两河口堆石坝堆石料蠕变特性试验研究

程 博,刘斌云,李海芳

(1.北京工业大学建筑工程学院,北京 100124;2.中国水利水电科学研究院岩土所,北京 100148)

两河口堆石坝堆石料蠕变特性试验研究

程 博1,刘斌云1,李海芳2

(1.北京工业大学建筑工程学院,北京 100124;2.中国水利水电科学研究院岩土所,北京 100148)

针对堆石料蠕变的力学特性,采用大型高压三轴蠕变仪,对两河口堆石坝堆石料进行了蠕变试验。试验在常规等围压加载方式的基础上,采用了等应力比加载方式,并对堆石料蠕变试验的结果和加载方式进行了讨论。结果表明采用等应力比加载方式,堆石料变形更接近堆石料实际蠕变过程。

堆石料;蠕变试验;加载方式;应力比;模型

0 前 言

在水电工程建设中,土石坝以其施工简单,抗震效果好等优点备受重视。随着施工机械和设计理念的提高,我国建成了水布垭等几座大型高土石坝。但是国内外许多工程实例表明,堆石体的蠕变(后期变形)过大,引起坝体面板、止水、廊道的变形,对大坝正常运行产生不利的影响。因此,坝体的沉降量是衡量大坝运行状况的重要指标[1]。

沈珠江和左元明等[2]较早地进行了堆石料的蠕变特性研究工作。通过试验,建议了三参数双曲线形的堆石料蠕变模型,在之后的研究中采用了指数衰减型蠕变模型[3];程展林,丁红顺通过堆石料的三轴蠕变试验,提出了九参数幂函数蠕变模型[4]。王勇和殷宗泽采用双曲线函数经验公式计算堆石蠕变变形[5]。这些蠕变模型在一定程度上反映了堆石蠕变的规律,但由于堆石体蠕变变形发生影响因素多,因此在研究中选择科学的方法很重要。

本文利用大型高压三轴蠕变仪,分别采用等围压和等应力比加载方式,对两河口面板堆石坝坝体堆石料进行了蠕变试验,初步探讨了堆石蠕变试验的试验方法,变形规律。

1 试验仪器和试验方法及加载方式

1.1 试验仪器和试验方法

试验采用大型高压三轴蠕变仪。其主要技术指标为:试样尺寸为 Ф 300 mm×700 mm;最大周围压力为4MPa;最大轴向压力为1 000 kN。采用砝码并通过液压提供轴向压力与周围压力,设计最长恒载稳定时间能够达6个月。

采用两河口堆石坝堆石料,其级配曲线见表1。制样控制干密度为2.14 g/cm3,分五层人工夯实制样,采用静水头饱和。各级围压根据坝高确定,相应的轴向荷载由应力比和材料的抗剪强度确定。

表1 两河口堆石坝堆石料级配(小于某粒径之土重百分数%)

1.2 加载方式

常规的蠕变试验采用等围压的加载方式,本文根据堆石体实际的蠕变规律采用等应力比的加载方式。

(1)等围压加载

向试样施加荷载的简图如下。

对饱和后的试样施加周围压力进行固结,待试样排水稳定后施加轴向压力,并保持轴向压力与周围压力的稳定。在本级轴向压力下流变变形稳定后,保持周围压力不变,施加下一级轴向压力,继续进行流变试验。依次逐级施加轴向压力,并继续进行流变试验至结束。

(2)等应力比加载

向试样施加荷载的简图如下。

对饱和后的试样施加周围压力进行固结,待试样排水稳定后施加轴向和周围压力,并保持轴向压力与周围压力的稳定。在本级压力下蠕变变形稳定后,保持应力比不变,施加下一级周围压力和轴向压力,继续进行蠕变试验。依次逐级施加压力,并继续进行蠕变试验至结束。应力比分别采取1.5,2.0,3.0,3.5,4.0,围压分别为0.5 MPa,1.0 MPa,1.5 MPa,2.0MPa,2.5 MPa,3.0 MPa。

2 试验结果分析及加载方式的比较

2.1 堆石料变形分析

根据试验结果,绘制了轴向应变、体积应变随时间的变化曲线,如图1～图4所示。

采用等应力比的加载方式,轴向变形与体积变形与时间的变化关系均呈现初期变化迅速,而当堆石料逐渐密实,堆石料的变形转为蠕变变形,后期变形趋于平缓,进入一个长期的缓慢变化过程。

图1 等应力比加载方式下轴向变形与时间关系(应力比3.0)

图1为堆石料轴向应变与时间的关系曲线。从图1可以看出,在荷载施加后的较短时间内,堆石料的轴向应变迅速增加,大约在加载后1 h左右轴向变形速率变缓并逐渐趋于稳定。同一应力比情况下,围压较小时,轴向变形趋于稳定的起始时间要早一些。反之,围压较大时,变形趋于稳定的时间迟一些,围向荷载较大时轴向变形更大。

采用体变管量测试样排出的水量,以此计算试样的体积变化,图2为堆石料体积变形与时间的关系曲线。与试样轴向变形的特征类似,在荷载施加后的较短时间内,试样的体积变形迅速增加,而后进入蠕变变形阶段,试样体积变形速率变缓并逐渐趋于稳定。

其他应力比条件下堆石料的轴向变形、体积变形与时间的关系特征是类似的。

图2 等应力比加载方式下体积变形与时间关系(应力比3.0)

图3 轴向变形与时间在单对数坐标中的关系

图3是轴向变形与时间在单对数坐标中的关系,可以看出,在对数坐标中,轴向变形与时间成线性关系,而且通过试验获得堆石料轴向变形随时间的变化规律,对于不同的围压和应力比,这种线性关系是类似的。因此,可以采用对数函数描述轴向变形与时间的关系,即

式中:t为蠕变试验中的时间点,t0作为蠕变开始的时间点,为一定值,这里取历时较长的1 d作为蠕变开始的时间点,即t0=1440 min,在式(1)中,当t=1440 min时,a称之为轴向初始蠕变;b为轴向变形拟合曲线的斜率,表示试样的轴向蠕变速率,称之为轴向蠕变系数。

图4 体积变形与时间在双对数坐标中的关系

同理,图4是体积变形与时间在双对数坐标中的关系线,可以看出,体积变形与时间呈线性关系,因此可以采用幂函数拟合堆石料体积变形与时间的关系,即

式中:α为当t=1440 min时试样的体积变形,称之为体积初始蠕变;β为体积蠕变拟合曲线的斜率,表示试样的体积蠕变速率,称之为体积蠕变指数。

在上述轴向变形、体积变形是时间的函数关系中α,β的取值与试验采用的应力比及围压有关,通过分析可以得出α,β的函数取值。

另外,t0取值1440 min,有效避免了在处理数据时,轴向初始蠕变和体积初始蠕变为负值的情况,如图5所示,因此t0的取值对于函数参数的选择影响较大。

图5 体积初始蠕变与应力比、围压关系

2.2 两种加载方式的对比分析

传统三轴试验采用等围压的三轴试验方法进行,使得试验确定的应力-应变关系计算结果与实际工程的应力、变形相差较大,而实际中施工期堆石坝体的大部分区域的主应力比保持常数,在水荷载作用下,有效平均应力增加,而 σ1-σ3减少。即在堆石填筑过程中,随着堆石体的不断升高(随着筑坝高度的增加),σ1(垂直方向)增加,σ3也随着 σ1的增加而增加,σ1/σ3基本为常数。采用等应力比的加载方式正是根据实际工程中堆石料的应力特性,围压与轴压等比例增加,因而更接近堆石坝实际的蠕变过程。

3 结 论

(1)本文给出了堆石料在等应力比加载方式下蠕变的变形规律。

(2)初步探讨了在等应力比加载方式下,堆石料蠕变变形规律可以用对数函数、幂函数描述,t0的取值影响着函数参数的选择。

(3)对堆石料在不同加载方式下蠕变变形的影响进行了探讨,得出在等应力比加载方式下,堆石料蠕变试验更接近实际工程的应力特性。

[1]杨 键.天生桥一级水电站面板堆石坝沉降分析[J].云南水力发电,2001,17(2):59-63.

[2]沈珠江,左元明.堆石料的流变特性试验研究[C]//第六届全国土力学及基础工程学术会议论文集.上海:同济大学出版社,1991:443-446.

[3]沈珠江,赵魁芝.堆石坝流变变形的反馈分析[J].水利学报,1998,40(6):1-4.

[4]程展林,丁红顺.堆石料蠕变特性试验研究[J].岩土工程学报,2004,26(4):473-476.

[5]王 勇,殷宗泽.一个用于面板坝流变分析的堆石流变模型[J].岩土力学,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

北京工业大学建工学院市政工程北京市重点实验室项目

程 博(1986—),男(汉族),河南安阳人,硕士研究生,研究方向为水工结构可靠度分析。