王樂樂，周建國，李驍男，許曉峰，何 佳

(1.華北水利水電大學 地球科學與工程學院，河南 鄭州 450046； 2.濟南市交通工程建設保障中心，山東 濟南 250014；3.河南建筑材料研究設計院有限責任公司，河南 鄭州 450002； 4.中國機械工業(yè)國際合作有限公司，河南 鄭州 450018)

粗粒料具有壓實性強、透水性好、變形小及抗剪強度高等工程特性，常被用于工程建設當中，尤其是作為大壩的筑壩材料。國內外學者[1-9]通過大型三軸試驗，對粗粒料的力學特性及變形規(guī)律進行了一系列研究，得出了影響粗粒料強度特性及變形特征的因素有圍壓、密度、級配、顆粒粒徑、應力路徑等。

姜景山等[10]研究了密度和圍壓對粗粒土強度特性的影響，最高圍壓為1 600 kPa；夏加國等[11]研究了含超粒徑顆粒土石混合體在不同含石量、圍壓下的力學性質，最高圍壓為1 200 kPa；石熊等[12]對改良粗粒土填料進行了力學強度研究，最高圍壓為1 800 kPa；蔡正銀等[13]對粗粒料的強度和變形特性進行了研究，最高圍壓為2 000 kPa。根據(jù)研究現(xiàn)狀，目前對于在高圍壓下粗粒料的研究有待提高，而且國內外200 m以上的高壩修筑較少，缺乏經驗，同時筑壩料在大壩中起到主要的受力作用。所以，研究粗粒料在高圍壓下的力學特性及變形規(guī)律，了解筑壩料的工程特性是十分必要的。鄧肯—張E-B模型[14-16]經常被用于巖土工程的數(shù)值分析中，尤其是對壩體穩(wěn)定安全數(shù)值分析計算提供了很大的幫助，為壩體的合理性和安全性評估提供了有力的參考依據(jù)。

本文通過大型三軸儀對某超高面板壩的2種筑壩粗粒料進行固結排水剪切試驗，分析在低圍壓(100～400 kPa)—高圍壓(800～3 000 kPa)及不同級配條件下，1號土樣堆石料和2號土樣砂礫料的應力—應變關系、變形特征，并對計算得到的鄧肯—張E-B模型參數(shù)的變化規(guī)律進行討論。

1 儀器設備

試驗儀器采用SZLB-4大型三軸試驗機，如圖1所示。該儀器集傳感器、電子、機械、計算機等技術，儀器允許的試樣尺寸直徑300 mm，高600 mm；允許最大周圍壓力3 MPa，最大軸向荷載為1 500 kN，最大軸向行程為300 mm。

圖1 試驗儀器裝置Fig.1 Experimental equipment

2 試驗材料與方法

試驗材料是從料場通過現(xiàn)場爆破得到的粒徑小于60 mm的粗粒料，1號土樣為堆石料，母巖巖性以花崗巖、砂巖、微晶灰?guī)r為主；2號土樣為砂礫料，母巖巖性主要為微晶灰?guī)r夾少量薄層微晶灰?guī)r。2種土樣的現(xiàn)場最大粒徑分別為800、500 mm。由于試驗儀器允許的顆粒最大粒徑為60 mm，采用等量替代法對超粒徑粒料進行縮尺，既保持了級配的連續(xù)性和相似性，也沒有改變細顆粒料的含量?？s尺后的級配曲線如圖2所示。

圖2 筑壩粗粒料縮尺后級配曲線Fig.2 Gradation curve of coarse-grained materials after dam construction

室內試驗制樣時，1號土樣堆石料的試驗控制干密度為2.200 g/cm3；2號土樣砂礫料取相對密度0.90作為試驗干密度的控制標準，上包線、平均包線、下包線的試驗控制干密度分別為2.310、2.380、2.287 g/cm3；對2種土樣的上包線、平均包線、下包線分別在圍壓為100、200、400、800、2 000、3 000 kPa下進行固結排水剪切試驗。此次試驗依據(jù)《土工試驗規(guī)程》[17]和《水電水利工程粗粒土試驗規(guī)程》[18]實施。

室內試驗分為試樣配制與裝樣、試樣飽和、排水固結、剪切4部分：①試樣配制與裝樣。根據(jù)縮尺后的級配稱取每個粒組范圍的試樣質量混在一起，將制備好的試樣分為6份，開始裝樣，用擊實錘進行擊實，使每層的試樣保持厚度一致約為10 cm，每層擊實后進行刮毛，以免出現(xiàn)分層現(xiàn)象。裝樣后檢查裝置氣密性，氣密性好則裝樣成功；如果有漏洞，則需要重新裝樣。裝樣完成后，先進行抽真空直至孔隙壓力達到-70 kPa，關閉閥門，如果孔壓基本穩(wěn)定，證明裝置氣密性良好，裝樣成功。②試樣飽和。先進行抽真空飽和，然后進行水頭飽和，飽和5～6 h后，測量飽和度是否滿足試驗要求。飽和度不小于95%或孔隙壓力系數(shù)不小于0.95時，則視為試樣飽和。③排水固結。試驗以各向等壓固結方式進行排水固結，等排水量隨時間增加而不發(fā)生變化時(固結曲線隨時間的變化無明顯變化時)，即可認為固結完成。④剪切。剪切的控制方式為應變式，參考《水電水利工程粗粒土試驗規(guī)程》[18]粗顆粒土三軸壓縮試驗剪切速率設定為每分鐘軸向應變0.5%的速率施加軸壓，進行剪切。

試驗破壞標準：當應力—應變曲線出現(xiàn)峰值點時，取峰值點為破壞點；當應力—應變曲線無峰值點時，取應變15%所對應的點為破壞點。

3 試驗結果與分析

3.1 強度特性

1號土樣堆石料和2號土樣砂礫料在低—高圍壓下3個包線的應力—應變關系曲線如圖3所示。由圖3可以看出，不同圍壓、級配下粗粒料的強度特征變化不同。

圖3 筑壩粗粒料的應力—應變曲線Fig.3 Stress-strain curve of coarse-grained materials for dam construction

2號土樣砂礫料的應力—應變曲線關系如圖3(d)—圖3(f)所示，在低圍壓(100～400 kPa)以及高圍壓800 kPa下應力—應變關系均呈弱應變軟化。在高圍壓(2 000～3 000 kPa)下為硬化型，剪切初始階段，砂礫料的軸向應力與軸向應變之間近似呈線性關系，軸向應力隨應變的增加而呈線性增加，隨著圍壓的升高階段，其線性階段的斜率越大，表明隨著圍壓的升高對應的初始切線模量越大；從低圍壓到高圍壓階段，隨圍壓的升高，試樣達到峰值時所對應的軸向應變就越大。從微觀角度看，三軸試驗就是試樣顆粒之間發(fā)生碰撞、重新排序穩(wěn)定的一個過程，圍壓越大，對顆粒間的翻轉提供的約束力就越大，對應所克服其約束產生的軸向應力越大，試樣在軸向應力達到峰值時的軸向應變就越大。隨著不同級配顆粒中含石量的增加，相同條件下所對應的峰值力也越大。

1號土樣堆石料的應力—應變曲線如圖3(a)—圖3(c)所示，堆石料上包線、平均包線的應力—應變曲線，無論是在低圍壓還是高圍壓下均為硬化型，下包線在低圍壓以及高圍壓800kPa和2 000 kPa時也為應變硬化，但在3 000 kPa時，曲線出現(xiàn)了弱應變軟化。按照常規(guī)，中、高密度的土樣在低圍壓下易發(fā)生軟化，隨著圍壓的升高而會過渡為硬化型。砂礫料在圍壓100～800 kPa階段和堆石料下包線在高圍壓3 000 kPa時均出現(xiàn)軟化，但堆石料在剪切過程中為體縮，所以兩者發(fā)生軟化的原因應該不同。堆石料顆粒相對破碎率Br[19]與σ3/Pa之間的關系曲線[20]如圖4所示，隨著圍壓的升高，Br升高，顆粒破碎程度增大。由圖4(c)可知，堆石料下包線的圍壓為2 000 kPa時，Br為9.8%；圍壓為3 000 kPa時，Br達到14.0%。分析認為，堆石料下包線圍壓為100～2 000 kPa時，圍壓的升高對粗粒料強度的提高大于由顆粒破碎所引起的粗粒料強度降低；下包線圍壓為3 000 kPa時，顆粒破碎引起粗粒料強度的降低大于圍壓的升高對粗粒料強度的提高。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得出，圍壓和相對破碎率的主次分界值分別為2 000 kPa<σ3<3 000 kPa、Br(σ3=2 000 kPa)

圖4 堆石料Br與σ3/Pa關系曲線Fig.4 Relationship curve between Br and σ3/Pa of rockfill materials

1號土樣堆石料和2號土樣砂礫料的內摩擦角與圍壓之間的關系如圖5所示。由圖5可知，內摩擦角隨圍壓的增大而快速變小，在高圍壓下時，內摩擦角的減小變慢。剪切的過程，應該是顆粒之間的重新排列的一個階段。①低圍壓時，圍壓并不能夠抑制顆粒的重新排列翻轉，容易發(fā)生剪脹，顆粒間的接觸變松散，顆粒破碎較少，所以認為內摩擦角的快速變小與在低圍壓下堆石料發(fā)生的剪脹有關；②高圍壓時，雖然顆粒接觸更加緊密，但粗顆粒容易發(fā)生破碎，導致粗顆粒減少、細顆粒增多，從而引起內摩擦角的緩慢減小，所以認為在高圍壓下，內摩擦角的緩慢減小應是由于大量的顆粒破碎造成的。從圖5(b)得到砂礫料平均包線的內摩擦角整體要比上包線、下包線的高，這應該與平均包線的密度最大有關，密度越大，土顆粒咬合作用就越強，土顆粒間的孔隙小，接觸越密，內摩擦角就相對較大。

圖5 筑壩粗粒料φ與σ3/Pa關系曲線Fig.5 Relationship curve between φ and σ3/Pa of coarse aggregate for dam construction

3.2 變形特性

1號土樣堆石料和2號土樣砂礫料上包線、平均包線、下包線在各個圍壓下的體變—應變的關系曲線如圖6所示。

圖6 筑壩粗粒料的體變—應變曲線Fig.6 Volume strain curve of coarse-grained materials for dam construction

由圖6(a)—圖6(c)可知，堆石料在低圍壓下發(fā)生剪脹，在剪切初始階段，隨著軸向應變的增加，試樣發(fā)生剪縮，當體縮達到一定值后隨軸向應變的增加試樣發(fā)生剪脹，隨著圍壓的升高剪脹性逐漸減弱，高圍壓下，變?yōu)榧艨s。隨著P5的變化，堆石料在不同圍壓下發(fā)生剪脹時所對應的軸向應變如圖7所示(當只發(fā)生剪縮時默認對應的軸向應變?yōu)?5%)。由圖7可以看出，在低圍壓下隨著各個包線粗顆粒含量的增加，試樣發(fā)生剪脹時的軸向應變越小，表明低圍壓下隨粗顆粒含量的增加，剪脹性越顯著；高圍壓下，發(fā)生剪縮，從上包線到下包線，隨粗顆粒含量的增加所對應的體變值就越大。可能由于試樣本身的粗顆粒含量過大，所以軸向應變減小的幅度較小。

由圖6(d)—圖6(f)可以看出，砂礫料在低圍壓及800 kPa下發(fā)生剪脹，同樣在剪切初始階段試樣先發(fā)生剪縮，然后發(fā)生剪脹；當在高圍壓(2000、3 000 kPa)下，試樣只發(fā)生剪縮，這一規(guī)律總結為先縮后脹、低脹高縮。產生這一規(guī)律的原因應該是粗粒料中的粗顆粒形成連續(xù)的顆粒骨架，在剪切初始階段，細顆粒填充顆粒骨架，發(fā)生剪縮，低圍壓下，隨軸向應變的增加，圍壓所提供的約束力較小，試樣中的粗顆粒難以破碎，顆粒強度本身較大，難以抑制顆粒間的相互翻越，所以產生體脹變形；高圍壓下，隨著剪切位移增加，剪應力變大，粗顆粒易發(fā)生破碎，顆粒強度相對降低，高圍壓能提供更大的約束力，抑制粗顆粒間的翻轉，試樣發(fā)生剪縮。對比砂礫料3個包線的體變曲線，得到砂礫料平均包線的剪脹性明顯要大于上包線和下包線，根據(jù)資料顯示低圍壓下試樣密度越大，對應剪脹性越顯著，由于平均包線的密度最大，所以剪脹性就相對顯著。

圖7 堆石料剪脹時軸變與P5的關系Fig.7 The relationship between axial change and P5 of rockfill materials during dilatancy

3.3 模型參數(shù)

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得到的鄧肯—張E-B模型參數(shù)[21]見表1、表2。

表1 堆石料模型參數(shù)Tab.1 Model parameters of rockfill

表2 砂礫料模型參數(shù)Tab.2 Model parameters of gravel

根據(jù)得到的模型參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，堆石料和砂礫料的非線性強度指標隨圍壓變化范圍的不同發(fā)生了變化。在低圍壓下φ0、Δφ最大，隨著圍壓的增大，φ0與Δφ都依次降低。另外，由于砂礫料顆粒渾圓，母巖性質比較堅硬，顆粒破碎程度低。因此，φ0與Δφ的變化相對不如堆石料顯著。不同圍壓范圍對材料的變形指標具有一定的影響。結果顯示，當增大圍壓時，鄧肯—張E-B模型參數(shù)有k值增大、n值降低、Rf減小、Kb降低、m增大的趨勢。對于砂礫料各級配包線試樣，試驗控制的干密度為2.380g/cm3，由于平均線試樣顆粒咬合最緊密、填充最密實、孔隙率最低，粗細顆粒能充分地協(xié)同分擔荷載，因此平均包線試樣的力學性能最優(yōu)。相比平均包線試樣，上包線試樣粒徑小于5 mm顆粒含量偏高，細顆粒有阻礙粗顆粒形成骨架的趨勢；而下包線試樣細顆粒偏少，不能完全充填粗顆粒骨架形成的孔隙。因此，這2種級配料壓實性能均略遜于平均線試樣，并且試驗控制干密度略低，相應由試驗得到的強度指標和切線彈性模量有所偏小。由于上包線試樣的干密度達到2.310 g/cm3，高于下包線試樣的2.287 g/cm3。因此，其力學指標要優(yōu)于下包線試樣。堆石料在低圍壓條件下堆石顆粒不易破碎，由于下包線試樣粗顆粒含量高、吸收的擊實功能大，因此其咬合力和初始切線模量大；但在高圍壓條件下，下包線試樣的顆粒破碎程度最嚴重，而上包線試樣的級配優(yōu)勢能得到逐漸發(fā)揮。所以，試樣的級配、密度不同，獲得的模型參數(shù)也隨著變化，對其模型參數(shù)的取值也具有很大的影響。

4 結論

(1)1號土樣堆石料及2號土樣砂礫料的應力—應變曲線具有非線性和彈塑性等一般規(guī)律，應力—應變關系曲線基本符合鄧肯—張模型曲線。

(2)粗粒料的應力—應變曲線特征與圍壓有關，一般高圍壓下粗粒料應力—應變曲線為應變硬化，低圍壓下密度大的粗粒料試樣會發(fā)生應變軟化。但當高圍壓下粗顆粒含量多時，粗顆粒會發(fā)生破碎，顆粒破碎降低的強度高于圍壓提供的強度，也會產生軟化現(xiàn)象。

(3)粗粒料的變形特征與圍壓、密度和含石量均有關系，低圍壓下易發(fā)生剪脹，隨圍壓的增大剪脹性逐漸減弱，高圍壓下體變過渡為剪縮；并且體變變化與含石量和密度有關，隨著含石量和試樣密度的增加，土樣的剪脹性也越顯著。

(4)鄧肯—張E-B模型參數(shù)的取值，隨圍壓的升高、級配的變化呈一定的規(guī)律性變化；根據(jù)試驗結果，砂礫料和堆石料強度指標較高、切線彈性模量較大、力學指標較優(yōu)，這2種材料均為較優(yōu)良的壩體填筑料。