三轴模拟实验研究三轴法在围堰风化砂动态特性试验中的应用

三轴模拟实验研究三轴法在围堰风化砂动态特性试验中的应用

0区域间环境的研究三峡河航道一期的填充材料主要为花岗岩风化材料（通常称为风化沙）。采用深水(60m)抛填施工,因此风化砂的性态是必需研究的。淤积砂分布在河床上,厚度大,密度低,是围堰地基的一部分。它的性态对堰基和堰体稳定有重要影响。对风化砂和新淤砂的静态特性,过去已做过大量的试验研究。自1990年以来,由于很多问题涉及到土料的动力特性,先后开展了一些研究。特别在“八五”期间,长江科学院、中国水科院、华侨大学针对二期围堰的需要,做了较系统的工作。用动三轴、共振柱测试了动态特性参数,在现场进行了剪切波速测定,获得了风化砂、淤积砂动变形、动强度、动孔压、阻尼比等大量系统的资料。为二期围堰的设计与施工以及评价其动力安全性分析提供了动力学参数。1土料级配试验三峡工程坝址两岸料场风化砂的颗粒级配曲线如图1所示。粒径变化范围较大,原始粗粒粒径可达30mm,相当一部分粒径均超过试样允许粒径5mm,因此采用模拟料进行试验。本试验,采用相似级配法制备试样,可保持原级配的不均匀系数Cu和曲率系数Ce不变,但平均粒径d50由5.6mm降至1.35mm。当原级配模拟引起的细粒含量增加不大时,一般不会引起力学性质的明显改变。模拟试样土料级配曲线见图1。关于试验仪器设备与方法,试验控制条件等,因篇幅所限,不再详述,可参阅有关文献①②。现将研究结果分述如后。(1)密度对g/gm优势的影响动力变形特性的试验内容主要包括确定最大剪切模量Gmax与平均有效主应力σ0′的关系;动剪切模量G,阻尼比D随动剪应变γ变化关系。采用3种干密度试样,每种密度用2～3种固结应力,2种固结比分别进行试验。动应变为10-6～10-4时用共振柱测定动剪模量;动应变大于10-4时用动三轴仪测定。同一种密度下,最大剪切模量Gmax随平均有效固结应力σ0′=(σa′+σγ′)/2的变化为指数关系,Gmax按下式确定:Gmax=CΡa1-n(σa′+σp′2)n(1)Gmax=CPa1−n(σa′+σp′2)n(1)式中:C,n为常数;Pa为大气压力,取98.0kPa;σa′和σp′为固结应力。当Kc′=σa′/σp′或σp′/σa′≤2.0时,Gmax与固结应力比Kc′无关。三峡风化砂试验得到的Gmax与有效固结应力σ0′的关系参数如表1所列。最大剪切模量还可用原位测试的剪切波速确定:Gmax=ρVs2(2)式中:ρ为土的质量密度;Vs为土的剪切波速。动剪切模量与动剪应变关系,通常用G/Gmax与γ关系表述。剪应变γ也可用参考应变γr来归一,参考应变定义为γr=τmax/Gmax(3)τmax=√[σa′+σp′2sinφc+C′cosφc´]2-[(σa′-σp′)2]2(4)式中φc′,C′分别为有效应力的摩擦角及凝聚力。φc′可用静三轴的结果,C′=0。G/Gmax与γ/γr及D与γ/γr的部分关系曲线如图2所示,表2列出了3种干密度,两种固结应力比的G/Gmax,D与γr的全部结果。从归一化的G/Gmax与γ/γr关系可见,固结比Kc相同时,对于ρdc=1.548t/m3及1.715t/m3的土样,不同固结应力下的G/Gmax曲线基本相同。而ρdc=1.813t/m3的样品,G/Gmax与γ/γr关系曲线与上述两种密度的有明显差别,即曲线随剪应变增大而明显下移,表明高密度风化砂似乎有更强的非线性变形特性。这与常规砂土的特性不大一样,也可能由于制备高密度样品时,捣碎更严重所致,有待进一步论证。阻尼比与动剪应变的关系,饱和砂土的阻尼包括粘滞阻尼和塑性能耗散,统一用阻尼比D表征。D与γ关系曲线表明,阻尼比随剪应变增加而增大,当归一化应变超过10-1时,阻尼比增加较快。(2)土石坝抗震稳定分析中统一的动力参数风化砂土的动强度是指在循环振动周次Nf下,试验达到破坏标准的等幅动剪应力值。动三轴试验中,习惯上采用3种标准:一是初始液化标准,即动孔隙水压力最大值达到有效侧向固结应力;二是极限平衡标准,即动孔压增量达到临界孔隙压力值Δucr;三是轴向应变达到某规定值,土石坝抗震稳定分析中常取为5%。实际上,对于不同密度,这一破坏标准表示不同的状态条件。动强度可用动剪应力比Δτd/σ0′与破坏振动周次Nf关系表示。为了将试验结果在抗震稳定分析中应用,根据初始应力状态下的Δτd/σ0′与Nf关系,以Nf和初始剪应力比α=τf0/τf0′为参数,整理出潜在破坏面上的动强度Δτf和地震总应力抗剪强度τf0与初始法向应力σf′的关系。对于不同的破坏振次Nf与Δτd/σ0′的关系,以及N一定,σf0′与Δτfs值的关系,图3分别选用了一组(ρd=1.715t/m3)关系曲线。实际用于抗震分析时,还应确定震级与等效振次N的关系。工程界普遍采用的震级M与N的关系为:震级Μ5.5~6.06.57.07.58.0等效振次Ν58122030三峡地区的地震震级可根据地震危险性分析确定。(3)不同密度的风化砂动特性动孔隙水压力增长过程,用Δu/σ0′与N关系曲线表示(以动剪应力比Δτd/σ0′为参数)。固结比、侧向应力对孔隙压力增长特性有明显影响。动孔压增长过程Δu/σ0′与Nf关系曲线因干密度、固结比Kc、σ3′不同而不同。这里仅列出ρd=1.715t/m3的二组曲线(图4)。还有不同密度、不同侧向固结应力σ3′、固结比Kc共17组曲线,限于篇幅,不能一一列出。通过试验,较系统地对3种密度的风化砂模拟料的动力特性参数进行了整理分析。其结果可作为风化砂堰体地震动响应分析及抗震稳定性评价的输入参数。总括起来,风化砂动特性有如下基本特征:所有试验密度的风化砂均为剪胀性砂土,不产生流滑现象;动力作用下的液化属往返活动性;有效粘聚力C′=0;各种密度的风化砂抗剪强度随有效应力增长的包络线(固结应力0～147kPa范围内)出现明显的非线性;在较小的固结应力时,抗剪强度也表现出一定的非线性。2动力特性参数试验研究三峡坝区河床粉细砂层成为二期围堰基础的一部分。静力学试验表明,淤砂层天然密度小,固结度差,强度指标低。为评价淤积砂液化及对堰体动力稳定的影响,专门进行了动力特性参数的试验研究。试验采用动三轴进行,制备2种干密度(ρd=1.48t/m3,1.55t/m3),3种固结压力(σc=100kPa,250kPa,400kPa),3种固结比(Kc=1.0,1.25,1.50)条件下模量、阻尼比测定和抗液化强度试验①。(1)运动强度试验结果列出如表3。由表3可见,φd随初始干密度与固结比增大而增大。天然状况下的密度小,动强度也低。(2)动剪切模量与油膜动力特性的关系试验表明,淤积砂的动模量Ed与干密度、固结应力、固结比有密切关系。如干密度ρd=1.48t/m3,固结应力0.1MPa及固结比为1.0时,最大动模量Ed=133MPa。而固结应力为0.4MPa时,最大的动模量Ed=400MPa。Ed的大小,与动应变大小也有关系。动应变增大,Ed明显降低,显示了较强的非线性特性。动剪切模量是表征土动力特性的重要指标。通常由于它的非线性明显,常用G/Gmax与γ的关系表示。表4用数值给出这一关系。阻尼比的η与γ关系也列如表4。由表4可见,阻尼比随动应变增大而增加。大应变时,阻尼比与通常砂土接近,但小应变时,比通常的砂土小2%～3%。总之,淤积砂在天然状况下的动强度、动模量、动剪模量均较低,如果没有良好的压密,难以保证堰基有可靠的稳定性。3上填上填充料剪切波速剪切波速是土的重要特性参数之一。通常都用原位法测定。自然状况的风化砂及淤积砂剪切波速列于表5。人工干填及水中抛填风化砂及堰基下淤砂的剪切波速列于表6。天然状况及堰体原位测试的风化砂及淤积砂的剪切波速表明:(1)堰基下的淤积砂剪切波速明显高于天然状况的值,表明淤砂上部加填筑层后,堰基处淤砂压密效果明显。剪切波速由原始的104m/s提高到159.1～176.1m/s。这也意味着剪切模量有一定提高,将有利于抗动荷作用。(2)干填与抛填风化砂剪切波速约为225.0～245.0m/s。显然比天然状况的低,比未扰动的全风化层低得更多,应尽可能提高其填筑密度。(3)天然未扰动的全风化层的剪切波速可达400m/s,扰动后的测值比较分散,且数值偏低。(4)堰体中风化砂剪切波速与标贯值Ns的关系由实测统计为:Vs=78.0Νs0.381这一关系与其它地区得到的相比,低标贯值时Vs略高,而高标贯值时Vs略偏低。但总的相关性是一致的(图5)。4低密度