豐土根,楊 貴,花劍嵐,劉漢龍

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京 210098;3.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司,江蘇南京 210022)

水電作為綠色可重復(fù)利用的能源受到極大的重視.根據(jù)規(guī)劃,到2020年,我國需開發(fā)水電1.7億kW.土石壩因能適應(yīng)復(fù)雜地形和地質(zhì)以及可就地取材等而在水電建設(shè)中受到高度重視[1].在西部大開發(fā)中,將修建100m級、200m級乃至300m級的高土石壩,如232m高的水布埡面板堆石壩、261.5m高的糯扎渡心墻堆石壩、293m高的兩河口心墻堆石壩等.這些工程由于壩高庫大,壩址所在地區(qū)地形、地質(zhì)條件復(fù)雜,環(huán)境惡劣,地震烈度高,一旦失事,將產(chǎn)生災(zāi)難性的后果.高壩設(shè)計中的應(yīng)力變形關(guān)鍵問題、高邊坡與深埋地下洞室等巖土工程問題都急需解決.大壩高度的增加將給現(xiàn)在所掌握的一般筑壩技術(shù)和設(shè)計理論帶來挑戰(zhàn).20世紀80年代以來,我國已經(jīng)在土石壩筑壩料研究方面取得很大進展,但由于壩高顯著變化、受力條件復(fù)雜以及以前研究條件的限制等原因,仍有許多問題的研究不夠成熟.為此,本文在總結(jié)國內(nèi)外土石壩建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)問題研究成果的基礎(chǔ)上,針對高土石壩建設(shè)的特點,著重討論高應(yīng)力條件下土石料的試驗方法、強度變形特性與本構(gòu)模型、長期變形特性、動力特性與本構(gòu)關(guān)系,土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性等關(guān)鍵問題,并探討進一步研究的方向和主要科學(xué)問題.

1 高應(yīng)力條件下土石料試驗方法

1.1 粗粒土組構(gòu)測試與定量分析方法

土石料作為一種散體材料,土顆粒間相互位置排列和粒間作用力對土石料的力學(xué)性質(zhì)有重要影響,許多問題都涉及土石料組構(gòu)問題.雖然人們很早就認識到散體材料的離散特征,然而依據(jù)實際物理現(xiàn)象構(gòu)建數(shù)學(xué)模型時,卻幾乎一直沿用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法.土石料組構(gòu)是指土顆粒組成和土顆粒的幾何排列方式,組構(gòu)研究的主要內(nèi)容是土顆粒的空間排列及相互作用的綜合特性.組構(gòu)研究大體分為3個階段[2],即組構(gòu)量的量化階段、力學(xué)效應(yīng)分析階段和組構(gòu)力學(xué)模型建立階段,關(guān)鍵在于解決組構(gòu)量的量化問題,這是建立組構(gòu)力學(xué)模型最基本的任務(wù).目前,由于解決組構(gòu)量的量化問題未能找到合適方法,組構(gòu)力學(xué)效應(yīng)分析和組構(gòu)力學(xué)模型構(gòu)建難于深入.雖然在某些方面取得了一些成果[3-6],但土石料組構(gòu)量與宏觀力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系仍處于未知狀態(tài).要改變目前組構(gòu)研究停滯狀態(tài),必須建立高效、便捷、精確的組構(gòu)測試方法,只有獲得了土石料的組構(gòu)信息,其他研究才成為可能.

目前用于組構(gòu)測試的方法通常有X線、掃描電鏡、透射電鏡等,對于土石料,要監(jiān)測受力變形過程中試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化,最為合適有效的技術(shù)應(yīng)該是計算機斷層X線技術(shù)(computerized tomography,CT).近年來,CT在巖土試驗中得到較為廣泛的應(yīng)用,主要用于研究巖體、膨脹土、紅黏土和非飽和土等的損傷演化[7-10].目前,采用CT進行土石料組構(gòu)研究的機構(gòu)還不多見,只是長江科學(xué)院的水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室在中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所的CT三軸儀上進行過探討性試驗,CT圖像非常清晰可靠,能夠準確地反映顆粒的位置和形態(tài).但該設(shè)備用于研究土石料組構(gòu)的最大不足是只能進行試樣橫向斷面掃描.在土石料三軸試驗過程中,軸對稱試樣中的土顆粒變位的主要方向是縱(軸)向,橫向斷面掃描難以反映試樣的組構(gòu)變化.實現(xiàn)縱向斷面掃描最大的難點是,不僅要求三軸壓力室側(cè)壁是非金屬的,而且要求提供軸向壓力的裝置(即液壓千斤頂)也是非金屬的.長江科學(xué)院自主研制的全非金屬三軸壓力室(包括非金屬液壓千斤頂)可以實現(xiàn)縱、橫向斷面掃描.

數(shù)值模擬是土石料組構(gòu)研究的另一重要手段,DEM法(distinct element method)是當前國內(nèi)外較為流行的數(shù)值方法,最初用于研究節(jié)理系統(tǒng)或多塊體在準靜力或動力條件下的力學(xué)問題,后由Cundall等[11]將其進一步推廣應(yīng)用于模擬顆粒介質(zhì)的力學(xué)行為.其基本原理是用最簡單的幾何形狀的離散單元來代表顆?；驂K體的真實幾何形狀,將散粒體分離成離散單元的集合,利用牛頓第二定律建立每個單元的運動方程,用動態(tài)松弛法迭代求解,從而求得散粒體的整體運動性態(tài).兩單元間法向和切向的作用力由假定的力與相對位移的關(guān)系確定.文獻[12-13]介紹了采用離散元法模擬砂土剪切試驗和堆石料動力試驗的情況.由于DEM法缺乏描述多體系統(tǒng)中顆?；驂K體受力后運動和接觸行為的完整運動學(xué)理論,因此,是否可以先通過小尺寸的室內(nèi)組構(gòu)與力學(xué)特性試驗研究,再通過DEM法數(shù)值模擬推廣應(yīng)用到現(xiàn)場實際級配土石料是非常值得探討的問題.

1.2 土石料縮尺效應(yīng)研究

縮尺效應(yīng)造成的室內(nèi)試驗成果與實際工程變形特性間的差異是土石料試驗研究的瓶頸問題.隨著大、重型振動碾壓機械的使用和擊實能量的提高,壩體填筑材料的最大允許顆粒已由原來的300～400mm提高到目前的600～800mm,而且隨著碾壓機械能量的加大,沖擊碾壓、填筑密度和最大粒徑還有提高的趨勢.王繼莊[14]對粗粒料試驗方法研究進行了回顧,通過D300mm,D100mm和D39.1mm系列三軸試樣對標準砂、砂礫石和2種碎石料的不同膠膜層厚、不同允許最大粒徑、制樣密度,以等壓固結(jié)排水剪的試驗方法測定變形參數(shù),從而對影響粗粒料變形特性和體積彈性模量的因素進行比較分析,得出了粗粒料試樣直徑D＜300mm時,對峰值強度的影響不太,但對其體應(yīng)變及變形參數(shù)則有不可忽視的影響的結(jié)論,并認為粗粒料的測試技術(shù)、試驗路徑、膠膜楔入等問題有待進一步研究.國內(nèi)外許多學(xué)者[15-16]研究過徑徑比(即最大允許粒徑與試樣直徑之比dmax/D)問題,目前的采用值為0.2.常用的級配模擬方法主要有3種:相似級配法、等量替代法和剔除法.相似級配法雖可保持原始級配不均勻系數(shù)及曲率系數(shù)不變,但卻使得細料含量增大,難免影響材料的工程性質(zhì);等量替代法雖可保持細料含量一定,但卻會造成粗顆粒含量均化,使粗細顆粒填充關(guān)系變差,亦會影響材料的工程性質(zhì);剔除法僅適用于超徑料含量較少的材料.由此可見,這3種方法都有其局限性.酈能惠等[17]在分析土石料強度與變形特性影響因素的基礎(chǔ)上,通過大量室內(nèi)對比試驗研究了3種粗粒料的強度與變形特性,以及室內(nèi)試驗縮制而產(chǎn)生的縮尺效應(yīng),建立了粗粒料的強度和變形參數(shù)與縮尺比(原級配最大粒徑/試驗級配最大粒徑)的關(guān)系式,通過外推得到原型土石料的強度和本構(gòu)模型計算參數(shù).由于受設(shè)備能力的限制,最小縮尺比仍然是較大的,這種外推方法可能是有風(fēng)險的.總體來看,縮尺效應(yīng)問題一直受到國內(nèi)外研究者的重視,但研究深度不足.

土石料的內(nèi)摩擦角隨顆粒尺寸的增大而增大,隨試樣尺寸的增大而減小,試驗過程中應(yīng)力水平對試驗結(jié)果也有較大影響,其影響程度超過試樣尺寸的變化影響.從偏于保守的角度出發(fā),用30 cm的試樣,相應(yīng)的最大粒徑6 cm進行三軸儀試驗,所得強度指標作為實際的大粒徑土石料的強度指標,是可以接受的[18].然而,大試樣與小試樣在應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線上的差異,對確定本構(gòu)模型參數(shù),對應(yīng)力變形計算結(jié)果會有什么影響,有多大影響,目前還不清楚.尺寸效應(yīng)對200～300m級高土石壩應(yīng)力變形的影響,實際上還沒有研究過.此外,大顆粒剔除后,不同的顆粒級配方法(相似級配法和等量替代法)會帶來怎樣的影響,也需要進行系統(tǒng)研究.

1.3 摻礫心墻料的固結(jié)試驗方法

近年來,我國的高土石壩得到迅猛發(fā)展,200m甚至300m級的高土石壩已經(jīng)在建設(shè)或規(guī)劃設(shè)計中.為減小心墻應(yīng)力拱效應(yīng),心墻料常采用摻礫黏性土.礫質(zhì)土心墻料中既含有顆粒較粗的碎石料,又含有大量的細粒黏性土.據(jù)統(tǒng)計,100m以上高土石壩中有70%的壩用這種土料作為心墻防滲料[19].在建和已建成的200m以上的高土石壩,用這種土料作為心墻防滲料的壩所占比例更高[20].摻礫黏性土顆粒大,進行強度變形試驗需采用大型三軸儀;但它又含有相當大比例的黏性土,滲透性較小.大試樣排水難,30 cm的大試樣進行三軸儀排水剪試驗,所需固結(jié)時間很長.若小試樣3.9 cm所需固結(jié)時間為1d,則30 cm試樣所需固結(jié)時間為60d.加偏應(yīng)力的時間也很長.這不僅滿足不了工程需要,而且長時間穩(wěn)壓,試驗機械也無法實現(xiàn).如何通過排水剪試驗獲得相應(yīng)強度和變形指標,目前尚無合理方法.

2 土石料強度變形特性與本構(gòu)模型

2.1 土石料顆粒破碎研究

目前,顆粒破碎的研究主要集中在顆粒破碎原因、形式及影響因素,顆粒破碎量的估算以及顆粒破碎對強度變形的影響等方面.Lee等[21-23]通過對堆石粗粒料在高圍壓下的三軸試驗發(fā)現(xiàn),顆粒破碎試驗材料的顆粒級配隨著外荷載的施加而逐漸變化,顆粒破碎的程度主要決定于原始試樣級配、顆粒破碎強度以及應(yīng)力水平.Marsal[23]從統(tǒng)計學(xué)角度對粗粒料顆粒進行了分類,定義了顆粒名義直徑、形狀系數(shù)、顆粒接觸點數(shù)、土體體積顆粒密度和面積顆粒密度等概念,導(dǎo)出了顆粒接觸點數(shù)、接觸點力、破碎應(yīng)力等的表達式.Miura等[24]也進行了顆粒表面積因素方面的研究.Hyodo等[25]通過對silica砂均勻級配和良好級配的一維高壓壓縮試驗(最大豎向壓力90MPa)發(fā)現(xiàn),級配不同顆粒破碎的性狀不同,壓縮系數(shù)也不同.顆粒破碎的量化應(yīng)該以顆粒的量化指標為基礎(chǔ),顆粒的量化類型主要有2種,即從顆粒群體統(tǒng)計角度入手和從單個顆粒角度入手,傳統(tǒng)的以顆粒直徑為控制的粒組描述方法是從顆粒群體角度入手的.Federico[26]從統(tǒng)計角度量化了顆粒土體的顆粒結(jié)構(gòu),對單個顆粒從形態(tài)學(xué)、幾何學(xué)、能量學(xué)等多方面進行描述,采用的指標主要包括粒徑、長徑、短徑、體態(tài)豐度等指標.對于顆粒破碎的研究,目前主要還是先從顆粒群體角度用直徑進行度量,然后定義相應(yīng)的顆粒破碎指標.顆粒破碎對強度的影響較大,因而研究相對較多.Marsal[23]進行了圍壓高達2.5MPa不同壩殼料的三軸剪切試驗,發(fā)現(xiàn)隨著圍壓的增大,摩爾庫倫強度包線明顯地非線性下彎.這說明高圍壓下顆粒破碎加劇,將造成土體抗剪強度進一步降低.Maksimovic等[27-28]通過對粗粒料抗剪強度的研究,得到了與以上類似的結(jié)論,同時Marcu等[28]指出抗剪強度的降低將影響到土石壩邊坡的穩(wěn)定.

郭慶國[29-30]采用標準砂進行了三軸剪切試驗,發(fā)現(xiàn)當圍壓達到1.5MPa時,顆粒破碎明顯加強,摩爾圓抗剪強度包線也在此壓力之后明顯彎曲.吳京平等[31]對人工鈣質(zhì)砂進行了三軸剪切試驗研究,發(fā)現(xiàn)顆粒破碎的發(fā)生使鈣質(zhì)砂剪脹性減小,體積收縮應(yīng)變增大,峰值強度降低.劉漢龍等[32-33]通過試驗并結(jié)合大量已有資料歸納出粗粒料顆粒破碎量與三軸剪切峰值內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系.魏松等[34]對某花崗巖粗粒料進行了大量的三軸顆粒破碎試驗,研究了不同應(yīng)力狀態(tài)下以及濕化引起的顆粒破碎情況.Naylor等[35]在研究高達48m的模型壩Beliche Dam施工填筑時發(fā)現(xiàn),顆粒破碎引起了土體靜止側(cè)壓力系數(shù)(K0)的增加和蠕變的逐漸加大.汪明元等[36]指出,顆粒破碎是粗粒料流變的一個重要因素.梁軍等[37-38]進行了粗粒料的流變顆粒破碎試驗,發(fā)現(xiàn)隨著流變的發(fā)展,顆粒破碎量也在逐漸增加.王輝[39]的研究表明,粗粒料浸水濕化時顆粒會破碎.魏松[40]對濕化變形過程中的顆粒破碎進行了深入研究.到目前為止,顆粒破碎對濕化變形影響的定量分析還未見報道.

2.2 復(fù)雜應(yīng)力條件下土石料強度變形特性與本構(gòu)模型

隨著土石壩高度量級的增加,土石料所受壓力逐步增大.例如300m高的土石壩,其壓力將達到6MPa以上,圍壓也將達到3MPa以上.由于當圍壓和水壓較高以及應(yīng)力路徑發(fā)生變化時,土石料的顆粒結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化,因此其壓縮變形特性試驗研究以及在此基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的本構(gòu)模型將顯得非常重要.土石料存在顯著的各向異性,其變形特性受應(yīng)力路徑與應(yīng)力歷史的影響較強.實際上,土是彈塑性體,而塑性變形與過程相關(guān).任何一個方向的應(yīng)力變化都將產(chǎn)生塑性功,應(yīng)力路徑不同,所做塑性功不同,所產(chǎn)生的塑性應(yīng)變也有所不同.常規(guī)三軸試驗為軸對稱加載條件,而實際工程的應(yīng)力條件復(fù)雜,不少接近平面應(yīng)變情況.例如,堆石壩應(yīng)力條件先后經(jīng)歷3個階段:填筑期相當于等主應(yīng)力比的簡單加荷過程;蓄水期水位反復(fù)升降相當于加荷與卸荷過程;運行期則存在蠕動變形情況.這些應(yīng)力條件與常規(guī)三軸試驗下的應(yīng)力條件相差較大.因此,有必要開展粗粒料在復(fù)雜應(yīng)力路徑下變形特性的研究,為建立符合實際的本構(gòu)模型提供依據(jù).

土存在顯著的各向異性,許多學(xué)者都已注意到了這一點,然而還沒有引起足夠的重視.常用本構(gòu)模型都不能準確反映這一點.真三軸儀試驗表明,從小主應(yīng)力方向加荷,所引起的各向變形,遠小于從大主應(yīng)力方向加荷所產(chǎn)生的相應(yīng)變形.各常用本構(gòu)模型都是依據(jù)常規(guī)三軸儀試驗,從大主應(yīng)力方向連續(xù)加荷的試驗結(jié)果來建立并確定參數(shù)的.對土石壩來說,水荷載無論作用在混凝土面板或混凝土防滲墻上,還是土質(zhì)防滲心墻上,都是從小主應(yīng)力方向施加的.這無疑會使計算產(chǎn)生不小的誤差,甚至?xí)⒒炷撩姘逯械膲簯?yīng)力算成拉應(yīng)力.此外,由于碾壓壩體材料還存在初始的各向異性,采用不考慮各向異性的常用模型,對土石壩應(yīng)力變形的計算結(jié)果會有多大影響,如何改進,是一個亟待解決的問題.另一個問題是:土體的剪脹剪縮特性會顯著影響側(cè)向變形,而水壓力作用下土體側(cè)向變形的大小對混凝土防滲墻、土質(zhì)心墻、混凝土面板中的應(yīng)力都有重要影響.土體的側(cè)向膨脹變形,會使得防滲體后面鄰近的土體在水壓力作用下有沿防滲體縱向張拉的趨勢,進而引起防滲體內(nèi)該方向上的拉應(yīng)力.土體剪脹性愈強,這一因素所對應(yīng)的防滲體內(nèi)拉應(yīng)力愈大.當然,水壓力還會直接導(dǎo)致防滲體內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力.可見土體的剪脹性對防滲體應(yīng)力變形有著重要的影響.目前已有不少模型,如南水模型、橢圓拋物雙屈服面模型等,可以同時反映剪脹和剪縮性,但復(fù)雜受力條件下所反映的剪脹和剪縮性是否合理,參數(shù)如何確定才更符合實際,都有待通過試驗深入研究.

關(guān)于粗粒土本構(gòu)模型,國內(nèi)做了一些研究.如司洪洋等[41-42]對鄧肯模型的應(yīng)用及其參數(shù)確定問題進行了研究,但其研究只局限于粗粒土的大型普通三軸試驗,所得到的僅僅是軸對稱三軸應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變特性,對粗粒土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的性質(zhì)幾乎沒有涉及.實際上,大壩處于三維受力狀態(tài),即使處于平面應(yīng)變狀態(tài),其應(yīng)力應(yīng)變特性也與軸對稱的普通三軸應(yīng)力狀態(tài)有較大差別.因此,進行粗粒土的真三軸試驗,揭示復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下粗粒土的應(yīng)力變形性質(zhì),準確了解粗粒土的力學(xué)行為,從而為準確預(yù)測土石壩的工作性態(tài)提供更為可靠的本構(gòu)模型是十分必要的.

3 土石料長期變形特性

3.1 土石料長蠕變特性

若干堆石壩的運行實態(tài)和原型觀測結(jié)果表明,壩體在建成蓄水后,其變形并未結(jié)束,在一定時期內(nèi)仍然發(fā)展,這說明堆石具有流變性質(zhì)[43-44].一個典型的實例就是羅馬尼亞里蘇壩[45],高約60m,水庫運行2a后,由于左岸壩肩面板與趾板間產(chǎn)生顯著相對位移,導(dǎo)致周邊縫止水的破壞,漏水逐漸加大.滿庫運行4a后,靠近右岸壩肩面板產(chǎn)生了一系列主要裂縫,采用彈塑性應(yīng)力應(yīng)變模型的有限元分析已不能有效地解釋這一現(xiàn)象,只有采用與時間效應(yīng)有關(guān)的流變模型才能將里蘇壩所測到的事故反映出來.國外還有關(guān)于堆石的流變效應(yīng)引起混凝土護面局部碎裂的實例[44],而且在大多數(shù)情況下堆石的流變在現(xiàn)場觀測中都表現(xiàn)得比較明顯.國內(nèi)一些地方利用巖性單一的軟巖或多種巖性軟硬相兼的石碴料作為壩體土石料,這些材料的蠕變性也是比較顯著的[46].堆石體蠕變的機制、規(guī)律及其影響因素以及相應(yīng)的蠕變計算模型等是必須研究的課題.

目前,堆石體流變的研究雖然取得了一些成果[47-49],但仍存在如下2個問題:(a)試驗做得較少.長江科學(xué)院、南京水利科學(xué)研究院做了一些試驗,但維持時間較短,土石料大三軸儀試驗,能保持長期荷載不變的很少.(b)一些流變計算方法[50-51]還缺乏實際檢驗,參數(shù)確定更是沒有把握.因此,研制適應(yīng)長期加荷要求的大型高壓長期變形試驗儀,開展長期變形特性試驗,建立反映實際的長期變形模型,并實現(xiàn)有限元數(shù)值全仿真模擬很有必要.

3.2 浸水變形和干濕循環(huán)問題

降雨造成的浸水變形、干濕循環(huán)和水位變動引起的荷載循環(huán)也是引起后期變形的一個重要原因.土石料浸水濕化時產(chǎn)生的變形,會導(dǎo)致壩體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生變化,從而會產(chǎn)生不利于壩體安全運營的應(yīng)力調(diào)整和變形[39,52].如:心墻壩,浸水變形往往使壩頂發(fā)生橫向的伸長變形而造成縱向裂縫;混凝土面板堆石壩,下游尾水或壩頂雨水侵入造成的壩體土石料的濕化變形將影響面板的應(yīng)力及周邊縫的變位,嚴重的會造成面板開裂,使防滲設(shè)施失效[53].在土石壩粗粒料由于環(huán)境或運行條件的改變所造成的干濕循環(huán)過程中,壩體的工后變形對大壩安全運行影響較大.從目前國內(nèi)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,也不乏由于濕化變形危害壩體安全甚至造成潰壩的例子,如委內(nèi)瑞拉的埃爾伊西羅壩蓄水后下游壩坡出現(xiàn)縱向裂縫,墨西哥的英菲爾尼羅壩(1964年)蓄水后引起壩頂快速下沉和向上游變位.如果因降水或滲漏使堆石體濕化甚至飽和,有可能產(chǎn)生較大的濕陷變形.三軸儀浸水變形試驗有直接和間接2種方法[54-55].前者指加載到一定的應(yīng)力狀態(tài)浸水直接得到浸水變形,但這種試驗相對復(fù)雜而且工作量大;后者指進行干、濕2種狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變試驗,用同一應(yīng)力下的2種狀態(tài)應(yīng)變之差作為浸水變形,其誤差較大.雖然關(guān)于浸水變形和干濕循環(huán)問題的研究[40,56-58]已經(jīng)做了不少,但究竟如何進行合理的浸水變形試驗,考慮浸水后干燥再浸水的干濕循環(huán)影響還是值得研究的.

另外,關(guān)于復(fù)雜應(yīng)力條件下的粗粒料濕化變形如何計算模擬的問題,目前還未得到很好的解決.因此,粗粒料的浸水濕化和干濕循環(huán)變形,是目前高土石壩設(shè)計中急需解決的關(guān)鍵問題之一.

4 土石料動力特性與本構(gòu)關(guān)系

4.1 土石料動力強度變形特性

由于大多數(shù)高土石壩位于我國西南和西北高烈度地震區(qū),高壩設(shè)計必須注意抗震問題.動力分析的基礎(chǔ)是材料的動力特性,因此土石料動力特性及其本構(gòu)關(guān)系研究尤為重要.土石料的動力特性試驗包括動強度和動變形.動強度試驗是為了確定土石料的動強度指標.動強度指的是試樣在某循環(huán)動周次Nf下,使試樣達到某破壞標準的等幅動剪應(yīng)力值.在土石壩抗震穩(wěn)定分析中,通常規(guī)定軸向應(yīng)變達到5%為破壞標準.動力變形特性試驗測試的內(nèi)容包括最大剪切模量Gmax、動剪模量G及阻尼比D隨動剪應(yīng)變γ的變化關(guān)系.土石料的動本構(gòu)模型與靜本構(gòu)模型一樣也包括黏彈非線性模型和彈塑性模型2種類型.但與靜力分析不同的是動力彈塑性模型由于模型理論和參數(shù)確定的復(fù)雜性,還遠遠未達到工程應(yīng)用的程度,因此,實際工程廣泛使用的仍然是黏彈性模型[59].目前的研究還是集中在對黏彈性模型的改進和提高方面[60-61].與靜力問題類似,高土石壩動力特性試驗研究中面臨的主要問題仍然是縮尺效應(yīng)問題.如何修正黏彈性模型和如何選取合理的模型參數(shù)等是值得進一步研究的課題.

4.2 加筋土石料的動力強度變形特性

壩頂加速度放大作用是高土石壩抗震的一個重要問題.對于處于地震設(shè)防烈度較高的兩河口300m級的高壩,由于壩體的動力放大作用,壩體上部的地震加速度較下部大,在壩頂附近地震加速度最大,因此抗震設(shè)計時考慮壩體上部約40m范圍的堆石體內(nèi)每2m鋪設(shè)1層土工格柵,以提高壩體上部的抗震性能.如何評價土工格柵加筋的效果也是一個非常值得研究的課題.加筋土的靜力特性研究國內(nèi)外已取得不少成果[62-64],但加筋土石料的動力特性研究還是空白.加筋能夠明顯限制土體的側(cè)向變形,增加壩體的整體性.在土石壩抗震分析時,對每層筋材進行模擬工作量太大且會遇到眾多的動力接觸面問題,因此,進行地震作用下加筋土石料綜合特性的研究很有必要.

4.3 地震永久變形問題

地震永久變形是土石壩抗震設(shè)計的一個重要內(nèi)容.早在1965年,Newmark就建議采用地震永久變形作為土石壩抗震穩(wěn)定性的評價標準.即使抗震計算得到的壩體安全系數(shù)滿足規(guī)定的要求,在一定強度的地震作用下,壩體安全系數(shù)可能在某一個時段瞬時小于1,但并不意味著壩體將完全破壞,實際上只要地震作用后壩體的變形在允許的范圍內(nèi),可認為壩體是安全的,根據(jù)地震永久變形的大小和分布能夠判斷壩體的抗震性能與抗震穩(wěn)定性,因此采用地震永久變形作為壩體的抗震穩(wěn)定性評價標準比采用單一的安全系數(shù)作為壩體的抗震穩(wěn)定性評價標準更為合理.

永久變形計算包括滑動體變形和整體變形分析2個部分.滑動體變形分析方法是Newmark基于極限平衡理論提出來的,該方法假設(shè)永久變形是由于滑動土體沿著最危險的滑動面在地震荷載作用下發(fā)生瞬態(tài)失穩(wěn)時的滑動位移所產(chǎn)生的,當土體內(nèi)某一點加速度超過材料的屈服加速度時,沿破壞面就會發(fā)生滑動,加速度減去屈服加速度積分2次就得到永久位移.Markdisi等[65-66]對Newmark法進行了改進.整體變形分析方法將地震前后壩體及其地基均假定為連續(xù)體,土的本構(gòu)關(guān)系采用通常的黏彈性模型,先通過室內(nèi)試驗得到殘余應(yīng)變模型,再按照連續(xù)介質(zhì)理論進行計算.從永久變形產(chǎn)生機制來看,這類方法又分為2種:(a)軟化模量法.該方法認為地震荷載作用下土體發(fā)生軟化,靜剪切模量降低,從而產(chǎn)生不可恢復(fù)的殘余變形,地震永久變形等于按降低的剪切模量所算得的靜應(yīng)變與地震前靜應(yīng)變之差.這種方法是由Lee提出來的,后來Serff等[67]又提出了初步近似估算法、線性修正模量法、非線性修正模量法.(b)等效結(jié)點力法[68].該方法認為地震荷載對變形的影響可用一組作用于單元結(jié)點上的靜結(jié)點力(即等效結(jié)點力)代替,按照試驗確定的動應(yīng)力與殘余變形關(guān)系曲線進行計算,地震永久變形即為在等效結(jié)點力作用下產(chǎn)生的附加變形.

目前的整體變形計算方法,大多只考慮剪切變形,考慮體積變形的較少,而實際上體積變形的影響是很大的,但過去體積變形的測試方法精度不夠.因此,開展土石料振動三軸試驗研究,精確測試體積變形,建立同時考慮剪切變形和體積變形的地震永久變形分析方法是迫切需要解決的一個問題.

5 土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性

混凝土防滲墻、混凝土面板是土石壩設(shè)計中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu),它們與土共同作用承受荷載.土與混凝土防滲墻、混凝土面板之間接觸面的變形特性及模型,對混凝土防滲體的計算應(yīng)力有很大影響,接觸面特性的研究,包括模型及其參數(shù)合理選用非常重要.用直剪試驗配合無厚度的Goodman單元雖然可以模擬土與混凝土的錯動滑移,但不能反映法向變形,所得法向應(yīng)力常常會出現(xiàn)較大誤差.國外Potyondy[69]最早采用直剪儀研究了土與混凝土接觸面的力學(xué)特性,Clough等[70]建立了直剪試驗的剪應(yīng)力與剪切位移的非線性彈性本構(gòu)關(guān)系.國內(nèi)殷宗澤等[71-73]研究了細粒土與混凝土、砂與鋼板等接觸面力學(xué)性質(zhì),盧廷浩等[74]對薄層單元接觸面模型應(yīng)用問題進行了研究.近年來,張嘎等[75-76]對粗粒土與結(jié)構(gòu)物接觸面靜力特性、循環(huán)剪切特性進行了研究,周小文等[77]進行了混凝土面板與墊層間接觸面的單剪試驗研究,王偉[78]基于能量耗散理論建立了接觸面三參數(shù)模型.在壩體填筑和庫水位升高、下降的過程中,防滲體與土(河床覆蓋層)接觸面的受力變形很復(fù)雜,應(yīng)力路徑也是變化的,接觸面性質(zhì)對防滲體結(jié)構(gòu)受力變形和功能發(fā)揮有重要影響,甚至?xí)苯佑绊懙酱髩蔚陌参?

至今,防滲體與土接觸面力學(xué)特性的研究較少,未弄清接觸面應(yīng)力變形與強度特性,還沒有建立人們普遍認可的接觸面本構(gòu)模型.由于接觸面應(yīng)力路徑的研究有重要學(xué)術(shù)價值和工程背景,研究成果可以推進理論發(fā)展,指導(dǎo)工程實踐,因此,進行防滲體與土接觸面應(yīng)力路徑單剪試驗研究,很有必要,也很迫切.

6 結(jié) 論

高土石壩建設(shè)是我國當前水電建設(shè),特別是西部優(yōu)勢能源開發(fā)利用的關(guān)鍵.即將興建的世界一流的兩河口水電站工程,需要相應(yīng)的突破傳統(tǒng)概念和方法的新的一流研究成果的科技支撐.針對上述復(fù)雜應(yīng)力條件,進行土石料工程特性和變形規(guī)律的系統(tǒng)研究,建立相應(yīng)的理論和分析方法,解決高土石壩顆粒破碎特性、土石料長期變形特性、土石料強度變形特性、土石料動力特性、接觸面力學(xué)特性和防滲體滲透特性研究等難題,并開展相應(yīng)的數(shù)值理論分析,保證高土石壩安全與長期穩(wěn)定性,對高土石壩建設(shè)有重要的推動作用.

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