程 博,劉斌云,李海芳

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京 100124;2.中國水利水電科學(xué)研究院巖土所,北京 100148)

兩河口堆石壩堆石料蠕變特性試驗研究

程 博1,劉斌云1,李海芳2

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京 100124;2.中國水利水電科學(xué)研究院巖土所,北京 100148)

針對堆石料蠕變的力學(xué)特性,采用大型高壓三軸蠕變儀,對兩河口堆石壩堆石料進行了蠕變試驗。試驗在常規(guī)等圍壓加載方式的基礎(chǔ)上,采用了等應(yīng)力比加載方式,并對堆石料蠕變試驗的結(jié)果和加載方式進行了討論。結(jié)果表明采用等應(yīng)力比加載方式,堆石料變形更接近堆石料實際蠕變過程。

堆石料;蠕變試驗;加載方式;應(yīng)力比;模型

0 前 言

在水電工程建設(shè)中,土石壩以其施工簡單,抗震效果好等優(yōu)點備受重視。隨著施工機械和設(shè)計理念的提高,我國建成了水布埡等幾座大型高土石壩。但是國內(nèi)外許多工程實例表明,堆石體的蠕變(后期變形)過大,引起壩體面板、止水、廊道的變形,對大壩正常運行產(chǎn)生不利的影響。因此,壩體的沉降量是衡量大壩運行狀況的重要指標[1]。

沈珠江和左元明等[2]較早地進行了堆石料的蠕變特性研究工作。通過試驗,建議了三參數(shù)雙曲線形的堆石料蠕變模型,在之后的研究中采用了指數(shù)衰減型蠕變模型[3];程展林,丁紅順通過堆石料的三軸蠕變試驗,提出了九參數(shù)冪函數(shù)蠕變模型[4]。王勇和殷宗澤采用雙曲線函數(shù)經(jīng)驗公式計算堆石蠕變變形[5]。這些蠕變模型在一定程度上反映了堆石蠕變的規(guī)律,但由于堆石體蠕變變形發(fā)生影響因素多,因此在研究中選擇科學(xué)的方法很重要。

本文利用大型高壓三軸蠕變儀,分別采用等圍壓和等應(yīng)力比加載方式,對兩河口面板堆石壩壩體堆石料進行了蠕變試驗,初步探討了堆石蠕變試驗的試驗方法,變形規(guī)律。

1 試驗儀器和試驗方法及加載方式

1.1 試驗儀器和試驗方法

試驗采用大型高壓三軸蠕變儀。其主要技術(shù)指標為:試樣尺寸為 Ф 300 mm×700 mm;最大周圍壓力為4MPa;最大軸向壓力為1 000 kN。采用砝碼并通過液壓提供軸向壓力與周圍壓力,設(shè)計最長恒載穩(wěn)定時間能夠達6個月。

采用兩河口堆石壩堆石料,其級配曲線見表1。制樣控制干密度為2.14 g/cm3,分五層人工夯實制樣,采用靜水頭飽和。各級圍壓根據(jù)壩高確定,相應(yīng)的軸向荷載由應(yīng)力比和材料的抗剪強度確定。

表1 兩河口堆石壩堆石料級配(小于某粒徑之土重百分數(shù)%)

1.2 加載方式

常規(guī)的蠕變試驗采用等圍壓的加載方式,本文根據(jù)堆石體實際的蠕變規(guī)律采用等應(yīng)力比的加載方式。

(1)等圍壓加載

向試樣施加荷載的簡圖如下。

對飽和后的試樣施加周圍壓力進行固結(jié),待試樣排水穩(wěn)定后施加軸向壓力,并保持軸向壓力與周圍壓力的穩(wěn)定。在本級軸向壓力下流變變形穩(wěn)定后,保持周圍壓力不變,施加下一級軸向壓力,繼續(xù)進行流變試驗。依次逐級施加軸向壓力,并繼續(xù)進行流變試驗至結(jié)束。

(2)等應(yīng)力比加載

向試樣施加荷載的簡圖如下。

對飽和后的試樣施加周圍壓力進行固結(jié),待試樣排水穩(wěn)定后施加軸向和周圍壓力,并保持軸向壓力與周圍壓力的穩(wěn)定。在本級壓力下蠕變變形穩(wěn)定后,保持應(yīng)力比不變,施加下一級周圍壓力和軸向壓力,繼續(xù)進行蠕變試驗。依次逐級施加壓力,并繼續(xù)進行蠕變試驗至結(jié)束。應(yīng)力比分別采取1.5,2.0,3.0,3.5,4.0,圍壓分別為0.5 MPa,1.0 MPa,1.5 MPa,2.0MPa,2.5 MPa,3.0 MPa。

2 試驗結(jié)果分析及加載方式的比較

2.1 堆石料變形分析

根據(jù)試驗結(jié)果,繪制了軸向應(yīng)變、體積應(yīng)變隨時間的變化曲線,如圖1～圖4所示。

采用等應(yīng)力比的加載方式,軸向變形與體積變形與時間的變化關(guān)系均呈現(xiàn)初期變化迅速,而當(dāng)堆石料逐漸密實,堆石料的變形轉(zhuǎn)為蠕變變形,后期變形趨于平緩,進入一個長期的緩慢變化過程。

圖1 等應(yīng)力比加載方式下軸向變形與時間關(guān)系(應(yīng)力比3.0)

圖1為堆石料軸向應(yīng)變與時間的關(guān)系曲線。從圖1可以看出,在荷載施加后的較短時間內(nèi),堆石料的軸向應(yīng)變迅速增加,大約在加載后1 h左右軸向變形速率變緩并逐漸趨于穩(wěn)定。同一應(yīng)力比情況下,圍壓較小時,軸向變形趨于穩(wěn)定的起始時間要早一些。反之,圍壓較大時,變形趨于穩(wěn)定的時間遲一些,圍向荷載較大時軸向變形更大。

采用體變管量測試樣排出的水量,以此計算試樣的體積變化,圖2為堆石料體積變形與時間的關(guān)系曲線。與試樣軸向變形的特征類似,在荷載施加后的較短時間內(nèi),試樣的體積變形迅速增加,而后進入蠕變變形階段,試樣體積變形速率變緩并逐漸趨于穩(wěn)定。

其他應(yīng)力比條件下堆石料的軸向變形、體積變形與時間的關(guān)系特征是類似的。

圖2 等應(yīng)力比加載方式下體積變形與時間關(guān)系(應(yīng)力比3.0)

圖3 軸向變形與時間在單對數(shù)坐標中的關(guān)系

圖3是軸向變形與時間在單對數(shù)坐標中的關(guān)系,可以看出,在對數(shù)坐標中,軸向變形與時間成線性關(guān)系,而且通過試驗獲得堆石料軸向變形隨時間的變化規(guī)律,對于不同的圍壓和應(yīng)力比,這種線性關(guān)系是類似的。因此,可以采用對數(shù)函數(shù)描述軸向變形與時間的關(guān)系,即

式中:t為蠕變試驗中的時間點,t0作為蠕變開始的時間點,為一定值,這里取歷時較長的1 d作為蠕變開始的時間點,即t0=1440 min,在式(1)中,當(dāng)t=1440 min時,a稱之為軸向初始蠕變;b為軸向變形擬合曲線的斜率,表示試樣的軸向蠕變速率,稱之為軸向蠕變系數(shù)。

圖4 體積變形與時間在雙對數(shù)坐標中的關(guān)系

同理,圖4是體積變形與時間在雙對數(shù)坐標中的關(guān)系線,可以看出,體積變形與時間呈線性關(guān)系,因此可以采用冪函數(shù)擬合堆石料體積變形與時間的關(guān)系,即

式中:α為當(dāng)t=1440 min時試樣的體積變形,稱之為體積初始蠕變;β為體積蠕變擬合曲線的斜率,表示試樣的體積蠕變速率,稱之為體積蠕變指數(shù)。

在上述軸向變形、體積變形是時間的函數(shù)關(guān)系中α,β的取值與試驗采用的應(yīng)力比及圍壓有關(guān),通過分析可以得出α,β的函數(shù)取值。

另外,t0取值1440 min,有效避免了在處理數(shù)據(jù)時,軸向初始蠕變和體積初始蠕變?yōu)樨撝档那闆r,如圖5所示,因此t0的取值對于函數(shù)參數(shù)的選擇影響較大。

圖5 體積初始蠕變與應(yīng)力比、圍壓關(guān)系

2.2 兩種加載方式的對比分析

傳統(tǒng)三軸試驗采用等圍壓的三軸試驗方法進行,使得試驗確定的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系計算結(jié)果與實際工程的應(yīng)力、變形相差較大,而實際中施工期堆石壩體的大部分區(qū)域的主應(yīng)力比保持常數(shù),在水荷載作用下,有效平均應(yīng)力增加,而 σ1-σ3減少。即在堆石填筑過程中,隨著堆石體的不斷升高(隨著筑壩高度的增加),σ1(垂直方向)增加,σ3也隨著 σ1的增加而增加,σ1/σ3基本為常數(shù)。采用等應(yīng)力比的加載方式正是根據(jù)實際工程中堆石料的應(yīng)力特性,圍壓與軸壓等比例增加,因而更接近堆石壩實際的蠕變過程。

3 結(jié) 論

(1)本文給出了堆石料在等應(yīng)力比加載方式下蠕變的變形規(guī)律。

(2)初步探討了在等應(yīng)力比加載方式下,堆石料蠕變變形規(guī)律可以用對數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)描述,t0的取值影響著函數(shù)參數(shù)的選擇。

(3)對堆石料在不同加載方式下蠕變變形的影響進行了探討,得出在等應(yīng)力比加載方式下,堆石料蠕變試驗更接近實際工程的應(yīng)力特性。

[1]楊 鍵.天生橋一級水電站面板堆石壩沉降分析[J].云南水力發(fā)電,2001,17(2):59-63.

[2]沈珠江,左元明.堆石料的流變特性試驗研究[C]//第六屆全國土力學(xué)及基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)會議論文集.上海:同濟大學(xué)出版社,1991:443-446.

[3]沈珠江,趙魁芝.堆石壩流變變形的反饋分析[J].水利學(xué)報,1998,40(6):1-4.

[4]程展林,丁紅順.堆石料蠕變特性試驗研究[J].巖土工程學(xué)報,2004,26(4):473-476.

[5]王 勇,殷宗澤.一個用于面板壩流變分析的堆石流變模型[J].巖土力學(xué),2000,21(3):227-230.

Experimental Study on Creep Properties of Lianghekou Dam's Rockfill Materials

CHENG Bo1,LIU Bin-yun1,LI Hai-fang2
(1.College of Architectural Engineering,Beijing Polytechnical University,Beijing100124,China;2.Department of Geotechnical Engineering,China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing100048,China)

According to the mechanical properties of rockfill material creep,the large triaxial creep apparatus with high pressure isused to carry out the creep test for Lianghekou Dam's rockfill materials,which adoptsthe equivalent stress ratio loading mode based on the routine confining pressure.Through the experiments,the results of the rockfill creep test and its loading mode are discussed in detail.The experimental results show that by taking the equivalent stress ratio loading method,the deformation of the rockfill material is more close to the actual process of the rockfill creep.

rockfill material;creep test;loading model;stress ratio;model

TU43

A

1672—1144(2012)05—0065—03

2012-03-08

2012-04-05

北京工業(yè)大學(xué)建工學(xué)院市政工程北京市重點實驗室項目

程 博(1986—),男(漢族),河南安陽人,碩士研究生,研究方向為水工結(jié)構(gòu)可靠度分析。