土石坝粗粒土料湿化变形的原因及解决措施

土石坝粗粒土料湿化变形的原因及解决措施

1粗粒土料湿化变形特性在过去的10年里，中国的水库工程（尤其是高坝）取得了很大的发展。目前在建和拟建的高100~200m量级的土石坝已有10座以上。随着西部大开发的逐步深入,土石坝因其对复杂地质条件的良好适应性将成为未来数十年的重要坝型。在高土石坝的设计中粗粒土料的蓄水湿化变形是急需解决的重要问题之一。从目前国内外已建成的土石坝的监测资料看,土石坝在蓄水后的变形是不可忽视的。对于心墙坝,轻者使在坝顶产生湿陷裂缝,严重的会造成坝肩等重要部位产生深度裂缝,甚至形成渗漏通道,威胁坝体安全;对于混凝土面板堆石坝,下游尾水或雨水入渗等引起的坝体堆石的湿化变形将会影响面板的应力及周边缝的变位,严重的会造成面板的开裂,使防渗设施失效。目前,大多学者都认为,所谓粗粒土料的湿化变形是指粗粒土料在一定的应力状态下浸水,由于颗粒之间被水润滑以及颗粒矿物浸水软化等原因而使颗粒发生相互滑移、破碎和重新排列,从而发生变形,并使土体中的应力发生重分布的现象。这种变形是在应力状态不变时土由干变湿所发生的变形。若要在设计时准确地预估未来坝体堆石的湿化变形以及由此而引起的坝体应力变形状态的改变,必需准确了解湿化变形的特性。对于粗粒土料湿化变形的试验研究,一般是在常规试验仪器上进行。试验方法主要包括单向压缩湿化试验、各向等压下的湿化试验、常规三轴湿化试验。这些试验中三轴试验的应力状态相对复杂,其试验结果用于研究湿化变形的规律更具一般性,本文对某粗粒料进行常规三轴应力条件下的湿化变形试验。利用自行改进的电子万能试验机,与GDS液体压力控制器和中型三轴仪结合,对某坝坝体的粗粒土料进行了不同围压和湿化应力水平下保持应力状态不变的三轴湿化变形试验。这里,湿化应力水平是指当试样由干态剪切到某一应力状态后进行浸水饱和湿化时干样的应力水平。通过对试验结果的分析,归纳了粗粒土料湿化变形的一般规律,对单、双线法的试验结果进行了比较,建议了“改进的双线法”,同时提出了最大湿化应力水平的概念,并利用该概念对试验结果进行了剖析。2试验仪器、材料和方法2.1改进后的试验特点为了解决保持湿化时的应力状态不变和实现从干到湿引起的湿化体变量测所需要的精度这两个问题,笔者对现有仪器进行了如下改进:(1)采用电子万能试验机来控制轴向力和位移,对试验控制程序采用了数据跟踪技术,根据试样湿化中的尺寸变化及时修正施加于试样的外力,从而达到湿化前后试样所处的应力状态保持相同;(2)采用了精度较高的GDS液体压力控制器来施加试样的围压,同时测得进出压力室的水量即为试样的体变(需扣除压力室变形及导轴的体积),解决了干样剪切时体变难于测量的困难;(3)通过计算机语言实现了电子万能试验机和GDS液体压力控制器数据同时采集及跟踪。改进后本套设备的主要特点有:(1)精度高。电子万能试验机所控制的轴向力和位移的精度分别为1N和0.001mm,GDS液体压力控制器所控制的压力和体变的精度分别为1kPa和1mm3;(2)自动化程度高。在进行三轴湿化试验时,除了加水湿化时需要人工操作外,包括数据采集在内的其他工作都由计算机自动控制完成;(3)可实现多种应力路径的试验。由于在程序设计中,对试验控制采用了分阶段进行的方法,可以对轴力、围压同时进行跟踪控制,因此试验时可以设定加载、卸载或循环加载等不同的应力路径。2.2试样制备和安装采用了中型三轴仪进行试验。试样直径为101mm,高200mm。试验所用粗粒土料最大粒径为20mm,岩性为新鲜和微风化花岗岩,颗粒为粒状,棱角尖锐。为了防止土料在水压力下直接刺破橡皮膜,采用了内一层标准厚橡皮膜先包裹试样,然后再套一层定制厚1.2mm的橡皮膜。试样在压力室底座上直接制备,绑扎和安装时尽量减少对试样的扰动。试样的基本物理指标见表1,图1为颗分级配曲线。试验时,先把土样风干,按试验设计级配配料,拌拌均匀,试料分5层填至制样筒,振捣至控制密度,并将试样顶面整平。为了防止振捣后细颗粒与大颗粒离析,制样时每层预留少量细土撒于顶面。制样完成后,安装试样,在一定的围压下,等向固结至稳定,然后开始进行三轴排气剪切试验。当各试样在达到设计的湿化应力水平时,保持应力状态不变,从试样底部向顶部浸水饱和湿化。浸水后,当轴向变形和体积变形同时达到稳定后认为湿化完成,继续对试样进行三轴剪切试验,直到试样破坏。试验剪切速率为0.1mm/min。本次试验共进行了围压σ3分别为300,600,900,1200kPa和应力水平S分别从低到高共4级下的三轴湿化试验,同时也进行了以上4种围压下的干态(即风干状态)和湿态(即饱和态)的三轴剪切试验。3试验结果与分析3.1湿化应力-应变关系及围压关系根据以上三轴湿化变形试验,可以得到了不同应力水平S下的湿化变形的轴向应变(简称轴变)∆ε1w和体积应变∆εvw量,见表2,绘出湿化应力水平与相应的湿化应变量关系图(图2)。图3~6给出了围压分别为600kPa和1200kPa不同湿化应力水平下的三轴湿化应力-应变和体变关系曲线,图中每条曲线上箭头所标示的位置分别为湿化开始点和湿化结束点(即继续剪切点),中间直线段为由于湿化所产生的变形量。本文中轴变以压缩为正,体变以剪缩为正,反之为负。3.2湿化应力水平的变化由表2和图2~4可见,本组湿化试验结果有以下规律:(1)在同一围压σ3下,湿化时应力水平S越大,湿化轴变∆ε1w越大(如图2~4中(a)),而湿化体变∆εvw随湿化应力水平S的增加而减小,见图2~4中(b)图。当湿化应力水平大约为0.7~0.8时,湿化轴变曲线出现曲率最大点,此后∆ε1w随着S快速增加,见图2(a)。当湿化应力水平为0~0.7时,∆εvw变化不大,而当S大于0.7~0.8后,∆εvw曲线也出现曲率最大点,呈现快速减小的趋势。同时可看出,当围压低、而湿化应力水平较高时,试样湿化产生了湿胀,如图2和图3中的(b)图所示。(2)在不同围压σ3与相近湿化应力水平下,当湿化应力水平不高时,∆ε1w随围压的增大而增大;而当湿化应力水平较高时,∆ε1w随围压的增大而有减小的趋势;而∆εvw随围压的增大而增大(图2)。(3)通过表2中的数据可以发现,随着湿化应力水平S的增大,湿化体变与湿化轴变的比值由3左右逐渐减小,S从0~0.35左右减小最快,其后变化平缓。当湿化应力水平约大于0.35后,在相同的湿化应力水平下,低围压下的比值小于高围压下的比值。同时,在小围压下由于出现湿胀使得高湿化应力水平时得到的比值甚至小于0,见图5。以上规律在文献中也有出现。分析原因,可能与土体的粗粒土料的剪胀性和试样的各向异性有关。(4)由试验所得的应力-应变曲线(图3~4)可以看出,当试样湿化完成后继续剪切时应力-应变曲线呈近似线性上升,然后再次转为双曲线型,这一现象类似与三轴试验时的卸载回弹,这种现象可以用弹塑性理论进行如下解释:由于湿化变形为塑性变形,湿化后的土体相当于应力状态未变、而对应于塑性变形的屈服面已经向外扩大到新的位置,从而成为该应力状态下的历史最大屈服面,故此时的应力状态点相当于处于弹性区,当再次加载时,相当于在弹性区加载,先弹性变形到屈服面,再产生弹塑性变形,所以三轴试验时应力-应变曲线呈现出近似线性上升后,再转为双曲线型现象。3.3曲线对比及结果在土石坝湿化变形的计算中,基本上采用单线法或双线法。“双线法”是指分别进行干态和湿态下的等围压三轴剪切试验,再用相同应力状态下的湿态与干态变形的差值作为该应力状态下的湿化变形量。所谓“单线法”是指在干态下剪切到某一应力水平,然后保持应力状态不变浸水湿化,此过程中发生的变形即为该应力状态下的湿化变形量。一般认为单线法的湿化变形较双线法要大。图6和图7绘出了围压为900和1200kPa下干态、湿态土样的三轴剪切试验的应力-应变-体变关系曲线,同时也给出了由单线法试验湿化结束时的应力-应变-体变点连接而成的曲线,以下称为“单线法曲线”。根据单线法和双线法的定义,双线法的湿化变形是指相同应力状态的湿态剪切曲线与干态剪切曲线的应变之差,而单线法的湿化变形是指相同应力状态的单线法曲线与干态剪切曲线的应变之差。图6,7中也给出了前述湿化应力水平S=0湿化后三轴剪切试验(以下称“S=0湿化剪切”)的应力-应变-体变关系曲线。由图6和图7的(a)图可见,单线法的湿化轴变较双线法大,而单线法曲线与S=0湿化剪切曲线更接近;对于轴变体变图6和图7的(b)图,单线法的湿化体变较双线法大,单线法曲线介于S=0湿化剪切曲线和湿态剪切曲线之间。从应力路径与湿化过程来看,单线法与实际情况更接近,故单线法试验得到的湿化变形应该更接近实际情况。根据以上试验结果可见,采用双线法所得到的湿化轴变、体变都偏小,这对于变形的预测是偏于不安全的。因此,在条件允许的情况下应采用单线法试验结果计算湿化变形。但是,进行单线法试验对仪器要求较高,而且耗费较大。通过本文试验结果,S=0湿化剪切曲线与单线法曲线相比轴变相近、体变稍大,所以笔者建议,在单线法试验条件不具备的条件下,可采用S=0湿化剪切的曲线与干态剪切试验曲线在相同应力状态下的应变差值作为该应力状态下的湿化变形值,本文称为“改进的双线法”,虽然该法得到的湿化体变稍大,但对于变形的预测是偏于安全的、合理的。这里需要指出的是,如果采用“双线法”的湿化应力水平对土体的湿化后强度没有影响的假定,S=0湿化剪切曲线和湿态剪切曲线的应变差值应为S=0湿化产生的应变值,即图6、图7中所示的轴向附加应力为0时S=0湿化剪切曲线的应变增量。从图6、图7的(b)图可看出,围压为1200kPa的S=0湿化剪切体变-轴变曲线和湿态剪切体变-轴变曲线较接近平行,而900kPa的误差随轴变的增加而稍有增加。分析认为后者的偏差与试验中的误差有关。由于“双线法”假定了湿化应力水平对土体的湿化后强度没有影响,“改进的双线法”中仍然采用此假定。相对于“双线法”所需进行的试验及所需设备,“改进的双线法”无需增加任何设备和试验,只需在进行湿态的三轴试验时采用S=0湿化试验的方法同时测记湿化变形即可。3.4最大湿化应力水平在前面的一般规律中发现:当湿化应力水平较高时湿化轴变∆ε1w随围压的增大有减小的趋势。这似乎与人们的常规理解不太一致。在文献中也出现了相同的情况,笔者认为这是符合土体湿化变形性质的,原因见下述。在分析上面现象的原因之前,先引进“最大湿化应力水平”的概念。所谓“最大湿化应力水平”是指当在某一围压的某一应力水平下进行湿化时,若由于湿化而刚好造成试样破坏,即湿化时的强度为湿化后试样的最大强度,此时的湿化应力水平就称为该围压下的最大湿化应力水平(用Sf表示)。假定在相同围压不同应力水平下湿化后土体的峰值强度相等,也等于相同条件下湿样的峰值强度(这与大多学者计算时采用了干、湿两套参数的假设相同)。当采用线性抗剪强度指标时,令干态时试样的抗剪强度指标为Cd、φd,湿样为Cw、φw。一般情况下,Cd>Cw,φd>φw。在三轴试验条件下,对于某一围压,根据最大湿化应力水平的定义及摩尔-库仑准则,可以得到:式中(σ1-σ3)d和(σ1-σ3)w分别表示σ3下干态试样和湿态试样的峰值轴向附加应力。根据式(1)可知,Sf随着围压而变化。当σ3增大时,Sf也会逐渐增大,当σ3无穷大时Sf=1。所以,若在相同的高应力水平S下进行湿化,低围压的试样有可能发生或接近湿化破坏,从而产生较大的湿化变形,而对应的高围压下的试样则湿化变形相对不大。可见,在土体发生湿化时会出现当湿化应力水平较高时湿化轴变∆ε1w随围压的增大而有减小趋势的现象,这种现象是符合土体湿化变形性质的。4土体湿化变形性状的稳定性粗粒料的湿化变形试验研究是一种较复杂的、对仪器精度要求较高的试验研究。本文利用改进的仪器对