土石壩粗粒土料濕化變形的原因及解決措施

1粗粒土料濕化變形特性在過去的10年里，中國的水庫工程（尤其是高壩）取得了很大的發(fā)展。目前在建和擬建的高100~200m量級的土石壩已有10座以上。隨著西部大開發(fā)的逐步深入,土石壩因其對復雜地質條件的良好適應性將成為未來數十年的重要壩型。在高土石壩的設計中粗粒土料的蓄水濕化變形是急需解決的重要問題之一。從目前國內外已建成的土石壩的監(jiān)測資料看,土石壩在蓄水后的變形是不可忽視的。對于心墻壩,輕者使在壩頂產生濕陷裂縫,嚴重的會造成壩肩等重要部位產生深度裂縫,甚至形成滲漏通道,威脅壩體安全;對于混凝土面板堆石壩,下游尾水或雨水入滲等引起的壩體堆石的濕化變形將會影響面板的應力及周邊縫的變位,嚴重的會造成面板的開裂,使防滲設施失效。目前,大多學者都認為,所謂粗粒土料的濕化變形是指粗粒土料在一定的應力狀態(tài)下浸水,由于顆粒之間被水潤滑以及顆粒礦物浸水軟化等原因而使顆粒發(fā)生相互滑移、破碎和重新排列,從而發(fā)生變形,并使土體中的應力發(fā)生重分布的現象。這種變形是在應力狀態(tài)不變時土由干變濕所發(fā)生的變形。若要在設計時準確地預估未來壩體堆石的濕化變形以及由此而引起的壩體應力變形狀態(tài)的改變,必需準確了解濕化變形的特性。對于粗粒土料濕化變形的試驗研究,一般是在常規(guī)試驗儀器上進行。試驗方法主要包括單向壓縮濕化試驗、各向等壓下的濕化試驗、常規(guī)三軸濕化試驗。這些試驗中三軸試驗的應力狀態(tài)相對復雜,其試驗結果用于研究濕化變形的規(guī)律更具一般性,本文對某粗粒料進行常規(guī)三軸應力條件下的濕化變形試驗。利用自行改進的電子萬能試驗機,與GDS液體壓力控制器和中型三軸儀結合,對某壩壩體的粗粒土料進行了不同圍壓和濕化應力水平下保持應力狀態(tài)不變的三軸濕化變形試驗。這里,濕化應力水平是指當試樣由干態(tài)剪切到某一應力狀態(tài)后進行浸水飽和濕化時干樣的應力水平。通過對試驗結果的分析,歸納了粗粒土料濕化變形的一般規(guī)律,對單、雙線法的試驗結果進行了比較,建議了“改進的雙線法”,同時提出了最大濕化應力水平的概念,并利用該概念對試驗結果進行了剖析。2試驗儀器、材料和方法2.1改進后的試驗特點為了解決保持濕化時的應力狀態(tài)不變和實現從干到濕引起的濕化體變量測所需要的精度這兩個問題,筆者對現有儀器進行了如下改進:(1)采用電子萬能試驗機來控制軸向力和位移,對試驗控制程序采用了數據跟蹤技術,根據試樣濕化中的尺寸變化及時修正施加于試樣的外力,從而達到濕化前后試樣所處的應力狀態(tài)保持相同;(2)采用了精度較高的GDS液體壓力控制器來施加試樣的圍壓,同時測得進出壓力室的水量即為試樣的體變(需扣除壓力室變形及導軸的體積),解決了干樣剪切時體變難于測量的困難;(3)通過計算機語言實現了電子萬能試驗機和GDS液體壓力控制器數據同時采集及跟蹤。改進后本套設備的主要特點有:(1)精度高。電子萬能試驗機所控制的軸向力和位移的精度分別為1N和0.001mm,GDS液體壓力控制器所控制的壓力和體變的精度分別為1kPa和1mm3;(2)自動化程度高。在進行三軸濕化試驗時,除了加水濕化時需要人工操作外,包括數據采集在內的其他工作都由計算機自動控制完成;(3)可實現多種應力路徑的試驗。由于在程序設計中,對試驗控制采用了分階段進行的方法,可以對軸力、圍壓同時進行跟蹤控制,因此試驗時可以設定加載、卸載或循環(huán)加載等不同的應力路徑。2.2試樣制備和安裝采用了中型三軸儀進行試驗。試樣直徑為101mm,高200mm。試驗所用粗粒土料最大粒徑為20mm,巖性為新鮮和微風化花崗巖,顆粒為粒狀,棱角尖銳。為了防止土料在水壓力下直接刺破橡皮膜,采用了內一層標準厚橡皮膜先包裹試樣,然后再套一層定制厚1.2mm的橡皮膜。試樣在壓力室底座上直接制備,綁扎和安裝時盡量減少對試樣的擾動。試樣的基本物理指標見表1,圖1為顆分級配曲線。試驗時,先把土樣風干,按試驗設計級配配料,拌拌均勻,試料分5層填至制樣筒,振搗至控制密度,并將試樣頂面整平。為了防止振搗后細顆粒與大顆粒離析,制樣時每層預留少量細土撒于頂面。制樣完成后,安裝試樣,在一定的圍壓下,等向固結至穩(wěn)定,然后開始進行三軸排氣剪切試驗。當各試樣在達到設計的濕化應力水平時,保持應力狀態(tài)不變,從試樣底部向頂部浸水飽和濕化。浸水后,當軸向變形和體積變形同時達到穩(wěn)定后認為濕化完成,繼續(xù)對試樣進行三軸剪切試驗,直到試樣破壞。試驗剪切速率為0.1mm/min。本次試驗共進行了圍壓σ3分別為300,600,900,1200kPa和應力水平S分別從低到高共4級下的三軸濕化試驗,同時也進行了以上4種圍壓下的干態(tài)(即風干狀態(tài))和濕態(tài)(即飽和態(tài))的三軸剪切試驗。3試驗結果與分析3.1濕化應力-應變關系及圍壓關系根據以上三軸濕化變形試驗,可以得到了不同應力水平S下的濕化變形的軸向應變(簡稱軸變)?ε1w和體積應變?εvw量,見表2,繪出濕化應力水平與相應的濕化應變量關系圖(圖2)。圖3~6給出了圍壓分別為600kPa和1200kPa不同濕化應力水平下的三軸濕化應力-應變和體變關系曲線,圖中每條曲線上箭頭所標示的位置分別為濕化開始點和濕化結束點(即繼續(xù)剪切點),中間直線段為由于濕化所產生的變形量。本文中軸變以壓縮為正,體變以剪縮為正,反之為負。3.2濕化應力水平的變化由表2和圖2~4可見,本組濕化試驗結果有以下規(guī)律:(1)在同一圍壓σ3下,濕化時應力水平S越大,濕化軸變?ε1w越大(如圖2~4中(a)),而濕化體變?εvw隨濕化應力水平S的增加而減小,見圖2~4中(b)圖。當濕化應力水平大約為0.7~0.8時,濕化軸變曲線出現曲率最大點,此后?ε1w隨著S快速增加,見圖2(a)。當濕化應力水平為0~0.7時,?εvw變化不大,而當S大于0.7~0.8后,?εvw曲線也出現曲率最大點,呈現快速減小的趨勢。同時可看出,當圍壓低、而濕化應力水平較高時,試樣濕化產生了濕脹,如圖2和圖3中的(b)圖所示。(2)在不同圍壓σ3與相近濕化應力水平下,當濕化應力水平不高時,?ε1w隨圍壓的增大而增大;而當濕化應力水平較高時,?ε1w隨圍壓的增大而有減小的趨勢;而?εvw隨圍壓的增大而增大(圖2)。(3)通過表2中的數據可以發(fā)現,隨著濕化應力水平S的增大,濕化體變與濕化軸變的比值由3左右逐漸減小,S從0~0.35左右減小最快,其后變化平緩。當濕化應力水平約大于0.35后,在相同的濕化應力水平下,低圍壓下的比值小于高圍壓下的比值。同時,在小圍壓下由于出現濕脹使得高濕化應力水平時得到的比值甚至小于0,見圖5。以上規(guī)律在文獻中也有出現。分析原因,可能與土體的粗粒土料的剪脹性和試樣的各向異性有關。(4)由試驗所得的應力-應變曲線(圖3~4)可以看出,當試樣濕化完成后繼續(xù)剪切時應力-應變曲線呈近似線性上升,然后再次轉為雙曲線型,這一現象類似與三軸試驗時的卸載回彈,這種現象可以用彈塑性理論進行如下解釋:由于濕化變形為塑性變形,濕化后的土體相當于應力狀態(tài)未變、而對應于塑性變形的屈服面已經向外擴大到新的位置,從而成為該應力狀態(tài)下的歷史最大屈服面,故此時的應力狀態(tài)點相當于處于彈性區(qū),當再次加載時,相當于在彈性區(qū)加載,先彈性變形到屈服面,再產生彈塑性變形,所以三軸試驗時應力-應變曲線呈現出近似線性上升后,再轉為雙曲線型現象。3.3曲線對比及結果在土石壩濕化變形的計算中,基本上采用單線法或雙線法?！半p線法”是指分別進行干態(tài)和濕態(tài)下的等圍壓三軸剪切試驗,再用相同應力狀態(tài)下的濕態(tài)與干態(tài)變形的差值作為該應力狀態(tài)下的濕化變形量。所謂“單線法”是指在干態(tài)下剪切到某一應力水平,然后保持應力狀態(tài)不變浸水濕化,此過程中發(fā)生的變形即為該應力狀態(tài)下的濕化變形量。一般認為單線法的濕化變形較雙線法要大。圖6和圖7繪出了圍壓為900和1200kPa下干態(tài)、濕態(tài)土樣的三軸剪切試驗的應力-應變-體變關系曲線,同時也給出了由單線法試驗濕化結束時的應力-應變-體變點連接而成的曲線,以下稱為“單線法曲線”。根據單線法和雙線法的定義,雙線法的濕化變形是指相同應力狀態(tài)的濕態(tài)剪切曲線與干態(tài)剪切曲線的應變之差,而單線法的濕化變形是指相同應力狀態(tài)的單線法曲線與干態(tài)剪切曲線的應變之差。圖6,7中也給出了前述濕化應力水平S=0濕化后三軸剪切試驗(以下稱“S=0濕化剪切”)的應力-應變-體變關系曲線。由圖6和圖7的(a)圖可見,單線法的濕化軸變較雙線法大,而單線法曲線與S=0濕化剪切曲線更接近;對于軸變體變圖6和圖7的(b)圖,單線法的濕化體變較雙線法大,單線法曲線介于S=0濕化剪切曲線和濕態(tài)剪切曲線之間。從應力路徑與濕化過程來看,單線法與實際情況更接近,故單線法試驗得到的濕化變形應該更接近實際情況。根據以上試驗結果可見,采用雙線法所得到的濕化軸變、體變都偏小,這對于變形的預測是偏于不安全的。因此,在條件允許的情況下應采用單線法試驗結果計算濕化變形。但是,進行單線法試驗對儀器要求較高,而且耗費較大。通過本文試驗結果,S=0濕化剪切曲線與單線法曲線相比軸變相近、體變稍大,所以筆者建議,在單線法試驗條件不具備的條件下,可采用S=0濕化剪切的曲線與干態(tài)剪切試驗曲線在相同應力狀態(tài)下的應變差值作為該應力狀態(tài)下的濕化變形值,本文稱為“改進的雙線法”,雖然該法得到的濕化體變稍大,但對于變形的預測是偏于安全的、合理的。這里需要指出的是,如果采用“雙線法”的濕化應力水平對土體的濕化后強度沒有影響的假定,S=0濕化剪切曲線和濕態(tài)剪切曲線的應變差值應為S=0濕化產生的應變值,即圖6、圖7中所示的軸向附加應力為0時S=0濕化剪切曲線的應變增量。從圖6、圖7的(b)圖可看出,圍壓為1200kPa的S=0濕化剪切體變-軸變曲線和濕態(tài)剪切體變-軸變曲線較接近平行,而900kPa的誤差隨軸變的增加而稍有增加。分析認為后者的偏差與試驗中的誤差有關。由于“雙線法”假定了濕化應力水平對土體的濕化后強度沒有影響,“改進的雙線法”中仍然采用此假定。相對于“雙線法”所需進行的試驗及所需設備,“改進的雙線法”無需增加任何設備和試驗,只需在進行濕態(tài)的三軸試驗時采用S=0濕化試驗的方法同時測記濕化變形即可。3.4最大濕化應力水平在前面的一般規(guī)律中發(fā)現:當濕化應力水平較高時濕化軸變?ε1w隨圍壓的增大有減小的趨勢。這似乎與人們的常規(guī)理解不太一致。在文獻中也出現了相同的情況,筆者認為這是符合土體濕化變形性質的,原因見下述。在分析上面現象的原因之前,先引進“最大濕化應力水平”的概念。所謂“最大濕化應力水平”是指當在某一圍壓的某一應力水平下進行濕化時,若由于濕化而剛好造成試樣破壞,即濕化時的強度為濕化后試樣的最大強度,此時的濕化應力水平就稱為該圍壓下的最大濕化應力水平(用Sf表示)。假定在相同圍壓不同應力水平下濕化后土體的峰值強度相等,也等于相同條件下濕樣的峰值強度(這與大多學者計算時采用了干、濕兩套參數的假設相同)。當采用線性抗剪強度指標時,令干態(tài)時試樣的抗剪強度指標為Cd、φd,濕樣為Cw、φw。一般情況下,Cd>Cw,φd>φw。在三軸試驗條件下,對于某一圍壓,根據最大濕化應力水平的定義及摩爾-庫侖準則,可以得到:式中(σ1-σ3)d和(σ1-σ3)w分別表示σ3下干態(tài)試樣和濕態(tài)試樣的峰值軸向附加應力。根據式(1)可知,Sf隨著圍壓而變化。當σ3增大時,Sf也會逐漸增大,當σ3無窮大時Sf=1。所以,若在相同的高應力水平S下進行濕化,低圍壓的試樣有可能發(fā)生或接近濕化破壞,從而產生較大的濕化變形,而對應的高圍壓下的試樣則濕化變形相對不大。可見,在土體發(fā)生濕化時會出現當濕化應力水平較高時濕化軸變?ε1w隨圍壓的增大而有減小趨勢的現象,這種現象是符合土體濕化變形性質的。4土體濕化變形性狀的穩(wěn)定性粗粒料的濕化變形試驗研究是一種較復雜的、對儀器精度要求較高的試驗研究。本文利用改進的儀器對