0.   引言

对于高土心墙堆石坝,坝体的强度与变形协调是制约工程建设的关键问题。顾淦臣^[1]在分析土石坝的裂缝时提出2种主要裂缝成因：①坝壳料沉降大,心墙沉降小,坝壳沉陷对心墙产生切力,引起坝顶产生纵向裂缝,②心墙沉陷大,坝壳沉陷小,坝壳对心墙产生钳制力,坝壳内产生拱效应,心墙发生水平裂缝,破坏坝体的防渗系统。已建的高土心墙堆石坝工程不少出现局部损伤破坏^[2],如国内坝高160 m的小浪底土心墙堆石坝,坝高186 m的瀑布沟土心墙堆石坝,美国坝高156 m的库加尔土心墙堆石坝,墨西哥坝高148 m的埃尔因菲尼罗坝等,都在坝肩处出现了明显的裂缝。这说明目前采用的砾石土心墙料的试验研究方法、强度与变形参数等仍存在不足之处,导致与坝壳料变形不协调,无法完全满足高土心墙堆石坝建设和长期安全运行的需求,需要对砾石土心墙料进行更深入的试验研究工作。

三轴试验是测定心墙料抗剪强度指标和应力变形参数的最基本方法,砾石土心墙料中既含有颗粒较粗的碎石料,又含有相当大比例的黏性土,渗透性非常低。强度变形试验需要使用大型三轴仪,但砾石土心墙料因渗透系数低导致大试样的饱和、固结、排水等非常困难,需要耗费较长时间,试验周期长、效率低^[3-5],同时,试样饱和效果不好,排水不充分会导致瞬间变形偏小,得到的变形不准确,试验成果不真实。因此,砾石土心墙料的强度及应力应变特性试验成为了岩土力学测试中的难点问题。

长江科学院针对砾石土心墙料的试验难点问题进行了技术攻关,提出采用“砂芯”加速饱和、固结、排水的专利技术方法^[6-7],采用此技术方法,对某水电站的砾石土心墙料进行了试样直径500,300,150,100 mm等系列的室内试验,探讨了剪切速率、试样尺寸、最大颗粒粒径、应力状态等因素对强度和变形的影响规律。

1.   砂芯加速饱和固结、排水技术方法^[6]

砾石土心墙料大型三轴饱和固结排水剪试验的难点即为大尺寸试样的充分饱和与试验过程中的排水通畅,保证数据的真实可靠,因此对“砂芯”加速饱和、固结排水方法进行简单介绍。砾石土心墙料加速饱和、固结排水的基本要求是在不影响力学性质的条件下,尽量缩短试样饱和、固结排水时间,提高效率。

以试样尺寸φ300 mm×H600 mm的大型三轴为例,在直径为300 mm的大尺寸砾石土心墙料土样中沿轴向均匀分布13个φ6 mm的预成孔,砂芯占试样截面积的比例为0.52%,在孔中灌砂形成砂芯,砂芯起到有效增加进水通道、减小排水距离,提高试样的饱和度、排水速度的作用。经试验验证有砂芯样和无砂芯样的三轴固结排水剪切试验的应力应变关系曲线十分近似,砂芯的设置对砾石土试样的强度及应力应变特性的改变不大；但有砂芯样的孔压消散过程明显加快,砂芯的排水作用是明显的（图1）。因此,在保证剪切过程中完全排水的前提下砂芯可以大大提高试验的剪切速率,砂芯加速排水方法使砾石土心墙料大型三轴试验成为可能。

图  1  砂芯样孔压消散曲线对比^[6]

Figure  1.  Comparison of pore pressure dissipation in samples with sand cores^[6]

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2.   试验方案与成果

2.1   试验级配

本次试验的砾石土心墙料原始级配线最大粒径200 mm,大于60 mm颗粒约占10.0%,大于20 mm颗粒占27.4%,小于5 mm的细粒含量占到53.7%。

室内模拟级配线根据试验设备允许的最大粒径采用等量替代法进行缩尺,保持小于5 mm含量不变。各试验级配组成见图2。

图  2  砾石土心墙料原始级配与模拟级配

Figure  2.  Original and simulated gradations of gravelly soil core materials

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2.2   试验密度

对模拟级配1、模拟级配2、模拟级配3进行重型击实试验,获得的最大干密度和最优含水率见表1。试验干密度按压实度97%计算,统一取2.05 g/cm³。

表  1  大型击实试验成果表

Table  1.  Results of large-scale compaction tests

试样类型	最优含水率/%	最大干密度/(g·cm-3)	试验干密度/(g·cm-3)
模拟级配1	8.4	2.11	2.05
模拟级配2	8.5	2.11	2.05
模拟级配3	8.0	2.12	2.05

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在5 mm含量和击实功能相同的条件下,控制不同的级配允许最大粒径,用等量替代法所得到的3条模拟级配的最大干密度和最优含水率基本相同,模拟级配的最大粒径对最大干密度的影响较小。这主要是因为在5 mm含量超过50%条件下,细粒部分对最大干密度起到关键作用,粗粒悬浮在细料中间,不能形成骨架^[8]。

2.3   试验仪器

试验仪器采用系列三轴仪和大型平面应变仪,三轴仪的试样尺寸为φ500 mm×H1000 mm、φ300mm×H600 mm、φ150 mm×H300 mm、φ100 mm×H200 mm 4种。平面应变仪的试样尺寸（长×宽×高）L300 mm×W300 mm×H600 mm,小主应力0～2 MPa,大主应力0～8 MPa。

2.4   试验方案

根据试样饱和、排水条件、应力状态等因素设计了4种试验,分别为饱和固结排水三轴剪切、饱和固结不排水三轴剪切、非饱和固结排水三轴剪切、非饱和固结排水平面应变试验,试验条件见表2。部分试验成果见表2。

表  2  砾石土心墙料的试验条件与强度、变形参数

Table  2.  Test control conditions and strength and deformation characteristics of gravelly soil core materials

项目	模拟级配	试样尺寸/mm	备注条件	剪切速率/(%/h)	强度与变形参数
					K	n	Rf	G	F	D	$c^{\prime }$/ kPa	${\phi }^{\prime }$/(°)
饱和固结排水三轴 CD	2	φ300×600	砂芯6mm	0.20	581	0.44	0.87	0.35	0.15	4.69	31	31.6
	2	φ300×600	砂芯8mm	0.20	546	0.32	0.73	0.24	0.08	6.30	33	32.4
	3	φ150×300	砂芯4mm	0.19	571	0.46	0.84	0.37	0.11	4.43	32	29.6
	3	φ101×200	砂芯4mm	0.09	639	0.39	0.79	0.35	0.20	2.82	27	31.8
非饱和固结排水剪CD	1	φ500×1000	Sr =71.1	0.30	811	0.31	0.84	0.33	0.19	6.59	154	31.1
	2	φ500×1000	Sr =71.1	0.30	756	0.29	0.83	0.19	0.03	4.73	199	30.4
	2	φ300×600	Sr =71.1	1.00	742	0.38	0.86	0.24	0.07	5.04	224	27.3
	2	φ300×600	Sr =71.1	0.30	775	0.26	0.85	0.29	0.06	3.46	144	29.3
	3	φ150×300	Sr =67.3	1.44	815	0.32	0.82	0.43	0.20	4.57	80	28.6
	3	φ101×200	Sr =69.0	0.12	600	0.40	0.80	0.31	0.15	4.03	173	33.1
	3	φ101×200	Sr =90.1	0.12	550	0.45	0.75	0.38	0.20	4.17	71	33.6
	3	φ101×200	Sr =98.5	0.12	500	0.35	0.75	0.32	0.18	3.26	21	31.4
非饱和平面应变	1	L300×W300×H600 mm	Sr =71.1	0.30	762	0.32	0.78	0.34	0.15	5.33	128	34.8
	2			0.30	700	0.35	0.77	0.22	0.10	4.97	113	33.3
注：Sr为试样饱和度。

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3.   影响因素分析

3.1   试验剪切速率影响

为了研究试验剪切速率对强度和变形的影响,对级配2、级配3进行了2组饱和固结不排水三轴剪,试样尺寸分别为φ100 mm×H200 mm和φ300 mm×H600 mm两种,剪切速率分别为1%/h,2%/h,4%/h,剪切速率与规范建议的剪切速率（3%～6%）/ h相差不大。图3为试样尺寸φ100 mm×H200 mm的中型三轴成果,3个剪切速率的应力应变曲线基本重叠,这说明对φ100 mm×H200 mm的三轴样采用规范建议的剪切速率是合适的。图4为试样尺寸φ300 mm×H600 mm的大型三轴成果,基本规律为剪切速率大的峰值强度高,这与采用的剪切速率较快有关,（2%～4%）/h的剪切速率相对φ300 mm×H600 mm的试样尺寸仍是较快的剪切速率。对于φ300 mm×H600 mm的砾石土心墙料试样,说明目前规范中建议的CU试验剪切速率（3%～6%）/h偏大,试验获得的峰值强度和初始切线弹性模量偏高,使抗剪强度参数和变形参数偏大,对工程设计是不利的。

图  3  中三轴饱和CU试验应力应变对比曲线

Figure  3.  Stress-strain contrast curves of saturated consolidated without drainage axial shear with size of Φ100×H200 mm

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图  4  饱和大三轴CU试验应力应变对比曲线

Figure  4.  Stress-strain contrast curves of saturated consolidated without drainage triaxial shear with size of Φ300×H600 mm

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对模拟级配2,剪切速率为1%/h,0.3%/h的非饱和固结排水三轴成果进行分析（图5）,可见剪切速率较慢时,峰值强度差别较小,但应变6%范围内的应力应变曲线差异较大,将导致变形参数的差异,因此在试验仪器允许的剪切速率下,应选择较低的剪切速率。

图  5  非饱和大三轴CD试验应力应变对比曲线

Figure  5.  Stress-strain contrast curves of unsaturated consolidated drainage triaxial shear with size of φ300×H600 mm

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因此,对砾石土心墙料的饱和试验,要保证试样的充分饱和与固结过程中孔隙水充分排出,否则对试验成果影响较大。在较大尺寸的试验中,保证试样排水路径通畅成为首要条件。为保证大尺寸试样的试验能够充分排水,对试样采用砂芯饱和及加速排水的新技术,同时采用较低的剪切速率,能获得比较真实的强度参数。结合本次试验成果,建议CD试验剪切速率取（0.2%～0.3%）/h,CU试验剪切速率取1%/h。

3.2   试验尺寸影响

饱和固结排水三轴的4组试验,尽管采用的试样尺寸不同,剪切速率也不同,但饱和固结排水剪切条件下,得到了基本相同的强度和变形参数,表2中的抗剪强度参数$c^{\prime }$值27～33 kPa,内摩擦角${\phi }^{\prime }$值29.6°～32.4°,差异性较小,图6绘制了主应力差与围压的关系曲线,不同试样尺寸的主应力差与围压集中在狭窄的范围内,并呈现相同的斜率,这说明在本次试验级配条件下,试样尺寸对强度与变形的影响非常小,已基本获得了砾石土料的真实强度和变形特性。

图  6  饱和三轴CD试验最大主应力差与围压曲线

Figure  6.  Stress deviator and confining pressure curve of saturated consolidated drainage triaxial shear

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近似含水率和剪切速率条件下的非饱和固结排水三轴主应力差与围压的关系曲线见图7,表现出相同的规律。

图  7  非饱和三轴CD试验主应力差与围压曲线

Figure  7.  Stress deviator and confining pressure curve of unsaturated consolidated drainage triaxial shear

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3.3   最大粒径影响

在非饱和固结排水三轴剪切试验和平面应变试验中,采用试样尺寸φ500 mm×1000 mm的三轴仪和L300×W300×H600 mm的平面应变仪,对级配1和级配2进行了对比研究,除最大粒径外,其它控制条件均相同。图8是非饱和固结排水三轴剪切试验的应力应变对比曲线,可见级配1和级配2的曲线除围压1.6 MPa有差异外,其余3个围压的应力应变近似重合,围压1.6 MPa在应变10%后也重合在一起。图9是2组成果的最大主应力差与围压曲线,可见最大主应力差相差极小,这说明在本次试验级配条件下,试样中的最大颗粒只要与试样尺寸相协调,最大粒径对强度和变形的影响非常小。

图  8  非饱和固结排水三轴剪应力应变对比曲线

Figure  8.  Stress-strain contrast curves of unsaturated consolidated drainage triaxial shear

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图  9  最大主应力差与围压曲线

Figure  9.  Stress deviator and confining pressure curve of triaxial shear and plane strain tests

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3.4   应力状态影响

对模拟级配1和模拟级配2进行了大型三轴试验和平面应变试验,除试样应力状态有差异外,其它控制条件均相同。图10是模拟级配2的非饱和固结排水三轴剪切试验的应力应变对比曲线,可见试验围压和试样密度相同的情况下,平面应变试验的主应力差峰值比三轴试验高10%～15%（图9）。根据平面应变试验曲线,计算的黏聚力$c^{\prime }$值与轴对称三轴试验的黏聚力大致相当,而内摩擦角${\phi }^{\prime }$值比轴对称三轴试验成果高2°～3°。

图  10  三轴与平面应变试验应力应变对比曲线

Figure  10.  Stress-strain contrast curves of traxial shear and plane strain tests

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4.   结论

（1）砾石土心墙料的大型饱和三轴试验,保证试样充分饱和与排水通畅是关键,采用砂芯加速饱和与排水,并采用较低的剪切速率,可以获得比较真实的强度与变形参数。

（2）剪切速率对大尺寸试样的峰值强度和变形有较大影响,速率过快将导致内部孔隙水不能及时排出,影响试验成果真实性。在试验仪器允许的剪切速率下,应选择较低的剪切速率。

（3）在本次砾石土心墙料细料含量较多情况下,试样尺寸对强度方面的影响较小,不同试样尺寸的试验成果趋于一致；不同试样尺寸得到的变形参数接近或差异性较小。

（4）相同试验条件下,平面应变试验的主应力差峰值比三轴试验高10%～15%,计算的黏聚力c值与轴对称三轴试验的黏聚力c值大致相当,而内摩擦角$\phi$值比轴对称三轴试验成果高2°～3°。