不同剪切速率下掺砾料大三轴试验

朱俊高龚 选周建方金 伟殷建华

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京 210098; 2.河海大学岩土工程科学研究所,江苏南京 210098;3.丹阳市水利局,江苏丹阳 212300; 4.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川成都 610072;5.香港理工大学,香港九龙)

不同剪切速率下掺砾料大三轴试验

朱俊高1,2,龚 选1,2,周建方3,金 伟4,殷建华5

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京 210098; 2.河海大学岩土工程科学研究所,江苏南京 210098;3.丹阳市水利局,江苏丹阳 212300; 4.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川成都 610072;5.香港理工大学,香港九龙)

对某心墙堆石坝掺砾心墙料进行三轴固结排水剪切试验,研究剪切速率对掺砾心墙料的应力-应变关系和强度特性影响。结果表明:无论剪切速率高低,掺砾心墙料试样在不同围压条件下应力-应变关系曲线均表现出不同程度的硬化和剪缩现象,随着剪切速率的增加,硬化现象逐步增强,剪缩现象逐渐减小;随着剪切速率的增加,偏应力峰值强度(σ1-σ3)f降低越明显,且强度指标φ减小显著;在试验的剪切速率范围内,割线弹性模量E1随剪切速率的增加而减小,体积模量K1随剪切速率的增加呈先增加、后减小的趋势。

掺砾心墙料;剪切速率;土体强度特性;大三轴试验;固结排水剪试验

堆石坝具有适用条件广、经济效益好、设计手段较成熟、施工速度较快及抗震性能强等优点[1],在大坝选型中备受青睐。近年来,我国堆石坝建设迅猛发展,多座200 m甚至300 m级的高坝正在设计或施工中。一般来说,心墙土料中黏粒的含量比较高,心墙料渗透性弱,室内试验时的加载速率不同,意味着排水程度不同,会引起试样的强度和变形不同。另一方面,目前对土石坝进行应力变形分析时需要进行三轴固结排水剪试验,以确定相关模型参数。对高土石坝,为减轻心墙应力拱效应,心墙料一般用掺砾土料以增大其变形模量。心墙料中含砾石,就必须用大型三轴仪进行试验,为了保证试样内的孔压充分消散,加载速率必须很低[2],固结排水时间很长。理论上,对固结排水剪试验,剪切速率越小则所得结果越合理。但是,实际工程常常因为时间限制,有时采用较大的剪切速率。如果剪切速率太大,会导致试验排水不充分,试样内孔压较大,必然引起试验误差。对这种低渗透性含砾石土料的大三轴试验,如果剪切速率不是足够慢会引起多大的误差,迄今为止相关研究很少。因此,有必要研究剪切速率对掺砾心墙料大型三轴试验的应力-应变-强度特性,从而合理评估试验结果的误差,为设计选用提供参考。

有关剪切速率对三轴试验结果的影响,国内外很多学者曾进行过一些探讨性的工作,但主要集中在不排水剪三轴试验方法下剪切速率对黏土应力-应变-强度特性影响的研究。Crawford[3]在不排水剪试验中对Leda黏土的研究发现剪切速率对孔压的影响不容忽视;Thomas等[4]研究了剪切速率对超固结黏土不排水强度的影响,发现当剪切速率较小时,随着固结比的增加,黏土不排水抗剪强度的速率敏感度不断降低;Zhu等[5]对不同超固结比的香港海相沉积粉质黏土进行不同剪切速率的三轴固结不排水试验,发现剪切速率每提高10倍,三轴压缩试验的偏应力峰值强度平均提高5.5%,三轴伸长试验的偏应力峰值强度则平均提高8.4%;拓勇飞等[6]以及李作勤[7]对结构性黏土进行试验研究,发现结构性黏土存在“应变速率软化”现象;蔡羽等[8]对湛江强结构性黏土进行三轴试验,发现CU剪切强度随剪应变率的增大呈现先减小、后增大的特征,存在临界速率现象;李杭州等[9]通过不同剪切速率固结不排水三轴试验,发现加载速率对黏土的应力-变形特性有显著的影响。

掺砾土的固结排水剪切试验研究较多[10-11],但研究剪切速率对土体应力-应变-强度特性影响的相关工作较少。韩胜利等[10]对两河口砾石土心墙料进行三轴排水剪切试验,发现如下规律:砾石土在小围压下极易发生应变软化现象;对于同一围压不同剪切速率下,剪切强度随剪切速率的增大而增大;随着剪切速率的不断增大,强度参数有逐渐增大的趋势,最终趋于稳定。

笔者对双江口心墙堆石坝掺砾心墙料进行了不同剪切速率的三轴固结排水剪切试验,研究剪切速率对试样应力-应变关系及强度特性的影响。

1 试验土料与试验方案

1.1 土料

试验所用土料为掺砾土,其中黏土为双江口心墙堆石坝掺砾心墙料所用的土料,其液限为33.4%,塑限为19.6%,塑性指数为13.8,相对密度为2.71,按文献[12]定名为CL。掺砾黏土料砾石含量(质量分数,下同)为50%,所掺砾石级配如下:粒径为60～40mm、40～20mm、20～10mm、10～5mm、小于5mm的砾石含量分别为23.75%、33.25%、20.78%、7.22%、5.00%。

1.2 方案

三轴试验试样直径为300mm,高度为600mm。共进行了3组不同剪切速率的试验,每组4个试样,固结压力分别为500 kPa、1200 kPa、1800 kPa、2500 kPa。各组试验对应的剪切到应变约15%的时间分别为72 h、24 h、8 h,相应的剪切速率r′分别为0.02 mm/min、0.0625 mm/min、0.1875 mm/min。

试样制备完成后采用水头饱和,一般饱和时间至少24 h,固结完成以固结曲线不再明显变化为准。

2 剪切速率对试验结果的影响分析

2.1 应力-应变特性

图1～3给出了剪切速率分别为0.02 mm/min、0.0625 mm/min、0.1875 mm/min时掺砾心墙料不同围压下的(σ1-σ3)～εa和εv～εa关系曲线,即主应力差～轴向应变和体积应变～轴向应变关系曲线。在此,以剪切速率最小(0.02 mm/min)的试验作为基准,分析剪切速率增大后试样应力应变及强度性质的变化。从图1(a)可以看出,当r′=0.02 mm/min时,各围压下的(σ1-σ3)～εa关系曲线呈现应变硬化型,而且应变较大时曲线趋于平缓,呈现典型的双曲线型。

图1(b)显示各围压下的εv～εa关系表现为剪缩,且非线性明显。

图1 r′=0.02 mm/min时(σ1-σ3)～εa和εv～εa关系曲线Fig.1 (σ1-σ3)vs.εaand εvvs.εaatr′=0.02 mm/min

对比图1(a)和图2(a)、图3(a),可以看出,随着剪切速率增加,(σ1-σ3)～εa关系曲线硬化现象逐步增强。比较图1(b)和图2(b)、图3(b),不难发现,随剪切速率增加,试样体积变形(剪缩)逐渐减小,且曲线的形态也显著不同。在所试验的剪切速率范围内剪切速率对试样应力应变强度性质影响显著。

图2 r′=0.0625 mm/min时(σ1-σ3)～εa和εv～εa关系曲线Fig.2 (σ1-σ3)vs.εaandεvvs.εaatr′=0.0625 mm/min

图3 r′=0.1875 mm/min时(σ1-σ3)～εa和εv～εa关系曲线Fig.3 (σ1-σ3)vs.εaandεvvs.εaatr′=0.1875 mm/min

为了更清楚地分析剪切速率对土料变形性质的影响,根据试验结果整理得同一围压、不同剪切速率下εv～εa关系曲线如图4所示。限于篇幅,这里仅给出了σ3=1200 kPa和σ3=2500 kPa下的体积应变曲线。可以看出,相同围压不同剪切速率下试样的体积变形差异显著,相比之下0.0625 mm/min和0.1875mm/min两种剪切速率下的体积应变比较接近。

为了进一步研究剪切速率增大后试验测定的体积应变的差异,整理了不同围压下各试样对应某轴向应变εa时的体积应变,如表1所示。可以看出,对应相同σ3和εa,不同剪切速率的体积应变差异较大。以εa=10%和σ3=2500 kPa的情况为例,r′=0.0625 mm/min速率测得的体积应变比基准情况减小了28.5%, 0.1875 mm/min速率测得的体积应变则比基准情况减小了39.6%。

为更清楚地看出速率增大后所带来的体积应变测量误差,整理了不同εa对应不同σ3时的体积应变误差(相对于r′=0.02 mm/min速率试验),如图5所示。可以看出,对应不同σ3和εa,速率增大所引起的体积应变误差大多在20%～80%范围,不可忽视,一般情况下这是偏于危险的。

表1 不同剪切速率试验测定的试样轴向应变对应的体积应变Table1 Volumetric strain subjected to axial strain at different shearing rates for tested samples

图4 不同剪切速率的εv～εa关系比较Fig.4 εvvs.εaat various shearing rates

图5 εv相对误差随σ3变化关系Fig.5 Variation of relative errors of εvwith σ3

2.2 强度特性

对比图1、图2和图3可以清晰看出,随着围压增大,剪切速率对偏应力峰值强度的影响也相应增大;同一围压,剪切速率越大,偏应力峰值强度降低越明显。

为清楚看出剪切速率对偏应力峰值强度的影响,整理了同一围压不同剪切速率下的(σ1-σ3)～εa关系曲线,如图6所示。可以看出,剪切速率对(σ1-σ3)～εa关系及其峰值影响显著。

为进一步研究剪切速率对峰值强度的影响,整理了各试样不同速率下峰值强度(σ1-σ3)f随围压的变化关系,如图7(a)所示。图7(a)显示,相同剪切速率下(σ1-σ3)f随σ3的增加几乎呈线性增长。当σ3= 500 kPa时,(σ1-σ3)f随着r′的增加呈先增大、后减小变化。在其他围压下,(σ1-σ3)f随着r′的增加而减小。

为分析剪切速率加大所引起的强度测定误差,整理了r′=0.062 5 mm/min和r′=0.187 5 mm/min试验峰值强度相对于r′=0.02 mm/min试验(基准试验)峰值强度的相对误差δ(负值表示偏小),如图7(b)所示。r′=0.0625mm/min和r′=0.1875mm/min两种试验的δ随σ3的变化规律相似。总体上,r′越大,测定的δ越大;σ3越高,r′对偏应力峰值强度的影响越大。图7(b)中两条线几乎平行,距离平均23.3%,说明剪切速率提高了3倍,其峰值强度减小了23.3%。

根据试验结果整理得试验土料的强度指标如表2所示。从表2可以看出掺砾料的强度指标φ随r′的增大整体上呈现减小趋势,c随r′的增加而显著增大,但由于试验数据较少,所表现的规律还难以总结。

图6 不同剪切速率的(σ1-σ3)～εa关系比较Fig.6 (σ1-σ3)vs.εaat various shearing rates

图7 不同剪切速率下(σ1-σ3)f～σ3关系及δ～σ3关系Fig.7 (σ1-σ3)fvs.σ3andδvs.σ3at different shearing rates

将每个试样4个围压对应莫尔圆整理出来,并求得每个莫尔圆对应的摩擦角,如表3所示。可以看出,总体上,随着r′的增大,φ显著减小。对4个围压,当将r′从0.02 mm/min增大到0.0625 mm/min时,其φ平均减小4.6%;当r′从0.0625 mm/min增大到0.1875 mm/min时,φ平均减小了11.5%。

表2 砾石土料强度指标Table2 Strength indices of tested soil

表3 各试样对应不同围压时的摩擦角Table3 Friction angles of tested samples under various confining pressures

2.3 变形特性

为了进一步研究剪切速率对掺砾心墙料变形性质的影响,整理了各试验不同围压下割线模量E1(即对应1%轴向应变时的割线模量)随r′的变化关系,如图8所示。

图8显示:不同围压下E1随σ3的增大而增大;相同围压下E1随r′的增大而减小,最终趋于稳定。在500 kPa围压下,r′= 0.02 mm/min的E1是r′=0.187 5 mm/min时的 1.4倍;在2500 kPa围压下,r′=0.02 mm/min的E1是r′=0.1875 mm/min时的2.5倍。由此可见,r′增加,掺砾心墙料的E1显著降低,其降低程度随σ3的增加而增加。这种现象说明随着r′的不断增加,试样的孔隙水压逐渐增大,使需要试样抵抗变形的能力逐渐降低。

图8 不同围压下E1～r′的关系Fig.8 Relationship between E1and r′under various confining pressures

对弹性材料,弹性模量只反映材料变形性质的一个方面,要准确地分析掺砾心墙料的变形性质,还需要研究其体积变形模量或泊松比。这里,笔者拟对所试验的掺砾心墙料的体积模量进行研究。

根据三轴试验应力路径,其对应εa=1%时的体积模量可以用此时的主应力差和体积应变确定,即,K1= (σ1-σ3)/(3εv),类似于前面的E1,称K1为εa=1%时的割线体积模量。不同围压下K1随r′的变化关系如图9所示。

图9显示,相同围压下,K1随r′的增加呈先增加、后减小的趋势,r′=0.02 mm/min、0.062 5 mm/min、0.187 5 mm/min的试样在4种围压下的K1平均值分别为 0.633 5 MPa、1.371 8 MPa、0.7873 MPa。不同围压下,r′为0.02mm/min试样的K1随σ3的增大呈先增大、后减小的趋势,而另外2种剪切速率试样的K1随σ3的增大而减小。

图9 不同围压下K1～r′的关系Fig.9 Relationship between K1and r′under various confining pressures

3 讨 论

以上分析表明,剪切速率对掺砾心墙料的应力应变及强度性质有较大影响。对渗透性较低土样的大型三轴试验,即使在24 h内剪切达到应变15%,剪切速率仍然太快,测得的强度偏低,体积应变偏小。从工程角度测得的强度偏低是偏安全,但是试验的体积应变偏小则是偏于危险的。因此,对心墙料试样直径为300 mm的大型三轴固结排水剪试验,剪切时间应大于24 h,至于更合理的剪切时间还有待进一步研究。

另外,由于笔者仅对一种掺砾量下的掺砾心墙料进行了试验,还不能研究掺砾量对E1和K1的影响,仅能得出剪切速率对土料变形性质影响的初步结论。

4 结 论

a.对应不同围压和轴向应变,与剪切速率为0.02 mm/min的试验(基准试验)结果相比,速率增大3～9倍引起试验测得的体积应变减小20%～80%,一般情况下这是偏于危险的;剪切速率增大后,围压越高,偏应力峰值强度减小幅度越大;在低围压下,剪切速率增大后偏应力峰值强度减小幅度较小,甚至会增大;与基准试验相比,速率增大3～9倍后不同围压下偏应力峰值强度减小幅度平均值为9.6%～32.9%。

b.掺砾心墙料试样的内摩擦角φ随剪切速率增大呈现减小趋势。剪切速率每提高3倍,对应每个围压下按照黏聚力为零方法整理的摩擦角减小(约5%)。黏聚力c随剪切速率的增加有不同程度增大,所表现的规律不明显。

c.在试验的剪切速率范围内,割线弹性模量随剪切速率的增大而减小,最终趋于稳定。体积模量随剪切速率的增大、呈先增大、后减小的趋势。

d.从笔者的研究结果看,渗透性较低的土样(如掺砾心墙料)的大型三轴试验剪切时间应大于24 h,对应的剪切速率应大于0.0625 mm/min,合理的剪切时间还有待进一步研究。

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[12]SL 237—1999 土工试验规程[S].

Large-scale triaxial tests on behavior of gravelly soil at different shearing rates

ZHU Jungao1,2,GONG Xuan1,2,ZHOU Jianfang3,JIN Wei4,YIN Jianhua5
(1.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering,Hohai University, Nanjing 210098,China; 2.Geotechnical Research Institute,Hohai University,Nanjing 210098,China; 3.Water Resources Bureau of Danyang City,Danyang 212300,China; 4.HydroChina Chengdu Engineering Corporation,Chengdu 610072,China; 5.The Hong Kong Polytechnic University,Kowloon,Hong Kong)

The stress-strain behavior and shear strength of gravelly soil at different shearing rates were investigated through a triaxial consolidated-drained shear test on the gravelly soil of a core rockfill dam.The results show that regardless of the level of the shearing rate,the stress-strain behaviors of the gravelly soil exhibited various degrees of hardening and shear shrinkage under different confining pressures.As the shearing rate increased,the hardening gradually strengthened but the shrinkage weakened.The peak deviatoric stress(σ1-σ3)fdecreased remarkably with the increase of the shearing rate,and the intensity indexφdecreased significantly.In the range of testing shearing rates,the secant modulusE1decreased with the increase of the shearing rate,and the bulk modulusK1increased initially,and then decreased with the increase of the shearing rate.

gravelly soil;shearing rate;soil strength behavior;large-scale triaxial test;consolidated-drained shear test

TV641.4+1;TU41

:A

:1000-1980(2014)01-0029-06

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.01.006

2013-01 08

高等学校博士学科点专项科研基金(20110094110002);住房和城乡建设部科学技术计划(2012-K3-9);高等学校学科创新引智计划(B13024)

朱俊高(1964—),男,江苏兴化人,教授,博士,主要从事土体基本特性及本构关系研究。E-mail:zhujungao@hhu.edu.cn