浸润作用下土石坝粒料湿化变形特性研究

刘 姿

(商丘市睢阳区水务局，河南 商丘 476000)

0 引 言

随着社会经济的高速发展，城市及农村的生活及工业用水、农田灌溉用水等用水需求量不断增加，导致人类对水资源的依赖和利用程度不断增加，其中修筑大坝进行水资源的存储及合理分配是目前最为常用的手段[1-2]。在众多种类的大坝中，土石坝由于其材料坚固、施工便捷和经济成本低等诸多优势被广泛采用，我国现存的水库大坝中土石坝占比高达95%以上[3-4]。

目前，世界范围内的土石坝种类较多及施工工艺较为完善。如1961年在塔吉克斯坦修建的高300 m的心墙土石坝、我国大渡河拥有高314 m的心墙堆石坝、1994年在小浪底修建的壤土斜心墙堆石坝等[5-6]。但是随着施工环境的复杂化及施工进度的推进，土石坝也开始出现诸多的问题，如心墙渗透破坏、坝体沉降及坝顶裂缝等[7-8]。现代大坝出现的病险影响因素较多，但是其中最重要的影响因素是渗流、石料湿化变形、流变等。目前有许多学者通过改进湿化模型及现场应用相结合的方式对土石坝的湿化变形机理进行了更加深入的研究[9-10]，但尚未形成一套较为完整的土石坝粒料湿化变形特性理论。

因此，本文在充分了解土石坝粒料湿化变形影响因素的基础之上，通过室内常规三轴试验，研究土石坝粒料湿化后的轴向变形和体积变形，并且根据室内试验数据得出土石坝粒料湿化后的变形经验公式，得到土石坝粒料湿化应变模型，为更加全面了解土石坝粒料湿化变形特性提供理论基础。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

本次试验所用的土石坝粒料是以某大坝筑坝粗粒料为原型，通过等效替代法进行配制。首先根据现场粒料级配用相同比例的方式将粒料进行缩小，这个过程需要维持原有级配的均匀系数，同时必须保证小于5 mm粒径的颗粒含量不得大于30%，等效替代法计算后得到的具体级配见表1。根据《土工试验规程》(SL 237-1999)规范，测定得到粒料的基础物理力学参数，所有参数均是3次试验后取平均值得到的，包括最大干密度1.78×103kg/m3、最小干密度1.36×103kg/m3、相对密度0.55、摩擦角1.34°和黏聚力39.75 kPa。

表1 粒料级配

1.2 试验设备

本次试验主要通过STX-600三轴试验系统对土石坝粒料的变形进行测定，试验设备见图1。该试验仪器主要由4部分组成：① 围压控制室；② 三轴压力控制室；③ 动力系统；④ 信号处理器。其中，围压控制室主要是提供大气压和负压，如果出现漏气也能通过手动操作进行补压，同时向试样底部注水也是通过该装置；三轴压力控制室能向试样施加压力，该设备的最大轴向力为300 kN，压力室能承受1 MPa的压力，试样直径可以设置为70、100、150和300 mm；计算机操作系统主要通过CATS软件进行操作。

图1 STX-600三轴试验系统示意图

1.3 试验方法

目前最常用的湿化变形试验方法主要有单线法和双线法。单线法是通过常规三轴试验仪对试样进行预压力加载，当达到设定的应力值时保持稳定加载，并对试样底部进行湿化，通过试样达到饱和后的附加变形作为试样的湿化变形[10]。双线法是在同样的应力水平条件之下，对常规的干燥试样和经过湿化一定时间的饱和试样进行常规三轴试验，通过两种试验条件下得到的应变差作为最终的湿化变形[10]。两种试样方法各有利弊，大坝土石料在湿化过程中承受着自身的重力作用，这与单线法的试验原理更加接近。因此，为了更加贴合现场情况，本次试验采用单线法进行试验。

试验准备工作首先根据级配准备好粒料，分多次将粒料放入成膜筒内，成膜筒外侧包裹两层成膜筒，装满后进行振荡，随后进行三轴试验。根据《土工试验规程》(SL 237-1999规范)及干燥试样的常规三轴试验结果，设定湿化变形试验的应力水平为0、0.2、04和0.6，围压设置为200、400和600 kPa，湿化稳定时间设置为24 h，当试样变形达到轴向应变的15%或破坏时停止试验。

2 试验结果分析

2.1 常规三轴试验结果

为了更好了解湿化对常规土石坝粒料变形的影响，首先对常规土石坝粒料进行不同围压条件下的三轴剪切试验，加载控制条件为剪切速率控制，速率大小设置为0.5%/min，常规土石坝粒料三轴试验结果见图2。根据试验结果可知，在同一围压水平下，随着加载时间的不断增加，试样的偏应力呈现出先增大后稳定的趋势；在相同的加载时间下，试样的偏应力随着围压的增大而增大，说明偏应力大小与试样的强度关系紧密。

图2 不同围压下试样偏应力与时间关系曲线

2.2 湿化变形量分析

试样的轴向变形主要是通过轴向位移传感器将试样在加载过程中的轴向位移采集并输入系统中计算而来，试样的体积变形主要是通过径向的链条传感器将变形数据采集并实时输入系统中，本次试验所用的径向传感器的精度为-15%～15%。土石坝粒料试样的湿化轴向变形、湿化体积变形和剪应变结果见表2。从表2中可以看出，在同一围压之下，随着应力水平的升高，试样所受的偏应力逐渐增大，并且在湿化的条件下，当应力水平大于0时，试样的轴向变形量始终大于其体积变形量；而在相同应力水平和不同围压下，试样的偏应力和变形量与围压大小呈正相关。

表2 湿化变形量

2.3 轴向湿化应变模型

由表2中的试验数据对试样的轴向湿化变形与应力水平关系进行曲线拟合，结果见图3。

图3 不同围压下试样轴向湿化变形与应力水平关系

3种围压条件下曲线拟合公式为：

Δεa=a×b^x

(1)

式中：Δεa为试样的轴向应变；a和b为常数；x为应力水平。

拟合结果见表3。3种围压条件下，拟合曲线的相关系数均大于0.97，说明拟合程度很高，即试样的轴向湿化变形随着应力水平的增加符合指数增长的趋势。

表3 轴向湿化应变拟合结果

2.4 体积湿化应变模型

由表2中的试验数据对试样的体积湿化变形与应力水平关系进行曲线拟合，结果见图4。

图4 不同围压下试样体积湿化变形与应力水平关系

3种围压条件下曲线拟合公式为：

Δεa=c+d×x

(2)

式中：Δεa为试样的轴向应变；c和d为常数；x为应力水平。

拟合结果见表4。从表4中可以看出，3种围压条件下，随着围压的增大，拟合效果越好，说明试样的体积应变在高围压下更加符合线性变形趋势；当围压为200 kPa时，拟合曲线的相关系数为0.934 1，拟合程度也较好，即试样的体积湿化变形随着应力水平的增加符合线性增长的趋势。

表4 体积湿化应变拟合结果

3 结 论

本文以现场大坝为原型，通过单线法对土石坝粒料的湿化变形进行三轴剪切试验，构建了不同围压下粗粒料湿化变形模型，得到如下结论：

1) 土石坝粒料常规三轴试验表明，试样所受偏应力大小与围压呈正相关。

2) 土石坝粒料湿化变形试验表明，试样的轴向应变和体积应变均与围压和应力水平呈正相关。

3) 构建了土石坝粒料湿化应变模型，随着应力水平的增加，粒料的轴向变形和体积变形分别呈指数和线性增长趋势。