堆石料制样方法对其强度和变形特性影响

傅 华，凌 华，张亚丽，韩华强

（1.南京水利科学研究院 岩土工程研究所，江苏，南京，210029；2.中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京，100024）

0 前言

堆石料是高土石坝的主要筑坝材料，其强度和变形特性事关土石坝安全，因此国内外学者针对堆石料的强度和变形特性开展了大量的研究工作，取得了重要进展［1－5］.但堆石料室内试验制样方法对其强度和变形特性影响的研究很少有人涉及.堆石料的制样方法主要影响其干密度，研究表明［6－11］，堆石料的干密度对其剪胀效应、颗粒的破碎和重排均具有明显影响，从而影响其强度和变形指标.随着水利水电开发进程的推进，我国还将兴建一批高土石坝.为提高堆石料的密实度，减小土石坝的后期变形，重型碾压设备已在土石坝碾压施工中普遍使用，对土石坝筑坝材料现场碾压的密实度要求也越来越高.因此，研究堆石料室内试验制样方法对其强度变形指标的影响，提出能合理模拟土石坝碾压施工过程的堆石料制样方法显得很有必要.

笔者分别针对棱角明显的堆石料和浑圆度较好的砂砾料，进行了表面振动器压实法和振动台法制样比较试验，研究了上述两种制样方法对其干密度以及相应强度和变形指标的影响，在此基础上对堆石料的制样方法提出了建议.

1 堆石料制样方法比较试验

最大干密度试验分别采用振动台法和表面振动器压实法进行，试样筒尺寸为Φ300×360 mm.试验用料分别选用棱角明显的爆破料和颗粒浑圆度较好的砂砾石料，其级配曲线如图1所示.振动台法制样时，在试样表面施加荷重为14 k Pa的静载，在振幅为0.64 mm的振动台上连续振动8 min；表面振动器压实法制样时，试样分3次铺装，采用试样表面静载为14 k Pa，振动频率为40 Hz的表面振动器对试样进行压实，振动持续时间为8 min.

图1 试验级配Fig.1 Gradation curves

试验得出的上述两种式样的干密度见表1.从表中可以看出，对于同一级配的试样，表面振动器压实法得出的最大干密度值明显要高于振动台法得出的最大干密度值.爆破料提高了0.06 g／c m3，砂砾石料提高了0.10 g／c m3.导致试样干密度产生上述差异的原因与制样方法有关.振动台法制样时采用固定静载，通过试样下部的激振源使试样在一定振幅下振动密实；而表面振动器法制样时，将激振源和静载联合在一起，在试样表面进行振动密实，一方面表面振动器“活荷载”比振动台法的“死荷载”能够产生更大的冲击力，更易使试样产生颗粒破碎，有利于试样粗、细颗粒之间的滑移和充填，另一方面，现场坝体的填筑也是

通过一定功率的碾压设备分层表面振动碾压，表面振动器制样方法更接近于土石坝施工碾压实际过程.对于同样级配曲线，在同样的振动功率下，砂砾料的密度要明显高于堆石料，主要原因就是砂砾料的浑圆度要明显优于堆石料，在同样的振动功率下，粗、细颗粒之间更易于滑移和充填，形成较高的密实度.

表1 两种试验方法的最大干密度比较Tab.1 The maximum dry density under different sample prepar ation method g·c m－3

2 堆石料强度与变形特性试验

针对上述两种制样方法得出的爆破料试样，利用大型三轴剪切仪对其强度和变形特性开展了试验研究，大型三轴剪切仪试样尺寸为Φ300×700 mm，试样均处于自然风干状态，分60～40 mm、40～20 mm、20～10 mm、10～5 mm、5 mm～0五种粒径范围进行试样的备制，制样过程中主要控制好两点：①进行分层铺装，尽量减少试样粗、细颗粒的离析；②分层振动，保证整个试样的密度均匀性，然后按要求分别进行不同围压和不同垂直应力条件下的试验.

2.1 制样方法对强度特性的影响

通过大型三轴试验所得不同围压下的破坏峰值和强度指标见表2.

表2 破坏峰值和强度指标Tab.2 Failure stress and strength indexes

表2显示，在每一级围压下，表面振动器法对应试样的破坏峰值均高于振动台法.围压400 k Pa时，振动台法的破坏峰值为2 085.2 k Pa，表面振动器法对应试样的破坏峰值为2 214.7 k Pa，较振动台法提高了129.5 k Pa；围压3 000 k Pa时，振动台法的破坏峰值为10 365.4 k Pa，表面振动器法的为10 674.7 k Pa，较振动台法提高了309.3 k Pa.两种试样破坏峰值的差值随围压的增大而增大，这是因为在低围压状态下密度的优势不明显，随着围压的增加，密度高的由于颗粒间咬合的越紧密，颗粒间接触点数增加，有缓解颗粒破碎的作用，相应于破坏峰值差异性就比较明显，用强度指标表示，Φ 值由37.9°提高至38.3°，提高了1.06%，c值由235.7 k Pa提高至257.4 k Pa，提高了9.21%.

2.2 制样方法对变形特性的影响

通过大型三轴试验所得两种制样方法所对应试样的应力应变曲线和体积曲线见图2和图3，整理出邓肯模型参数见表3.

表3 邓肯（E－B）模型试验参数Tab.3 Test parameters of Duncan’s E－B model

图2 应力－应变曲线Fig.2 Stress－strain curves

（1）应力～应变曲线.图2表明，两种应力应变曲线均属于应变软化性，表面振动器法对应密度2.24 g／c m3试样的应力应变曲线要明显陡于振动台法对应密度2.18 g／c m3试样.随着围压的增加，曲线形状差别增大.这种曲线形状差别反映了试样初试剪切模量Ei相差较大，不同围压下初始切线模量值Ei值见表4.密度值由2.18 g／c m3增加至2.24 g／c m3，相应于初试切线模量Ei则产生大幅度的增加，增加率为11.4%～33.3%，表现为邓肯模型参数则是k值由883.3增加至1 162.4，提高了31.6%.

图3 体积变化曲线Fig.3 Volume Change curves

表4 不同围压下初始切线模量值Tab.4 Initial tangent modulus under different cell pressure

（2）体积变化曲线.由图3，两种试样体积变化曲线在低围压下均发生了明显的剪胀，随着围压的增大，剪胀性逐渐减弱.围压400 k Pa时，表面振动器法试样最大体变为0.68%，振动台法的最大体变为1.17%；围压3 000 k Pa时，表面振动器法的为2.52%，振动台法的体变为3.38%.表面振动器法所对应试样的密度大，孔隙率小，在各级围压下的体积变化均小于振动台法对应试样的体积变化，并且这种差值随着围压的增大而逐渐变大.试验结果表示为邓肯模型参数kb值由456.6提高至624.9，提高了36.8%.

通过上述的试验比较，可以看出，表面振动器压实法得出的最大干密度值明显要高于振动台法得出的最大干密度值，而制样密度的差异必然对堆石料的力学特性产生影响.①对强度特性的影响，用Φ值表示，提高了1.06%，用C值表示，提高了9.21%，制样密度的差异对强度特性的影响较小；②对变形特性的影响，用邓肯模型参数K值表示，提高了31.6%，用邓肯模型参数Kb值，表示提高了36.8%，制样密度的差异对变形特性的影响则非常明显.

随着重型碾压设备在土石坝碾压施工中的普遍使用，我国行业标准、规范规定的粗粒料的最大干密度测试的振动台测试方法已远不能与高土石坝大功率的碾压设备相匹配.自20世纪80年代开始，以南京水科院为代表的我国水电水利行业部分单位均已采用表面振动器法来测定最大干密度，目前，表面振动器法也已写入到《水电水利工程土工试验规程》DL／T 5355—2006，修订后《土工试验规程》SL 237—1999也将编入表面振动器法.考虑到堆石坝的填筑施工常用振动碾为18～25 t，最大已达到32 t，而目前室内表面振动器底板压应力常选用为14 k Pa，因此即使选用表面振动器压实法，仍会出现室内试验试样最大干密度达不到设计要求的情况.考虑到密度是影响堆石料强度和变形特性的重要因素，因此，室内试验制样时，可通过增大振动器底板静压力、延长振动时间来提高振动功率，尽量减小室内的最大干密度与现场碾压密度的差异，使室内试验成果能更准确反映现场堆石料的力学特性，特别是变形特性.

3 结论

（1）表面振动器压实法相对于振动台法由于更易使试样产生颗粒破碎，有利于试样粗、细颗粒之间的滑移和充填，用其得出的最大干密度值明显要高于振动台法.表面振动器制样方法更接近于土石坝施工碾压实际过程，将其作为堆石料室内试验制样方法是合适的.

（2）针对两种制样方法得出的试样进行的大型三轴剪切和压缩试验结果表明，制样方法对堆石料的强度和变形指标具有明显影响，表面振动器法对应试样的强度和变形指标均优于振动台法，其中对变形特性指标的影响更为显著.

（3）随着重型碾压设备在土石坝碾压施工中的普遍使用，堆石料室内试验制样时，应通过增大振动器底板静压力、延长振动时间来提高振动功率，尽量减小室内的最大干密度与现场碾压密度的差异，使室内试验成果能更准确反映现场堆石料的强度和变形特性.

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