下表现出不同的变化特征。另一方面,高围压下导致的颗粒破碎现象是引起粗粒土剪缩的内在因素[13],Yu等[14]认为颗粒破碎现象会影响粗粒料的剪胀性,使土体表现出明显的剪缩特征,从而影响其剪切变形特性。张季如等[15]通过三轴剪切试验研究钙质砂的颗粒破碎特性,认为随着围压的增大,颗粒破碎率也逐渐增大,剪缩效应愈加明显。Wei等[16]通过对钙质砂进行固结排水三轴剪切试验,认为高围压下其剪切变形特性主要受颗粒破碎影响,在此过程中,体变特征由剪胀向剪缩转变。

尽管已有研究指出粗粒土强度与变形特性受围压影响显著,均随围压表现出不同的变化特征。但针对粒径大小不一、分级现象显著的宽级配筑坝堆石料在三轴剪切作用下的强度特征及变形破坏机理研究尚少。因此,本文通过常规三轴剪切试验,分析不同围压下筑坝堆石料的应力应变特性、非线性抗剪强度指标、剪胀性以及Rowe剪胀模型的适用性,揭示其变形破坏机理,以期研究成果为分析土石坝长期安全运行提供有益指导。

1 常规三轴剪切试验

1.1 试验设备

试验机采用昆明学院与成都东华卓越科技有限公司(原四川大学华西岩土仪器研究所)共同研制的DJSZ-150大型粗粒土动静三轴试验机。该试验机最大轴向荷载1 500 kN,最大围压可达3.0 MPa,允许试样尺寸Φ300 mm×600 mm。试验机主要由围压伺服系统、动静加载系统、孔压测量系统、体变测量系统和数据采集系统等构成。可进行轴向应力、应变、围压、孔隙压力、试样体积变化、饱和进水量与固结排水量等参数的自动测试。

1.2 试验材料

试验土料选自云南临沧大桥坡水库筑坝堆石料,利用土工筛网对其进行颗粒筛分,筛网孔径分别为60 mm、40 mm、20 mm、10 mm、5 mm、2 mm。

根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019),试验机所允许填料的最大粒径为60 mm,需对试验土料进行缩尺处理以满足试验机尺寸要求,因试验土料超粒径含量较多,不可忽略,故本文采用等量替代缩尺方法进行缩尺处理,缩尺公式如下[17]:

(1)

式中:P5为大于5 mm的土料含量,%;P5i为处理后粒径大于5 mm某一粒级含量,%;P05i为与P5i对应的某原型级配粒级含量,%;P0为粒径大于60 mm的土料含量,%。

试验筑坝堆石料原型级配及经等量替代缩尺后的缩尺级配见表1,粒径级配累积曲线见图1。

图1 筑坝堆石料级配累积曲线

表1 筑坝堆石料级配组成汇总

1.3 试验方案设计

试验筑坝堆石料密度2.12 g/cm3,天然含水量4.20%,依据表1缩尺级配称取五份干土,并加入所需质量的水充分搅拌均匀,分五层依次装入制样筒中,使用击实锤对每层土样进行夯实,为避免试验土样出现分层现象,夯实后对土样表面进行凿毛处理。

三轴压缩试验中,围压分别设计为200 kPa、400 kPa、600 kPa、800 kPa和1 000 kPa,试验条件为固结排水,剪切速率控制为1 mm/min。视剪切应变(剪切位移与制样筒高度的比值)达到15%时试样破坏[18],此时可停止剪切。

2 试验结果分析

2.1 应力-应变特性分析

不同围压下筑坝堆石料固结排水三轴压缩偏差应力-轴向应变关系曲线见图2。

图2 筑坝堆石料偏差应力-应变曲线

分析图2可知,筑坝堆石料偏差应力-轴向应变关系呈双曲线型,围压是影响偏差应力的主要因素,具体表现为偏差应力随着围压的增大而逐渐增大。以堆石料破坏偏差应力(应变为15%时的偏差应力)为例,随着围压的增大,其破坏偏差应力增幅依次为88.10%、44.65%、28.72%、18.39%。

除此之外,中低围压(200 kPa、400 kPa、600 kPa)下,筑坝堆石料应力应变具有明显的软化特征,而高围压(800 kPa、1 000 kPa)下则呈硬化趋势。分析其原因,堆石料剪切初期,土体颗粒间紧密接触,剪切时土体以弹性变形为主,故表现出较高的抗剪强度。随着剪切过程的持续进行,土体颗粒间发生翻滚、旋转、抬升等改变空间位置的现象,导致土体结构变松,且中低围压不足以限制其运动,故应力发生软化特征。而高围压下可限制其运动,使土体颗粒间的接触更加紧密,因此,高围压下应力呈硬化趋势。

2.2 非线性抗剪强度指标分析

目前,粗粒土抗剪强度指标取值有两种观点,即非线性抗剪强度指标和线性抗剪强度指标,前者假设土体黏聚力c=0,后者则c≠0。筑坝堆石料块石颗粒较多、棱角分明、多呈松散堆积状,可用非线性抗剪强度指标表征其强度特征[19-21]。

非线性抗剪强度指标分析中,堆石料极限平衡状态下其滑动摩擦角可用如下公式表示[21]:

(2)

式中:φp为堆石料滑动面上的摩擦角,(°);σ1为堆石料剪切破坏时的大主应力,kPa;σ3为堆石料剪切破坏时的小主应力,kPa。

取筑坝堆石料三轴压缩下的破坏剪切强度作为堆石料土体的抗剪强度,结合式(2)可得不同围压下筑坝堆石料的滑动摩擦角,具体见表2。

表2 筑坝堆石料非线性抗剪强度指标汇总

由表2可知,筑坝堆石料滑动面上的摩擦角与围压相关性显著。随着围压的增大,其滑动摩擦角逐渐减小。分析其原因,增大围压后,随着剪切运动的持续进行,堆石料土体被逐渐压密,颗粒间的接触作用加强,块石间的接触挤压会造成颗粒破碎,导致土体浑圆度增加,摩擦效应减弱,故堆石料土体间的滑动摩擦角也逐渐减小。

2.3 变形特性分析

筑坝堆石料在三轴压缩下不仅会产生形状变化,还会产生体积变化,将三轴剪切后引起的体积变化(体积膨胀或收缩)统称为剪胀性。剪胀性是土体发生变形破坏的重要原因[22]。经三轴压缩后,筑坝堆石料体积变化特征见图3。

图3 筑坝堆石料三轴压缩下体积变化特征图

由图3可知,筑坝堆石料经三轴压缩后其体积变化特征主要表现为轴向变形及侧向变形。不同围压下,堆石料均发生轴向压缩变形及侧向鼓胀变形,并随着围压的增大,堆石料侧向变形逐渐减弱。分析其原因,低围压条件下对筑坝堆石料的侧向约束效果较弱,当施加轴向应力时,土体间的相互作用力致使其发生侧向变形,而此时的围压条件不足以限制其侧向运动,故低围压时堆石料的侧向变形量较大,变形特征较为明显。而当堆石料处于高围压状态下时,对其侧向约束作用明显加强,当施加轴向应力后,此时的围压足以抵抗堆石料的侧向变形,因此,随着围压的增大,堆石料其侧向变形量逐渐减小。

为进一步量化分析筑坝堆石料在三轴压缩下的变形特性,整理试验数据,可得筑坝堆石料体积应变εv与轴向应变εa关系曲线,具体见图4,图中设定剪缩为正,剪胀为负。

由图4可知,随着围压的增大,相同轴向应变对应下的体积应变也逐渐增大,以轴向应变εa=5%为例,随着围压的增大,其体积应变εv由200 kPa下的0.34%增长至1000 kPa下的2.87%。究其原因,低围压时,土体颗粒间孔隙较大,排水量较少,土样体积变化不明显,故体积应变较小,而随着围压的增大,土体被压密,土体颗粒间孔隙逐渐减小,孔隙水被排出,排水量增加,土样体积变化较为明显,因此,体积应变逐渐增加。

除此之外,不同围压下,在筑坝堆石料轴向应变的初始阶段(εa<5%),其体积应变均为正,土体发生剪缩,随着轴向应变增加,体积应变曲线出现拐点后向体积增大方向发展。当围压分别是200 kPa和400 kPa时,土体体积应变在轴向应变分别是6.31%与11.17%之后就变为负值,土体出现剪胀现象。当围压大于或等于600 kPa时,土体未出现剪胀,均表现为剪缩。因此,低围压下,土体先剪缩、后剪胀,中高围压下,土体以剪缩为主。其原因是,土体固结时整体呈压密状态,孔隙水被排出,随着轴向荷载的增加,土体体积减小,发生剪缩现象。当轴向荷载继续增大后,土体间的运动加剧,使土体体积呈体胀趋势,低围压不足约束其趋势,故剪切破坏后土体表现出剪胀特征。而中高围压可明显限制其土体间的运动趋势,因此,剪切破坏后土体颗粒仍表现出剪缩特征。

定义轴向应变与体积应变之比为应变比,图5是不同围压条件下应变比的变化规律。

由图5(a)可知,低围压下,应变比开始呈正值,且随剪切应变的增加先缓慢增大,达到一个极值点后出现突变,减小为负值,最后又缓慢减小逐渐趋于一个稳定的负值。对比突变点出现的位置,与图4中土体产生剪胀变形的轴向应变一致,因此可将突变点定义为土体由剪缩向剪胀转变的临界点。土体的体积应变由轴向应变和侧向应变共同构成,试验初始阶段,土样主要产生轴向应变,侧向应变较小,故应变比逐渐增大,土样以剪缩为主。当轴向变形发展到一定程度,侧向应变逐渐增大,且颗粒之间的翻滚更为强烈,体积应变以剪胀为主,此时应变比出现突变,变为负值。

由图5(b)可知,中高围压下,应变比随剪切应变的增加呈先减小后增大的趋势,且应变比总为正值,土样呈现剪缩状态。围压越大,土体应变比增大的趋势相对较为缓慢。

2.4 Rowe剪胀模型分析

目前,Rowe剪胀方程是研究土体颗粒剪胀性特征的基础。但该方程大多研究对象为砂土,对于筑坝堆石料研究尚少,故该方程对筑坝堆石料的适用性需进一步探讨分析。针对常规三轴剪切试验,Rowe剪胀方程可表示如下[23]:

(3)

式中:σ1为大主应力,kPa;σ3为小主应力,kPa;Kf为Rowe剪胀参数;dε1为轴向应变增量,%;dε3为侧向应变增量,%。

式(3)经变形后可得:

(4)

根据式(4),整理试验数据,可得筑坝堆石料剪胀参数Kf与轴向应变的关系曲线,具体见图6。

图6 剪胀方程参数Kf值与轴向应变关系曲线

由图6可知,筑坝堆石料在剪切初始阶段(εa<5%)时,Kf值离散特征明显,不同围压下Kf值均呈不规则形态分布,而随着剪切的持续进行,到剪切中后期(εa>5%),不同围压下的Kf值具有明显的归一化特征。分析其原因,筑坝堆石料剪切初始阶段的颗粒破碎使粗细颗粒发生不规则变形及不可逆滑动,使Kf值不稳定,随着轴向应变的增大,剪切空间减少,破碎后的细颗粒填充于土体孔隙中,粗细颗粒接触紧密,不易发生相对滑动,故Kf值趋于稳定。这与筑坝堆石料剪胀性变化规律基本一致,表明可用剪胀参数Kf值表征筑坝堆石料的剪胀变形特征。

3 筑坝堆石料变形机理分析与讨论

由上述研究可知,筑坝堆石料变形破坏与其剪胀性有关,而剪胀性受围压影响显著,因此,有必要分析不同围压条件下堆石料的剪胀变形机理。三轴压缩下筑坝堆石料力学行为响应见图7。

图7 三轴压缩下筑坝堆石料力学行为响应

由图7可知,围压是影响筑坝堆石料剪胀性的重要因素,而土颗粒相互接触后因应力集中而产生的颗粒破碎现象是土体剪切破坏的本因[17,24]。一方面,低围压条件下,土体随着剪切过程的进行而被逐渐压密,土颗粒接触后产生颗粒破碎现象,破碎后的细颗粒填充于粗颗粒间的孔隙中,使土体宏观状态表现为体积收缩。但低围压不足以造成颗粒破碎现象的持续发生及难以约束颗粒间的运动变化趋势,故剪切后期土体颗粒发生剪胀。另一方面,土体处于中高围压状态时,土颗粒间难以发生相对滑动,且颗粒间的接触更加紧密,颗粒破碎现象更加明显,因此,从剪切初期直至剪切破坏后,土体颗粒在宏观状态下均表现为体积收缩。

为进一步量化分析不同围压下颗粒破碎对筑坝堆石料剪胀性的影响,试验结束(轴向应变达15%)后,对筑坝堆石料进行再筛分处理,测定其粒径组成,并将破碎率Bg作为颗粒破碎程度的度量,分析其与堆石料剪胀性的关系,具体见表3。

表3 堆石料剪切破坏(εa=15%)时颗粒破碎与剪胀性的关系汇总

由表3可知,筑坝堆石料剪切破坏后其剪胀性受颗粒破碎影响显著。低围压下,筑坝堆石料剪切破坏后发生剪胀,围压不足以限制堆石料侧向运动是其主要原因。中高围压下,筑坝堆石料剪缩特征与颗粒破碎率呈正相关,随着颗粒破碎率的增大,堆石料剪缩特征逐渐明显。

可用剪胀率d=dεv/dε1表征堆石料土体的剪胀程度[1]。为更清楚说明剪胀率与围压、颗粒破碎率之间的关系,根据表3,可得不同围压及不同颗粒破碎下剪胀率的变化关系。具体见图8和图9。

图8 剪胀率与围压变化关系曲线

图9 剪胀率与颗粒破碎率变化关系曲线

由图8及图9可知,三轴剪切后,筑坝堆石料剪胀率与围压及颗粒破碎率密不可分,均随围压及颗粒破碎率的增大而逐渐减小。其中,当围压达到800 kPa及对应的颗粒破碎率后,剪胀率下降较快,分析其原因,围压较小时,筑坝堆石料颗粒破碎不明显,此时堆石料体变特征主要以剪胀为主,而随着围压的增大,土体被压密,土体间孔隙减小,颗粒破碎现象显著,此时体变特征以剪缩为主,故剪胀率明显下降。

综上所述,围压和颗粒破碎是筑坝堆石料在三轴压缩下发生变形破坏的重要影响因素。颗粒破碎是发生变形破坏的内在因素,破碎后的细小颗粒填充于土颗粒孔隙中,剪切破坏后堆石料在宏观上表现为剪缩。围压作为外在条件使筑坝堆石料发生不同程度的颗粒破碎,且颗粒破碎率越高,堆石料剪缩特征越明显。