三軸模擬實驗研究三軸法在圍堰風(fēng)化砂動態(tài)特性試驗中的應(yīng)用

三軸模擬實驗研究三軸法在圍堰風(fēng)化砂動態(tài)特性試驗中的應(yīng)用

0區(qū)域間環(huán)境的研究三峽河航道一期的填充材料主要為花崗巖風(fēng)化材料（通常稱為風(fēng)化沙）。采用深水(60m)拋填施工,因此風(fēng)化砂的性態(tài)是必需研究的。淤積砂分布在河床上,厚度大,密度低,是圍堰地基的一部分。它的性態(tài)對堰基和堰體穩(wěn)定有重要影響。對風(fēng)化砂和新淤砂的靜態(tài)特性,過去已做過大量的試驗研究。自1990年以來,由于很多問題涉及到土料的動力特性,先后開展了一些研究。特別在“八五”期間,長江科學(xué)院、中國水科院、華僑大學(xué)針對二期圍堰的需要,做了較系統(tǒng)的工作。用動三軸、共振柱測試了動態(tài)特性參數(shù),在現(xiàn)場進(jìn)行了剪切波速測定,獲得了風(fēng)化砂、淤積砂動變形、動強(qiáng)度、動孔壓、阻尼比等大量系統(tǒng)的資料。為二期圍堰的設(shè)計與施工以及評價其動力安全性分析提供了動力學(xué)參數(shù)。1土料級配試驗三峽工程壩址兩岸料場風(fēng)化砂的顆粒級配曲線如圖1所示。粒徑變化范圍較大,原始粗粒粒徑可達(dá)30mm,相當(dāng)一部分粒徑均超過試樣允許粒徑5mm,因此采用模擬料進(jìn)行試驗。本試驗,采用相似級配法制備試樣,可保持原級配的不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Ce不變,但平均粒徑d50由5.6mm降至1.35mm。當(dāng)原級配模擬引起的細(xì)粒含量增加不大時,一般不會引起力學(xué)性質(zhì)的明顯改變。模擬試樣土料級配曲線見圖1。關(guān)于試驗儀器設(shè)備與方法,試驗控制條件等,因篇幅所限,不再詳述,可參閱有關(guān)文獻(xiàn)①②。現(xiàn)將研究結(jié)果分述如后。(1)密度對g/gm優(yōu)勢的影響動力變形特性的試驗內(nèi)容主要包括確定最大剪切模量Gmax與平均有效主應(yīng)力σ0′的關(guān)系;動剪切模量G,阻尼比D隨動剪應(yīng)變γ變化關(guān)系。采用3種干密度試樣,每種密度用2～3種固結(jié)應(yīng)力,2種固結(jié)比分別進(jìn)行試驗。動應(yīng)變?yōu)?0-6～10-4時用共振柱測定動剪模量;動應(yīng)變大于10-4時用動三軸儀測定。同一種密度下,最大剪切模量Gmax隨平均有效固結(jié)應(yīng)力σ0′=(σa′+σγ′)/2的變化為指數(shù)關(guān)系,Gmax按下式確定:Gmax=CΡa1-n(σa′+σp′2)n(1)Gmax=CPa1?n(σa′+σp′2)n(1)式中:C,n為常數(shù);Pa為大氣壓力,取98.0kPa;σa′和σp′為固結(jié)應(yīng)力。當(dāng)Kc′=σa′/σp′或σp′/σa′≤2.0時,Gmax與固結(jié)應(yīng)力比Kc′無關(guān)。三峽風(fēng)化砂試驗得到的Gmax與有效固結(jié)應(yīng)力σ0′的關(guān)系參數(shù)如表1所列。最大剪切模量還可用原位測試的剪切波速確定:Gmax=ρVs2(2)式中:ρ為土的質(zhì)量密度;Vs為土的剪切波速。動剪切模量與動剪應(yīng)變關(guān)系,通常用G/Gmax與γ關(guān)系表述。剪應(yīng)變γ也可用參考應(yīng)變γr來歸一,參考應(yīng)變定義為γr=τmax/Gmax(3)τmax=√[σa′+σp′2sinφc+C′cosφc′]2-[(σa′-σp′)2]2(4)式中φc′,C′分別為有效應(yīng)力的摩擦角及凝聚力。φc′可用靜三軸的結(jié)果,C′=0。G/Gmax與γ/γr及D與γ/γr的部分關(guān)系曲線如圖2所示,表2列出了3種干密度,兩種固結(jié)應(yīng)力比的G/Gmax,D與γr的全部結(jié)果。從歸一化的G/Gmax與γ/γr關(guān)系可見,固結(jié)比Kc相同時,對于ρdc=1.548t/m3及1.715t/m3的土樣,不同固結(jié)應(yīng)力下的G/Gmax曲線基本相同。而ρdc=1.813t/m3的樣品,G/Gmax與γ/γr關(guān)系曲線與上述兩種密度的有明顯差別,即曲線隨剪應(yīng)變增大而明顯下移,表明高密度風(fēng)化砂似乎有更強(qiáng)的非線性變形特性。這與常規(guī)砂土的特性不大一樣,也可能由于制備高密度樣品時,搗碎更嚴(yán)重所致,有待進(jìn)一步論證。阻尼比與動剪應(yīng)變的關(guān)系,飽和砂土的阻尼包括粘滯阻尼和塑性能耗散,統(tǒng)一用阻尼比D表征。D與γ關(guān)系曲線表明,阻尼比隨剪應(yīng)變增加而增大,當(dāng)歸一化應(yīng)變超過10-1時,阻尼比增加較快。(2)土石壩抗震穩(wěn)定分析中統(tǒng)一的動力參數(shù)風(fēng)化砂土的動強(qiáng)度是指在循環(huán)振動周次Nf下,試驗達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)的等幅動剪應(yīng)力值。動三軸試驗中,習(xí)慣上采用3種標(biāo)準(zhǔn):一是初始液化標(biāo)準(zhǔn),即動孔隙水壓力最大值達(dá)到有效側(cè)向固結(jié)應(yīng)力;二是極限平衡標(biāo)準(zhǔn),即動孔壓增量達(dá)到臨界孔隙壓力值Δucr;三是軸向應(yīng)變達(dá)到某規(guī)定值,土石壩抗震穩(wěn)定分析中常取為5%。實際上,對于不同密度,這一破壞標(biāo)準(zhǔn)表示不同的狀態(tài)條件。動強(qiáng)度可用動剪應(yīng)力比Δτd/σ0′與破壞振動周次Nf關(guān)系表示。為了將試驗結(jié)果在抗震穩(wěn)定分析中應(yīng)用,根據(jù)初始應(yīng)力狀態(tài)下的Δτd/σ0′與Nf關(guān)系,以Nf和初始剪應(yīng)力比α=τf0/τf0′為參數(shù),整理出潛在破壞面上的動強(qiáng)度Δτf和地震總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度τf0與初始法向應(yīng)力σf′的關(guān)系。對于不同的破壞振次Nf與Δτd/σ0′的關(guān)系,以及N一定,σf0′與Δτfs值的關(guān)系,圖3分別選用了一組(ρd=1.715t/m3)關(guān)系曲線。實際用于抗震分析時,還應(yīng)確定震級與等效振次N的關(guān)系。工程界普遍采用的震級M與N的關(guān)系為:震級Μ5.5~6.06.57.07.58.0等效振次Ν58122030三峽地區(qū)的地震震級可根據(jù)地震危險性分析確定。(3)不同密度的風(fēng)化砂動特性動孔隙水壓力增長過程,用Δu/σ0′與N關(guān)系曲線表示(以動剪應(yīng)力比Δτd/σ0′為參數(shù))。固結(jié)比、側(cè)向應(yīng)力對孔隙壓力增長特性有明顯影響。動孔壓增長過程Δu/σ0′與Nf關(guān)系曲線因干密度、固結(jié)比Kc、σ3′不同而不同。這里僅列出ρd=1.715t/m3的二組曲線(圖4)。還有不同密度、不同側(cè)向固結(jié)應(yīng)力σ3′、固結(jié)比Kc共17組曲線,限于篇幅,不能一一列出。通過試驗,較系統(tǒng)地對3種密度的風(fēng)化砂模擬料的動力特性參數(shù)進(jìn)行了整理分析。其結(jié)果可作為風(fēng)化砂堰體地震動響應(yīng)分析及抗震穩(wěn)定性評價的輸入?yún)?shù)?？偫ㄆ饋?風(fēng)化砂動特性有如下基本特征:所有試驗密度的風(fēng)化砂均為剪脹性砂土,不產(chǎn)生流滑現(xiàn)象;動力作用下的液化屬往返活動性;有效粘聚力C′=0;各種密度的風(fēng)化砂抗剪強(qiáng)度隨有效應(yīng)力增長的包絡(luò)線(固結(jié)應(yīng)力0～147kPa范圍內(nèi))出現(xiàn)明顯的非線性;在較小的固結(jié)應(yīng)力時,抗剪強(qiáng)度也表現(xiàn)出一定的非線性。2動力特性參數(shù)試驗研究三峽壩區(qū)河床粉細(xì)砂層成為二期圍堰基礎(chǔ)的一部分。靜力學(xué)試驗表明,淤砂層天然密度小,固結(jié)度差,強(qiáng)度指標(biāo)低。為評價淤積砂液化及對堰體動力穩(wěn)定的影響,專門進(jìn)行了動力特性參數(shù)的試驗研究。試驗采用動三軸進(jìn)行,制備2種干密度(ρd=1.48t/m3,1.55t/m3),3種固結(jié)壓力(σc=100kPa,250kPa,400kPa),3種固結(jié)比(Kc=1.0,1.25,1.50)條件下模量、阻尼比測定和抗液化強(qiáng)度試驗①。(1)運動強(qiáng)度試驗結(jié)果列出如表3。由表3可見,φd隨初始干密度與固結(jié)比增大而增大。天然狀況下的密度小,動強(qiáng)度也低。(2)動剪切模量與油膜動力特性的關(guān)系試驗表明,淤積砂的動模量Ed與干密度、固結(jié)應(yīng)力、固結(jié)比有密切關(guān)系。如干密度ρd=1.48t/m3,固結(jié)應(yīng)力0.1MPa及固結(jié)比為1.0時,最大動模量Ed=133MPa。而固結(jié)應(yīng)力為0.4MPa時,最大的動模量Ed=400MPa。Ed的大小,與動應(yīng)變大小也有關(guān)系。動應(yīng)變增大,Ed明顯降低,顯示了較強(qiáng)的非線性特性。動剪切模量是表征土動力特性的重要指標(biāo)。通常由于它的非線性明顯,常用G/Gmax與γ的關(guān)系表示。表4用數(shù)值給出這一關(guān)系。阻尼比的η與γ關(guān)系也列如表4。由表4可見,阻尼比隨動應(yīng)變增大而增加。大應(yīng)變時,阻尼比與通常砂土接近,但小應(yīng)變時,比通常的砂土小2%～3%?？傊?淤積砂在天然狀況下的動強(qiáng)度、動模量、動剪模量均較低,如果沒有良好的壓密,難以保證堰基有可靠的穩(wěn)定性。3上填上填充料剪切波速剪切波速是土的重要特性參數(shù)之一。通常都用原位法測定。自然狀況的風(fēng)化砂及淤積砂剪切波速列于表5。人工干填及水中拋填風(fēng)化砂及堰基下淤砂的剪切波速列于表6。天然狀況及堰體原位測試的風(fēng)化砂及淤積砂的剪切波速表明:(1)堰基下的淤積砂剪切波速明顯高于天然狀況的值,表明淤砂上部加填筑層后,堰基處淤砂壓密效果明顯。剪切波速由原始的104m/s提高到159.1～176.1m/s。這也意味著剪切模量有一定提高,將有利于抗動荷作用。(2)干填與拋填風(fēng)化砂剪切波速約為225.0～245.0m/s。顯然比天然狀況的低,比未擾動的全風(fēng)化層低得更多,應(yīng)盡可能提高其填筑密度。(3)天然未擾動的全風(fēng)化層的剪切波速可達(dá)400m/s,擾動后的測值比較分散,且數(shù)值偏低。(4)堰體中風(fēng)化砂剪切波速與標(biāo)貫值Ns的關(guān)系由實測統(tǒng)計為:Vs=78.0Νs0.381這一關(guān)系與其它地區(qū)得到的相比,低標(biāo)貫值時Vs略高,而高標(biāo)貫值時Vs略偏低。但總的相關(guān)性是一致的(圖5)。4低密度