胶凝砂砾石料剪胀特性试验_蔡新.pdf

第 卷第 期 年 月河 海 大 学 学 报（自 然 科 学 版）（）：基金项目：国家重点研发计划（）；国家自然科学基金（）；南通市科技计划（，）作者简介：蔡新（），男，教授，博士，主要从事水工结构工程研究。：引用本文：蔡新，谢昕卓，杨杰胶凝砂砾石料剪胀特性试验河海大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：胶凝砂砾石料剪胀特性试验蔡 新，谢昕卓，杨 杰（河海大学力学与材料学院，江苏 南京；南通大学交通与土工程学院，江苏 南通）摘要：为探究弹性和塑性对胶凝砂砾石料（）应力应变特性的影响，建立了适用于 的剪胀方程，参考粗粒土或堆石料剪胀特性的研究方式开展了一系列不同掺量和围压下的三轴压缩试验、三轴等向加卸载试验和三轴轴向加卸载试验，对 的剪胀特性进行了系统研究。试验结果表明：加载过程中弹性和塑性应变都不可忽略，在低围压下具有剪胀性，随着围压的增大逐渐向剪缩性过渡；由试验数据得到 的弹性体积应变和弹性剪应变，对比分析了考虑和不考虑弹性应变的 剪胀特性曲线，发现弹性应变对 剪胀特性影响较大，仅在高掺量、高围压、大应力条件下可以忽略弹性应变的影响；二次函数可以很好地描述 的剪胀特性。关键词：胶凝砂砾石料；三轴压缩试验；等向加卸载试验；剪胀性中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：（），：；胶凝砂砾石坝是在坝址附近河床或山区就地取材的石料中添加少量的胶凝剂、水，经拌和后倒入施工仓面，摊铺、碾压而成的一种新坝型，其筑坝材料 胶结砂砾石料（）本质是一种超贫碾压混凝土，但跟常规碾压混凝土相比，具有施工工艺简单、造价低廉、加固方案对大坝填筑的正常施工干扰小等优点，因此，胶凝砂砾石坝是一种经济且环保的水工建筑物，在今后的水电工程建设中极具竞争性。目前，胶凝砂砾石坝或围堰在国内外已建成 余座。与国外相比，国内胶凝砂砾石坝的应用与研究起步相对较晚，但该筑坝技术已先后在福建洪口、云南功果桥、贵州沙沱、四川飞仙关等临时性围堰工程，以及山西守口堡大坝、顺江堰溢流坝等永久性工程中得到应用。然而胶凝砂砾石坝的结构设计主要是依据工程经验、土石坝或碾压混凝土坝等设计规范或标准完成的。为准确把握胶凝砂砾石坝的结构性态，合理设计该坝型，部分学者尝试分析其力学特性，并修正其他岩土材料常用的本构模型，构建胶凝砂砾石料本构模型。第 期蔡 新，等 胶凝砂砾石料剪胀特性试验曹学兴等对 进行了抗压、抗折等强度特性试验，给出了该材料的胶凝掺量、含砂率、水胶比、集料级配等材料组分的参考取值。傅华等开展了不同掺量的胶凝砂砾石料动、静三轴剪切试验，研究了 的基本力学特征，获得了其力学特性随掺量变化的规律，同时探究了围压、固结应力和动应力对 动力残余特性的影响。蔡新等基于掺量 的 试验数据，获得了应力应变关系，推导了 剪切屈服方程和体积屈服方程，建立了适用于 的弹塑性本构模型。刘俊林等在 三轴试验数据的基础上，建立了参数物理意义明确的六参数非线性弹性本构模型，并将模型用于坝高 的大坝有限元分析，取得了较准确的计算结果。剪切过程形变是岩土材料的重要特征，剪胀方程是岩土材料本构模型研究的热点和难点。自 提出 剪胀方程以来，国内外很多学者对剪胀问题进行了大量研究。等提出了 剪胀方程，并从能量角度对其进行分析；贺林林等以砂土剪切过程位移为参照，标定其抗剪强度；郭万里等对粗粒土的剪胀特性进行了研究；王占军等通过试验对堆石料的剪胀特性进行了研究；姜景山等开展了粗粒土大三轴试验，探究了粗粒土的剪胀特性；魏浩等通过试验，探究了级配对粗粒料力学特性的综合影响。目前 剪胀特性的研究大多参照堆石料剪胀特性的研究方式，直接采用体积应变与剪应变增量比近似塑性体积应变增量与塑性剪应变增量比。但 是在堆石料基础上拌和胶凝剂，力学特性发生了较大的改变，是否可以沿用堆石料剪胀表达形式尚不清楚，需要进行进一步分析。为此，本文开展系列不同围压下 的三轴压缩试验、三轴等向加卸载试验和三轴轴向加卸载试验，研究不同试验条件下 的剪胀特性，并针对剪胀过程中弹性应变的影响进行探究。剪胀方程定义在土力学理论中，由剪切引起材料体积变化的特性称为剪胀性。剪胀方程定义为剪胀比 与应力比 的函数：，（）（）其中（）（）（）（）式中：，为塑性体积应变增量；，为塑性剪应变增量；，为弹性体积应变增量；，为弹性剪应变增量；为正应力；为剪应力；、为 个主应力。在岩土材料的研究中，多忽略弹性变形的影响，认为剪胀比为总应变比值，即 （）式中：为体积应变增量；为剪应变增量。材料弹性体积应变满足以下关系：，（）图 骨料级配曲线 式中 为体积模量。试验方法试验设备为南京水利科学研究院土工试验室的 型静、动力三轴试验仪。参照 土工试验规程，胶凝砂砾石料大型三轴压缩试验、三轴等向加卸载试验以及三轴轴向加卸载试验全部在该试验仪器上完成。依据 胶凝颗粒料筑坝技术导则，的胶凝剂采用海螺牌 普通硅酸盐水泥，水胶比取，细骨料为南京市场出售的中粗砂，粗骨料为南京市郊区的破碎石料。用于三轴试验的胶凝砂砾石料中砂占，石料占，砂砾石料级配如图 所示，骨料河 海 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷干密度为 。三轴试验试件采用直径、高 的模具制成，制备过程为：依据骨料级配要求筛选骨料；按 的材料组分掺量将胶凝剂、粗细骨料及水等材料混合并拌和均匀（图（）；将 分 层装入圆筒模具，每层分别采用振动碾振实，使试件成形（图（）；成形试件进行 养护。图 拌和料与成型试件 三轴压缩试验将试件分为 组，在围压、与 下饱和固结，完成后进行三轴固结排水剪切，轴应变到 或试样完全破坏时停止试验。在三轴轴向卸载 再加载试验过程中，试件用橡皮膜套住并吊装至试验仪器，注水使之充分饱和后施加围压。首先进行常规三轴固结排水剪切试验，当加载到设定的应力水平后，稳定 ，开始卸载，将轴向应力卸载至，稳定 ，进行再加载试验。试验中卸载的应力水平分别设定为、。整个试验过程的应力卸载 再加载速率为 ，整个试验过程中进行 次加卸载操作。三轴等向加卸载试验是试件达到设定的养护时间后，用橡皮膜套住，吊装至三轴试验仪上，采用静水头法对试件进行饱和，饱和后对其各向均施加 进行固结，之后继续各向加载至预定围压值，稳定，卸载至，再稳定，继续加载至预定围压值，整个过程循环 次。预定围压值分别设定为、与。循环完成后结束试验。试验结果与分析 三轴压缩试验与三轴轴向加卸载试验图 为 三轴压缩试验与三轴轴向加卸载试验应力 应变曲线。图 说明 在加卸载过程中同时存在弹性和塑性应变，卸载之后再加载，其应力 应变曲线出现滞回圈。低围压或低掺量条件下，在加卸载试验和压缩试验中应力 应变曲线差异较大，相同剪应力下，加卸载试验中轴向应变更小。弹性变形在 加卸载试验中的影响大于弹性变形在其他岩土材料中的影响，这是 区别于其他岩土材料的重要特征。图 三轴试验应力 应变曲线 张伏光等对与 有类似性质的胶结砂土开展室内试验、数值模拟及理论分析，结果表明：胶结砂土试样的力学特性主要源于试样内强接触点处颗粒间的相互作用。据此推测，可能是加卸载过程中 颗第 期蔡 新，等 胶凝砂砾石料剪胀特性试验粒接触特征与其他岩土材料不同，使得接触力分布与其他岩土材料有明显差异，导致剪切过程中出现与其他岩土材料不同的性质。对比可知，加卸载过程中的剪应力变化对 轴向应变影响较大，等提出可以通过三轴轴向加卸载试验求得弹性剪应变。设滞回圈曲线割线斜率为，由于同围压下滞回圈的形状相似，可以认为同围压下 的 相同，材料弹性剪应变满足以下关系：，（）表 弹性剪切模量 围压 弹性剪切模量 胶凝掺量 胶凝掺量 两种掺量的 在不同围压下的弹性剪切模量见表。三轴等向加卸载试验图 为 三轴等向加卸载试验曲线。由图 可知，与三轴轴向加卸载试验一样，在三轴等向加卸载试验中存在弹性后效，在卸载再加载后形成滞回圈。随着卸载点应力的增加，形成的滞回圈面积逐渐增大而形状相似，说明 卸载曲线割线斜率与受力状态关系较小。由此可知，这类弱胶凝材料在剪胀过程中的弹性变形特征不应被忽视，在构建剪胀方程时，应去除弹性变形产生的影响。图 三轴等向加卸载试验曲线 图 为胶凝掺量 和 的 体积应变 与（）的关系曲线，图中红色虚线为滞回圈曲线对角点连线。弹性体积应变，为回弹部分的体积应变，与（）的关系可表示为，（）（）式中：为滞回圈曲线对角值连线斜率；为大气压。图 体积应变与平均应力的关系 弹性应变对胶凝料应变的影响图 和图 分别为胶凝掺量、时 在围压、及 下的三轴压缩试验，、关系曲线。河 海 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷图 胶凝掺量 剪应变和体积应变关系 图 胶凝掺量 剪应变和体积应变关系 由图 和图 可知，随着轴向应变量的增加，有剪缩向剪胀过渡的趋势，两种掺量的 在各围压下应变变化趋势相似，但塑性体积应变变化范围明显小于 总体积应变变化范围，关系曲线加载阶段斜率大于 关系曲线加载阶段斜率，说明 在压缩过程中弹性变形特征不应被忽视。弹性应变对剪胀特性的影响定义总体积应变增量与总剪应变增量的比值为，塑性体积应变增量与塑性剪应变增量的比值为，即 （），（）定义 。根据式（）（）可以做出不同围压下 和 与应力比 的函数曲线，如图、图 所示（计算时，舍弃回弹数据点和比值重合数据点）。图 胶凝掺量 的 剪胀比 由图 可知，对于胶凝掺量 的，弹性应变对体积应变增量与剪应变增量比值的影响十分显著，弹性应变使得 小于，低围压下 较小，总体随围压增大呈增大趋势。这是因为该掺量下围压主要通过影响弹性剪应变来影响，围压增大相同的数值，弹性剪应变增量比弹性体积应变增量更多，导致第 期蔡 新，等 胶凝砂砾石料剪胀特性试验图 胶凝掺量 的 剪胀比 分子增大更多，总体增大。同一围压下 随着应力比增大先增大后减小。由于 剪缩面积小于，构建剪胀公式时按照 计算可能导致对剪缩的估计小于实际值，从而高估胶凝材料的硬度。围压越大，估计偏差越大。由图 可知，对于胶凝掺量 的，弹性应变使得 小于，其影响随着围压的增大先增大后减小。在相同的围压下，随着应力比增大呈先增大后减小的趋势。在 掺量、以上围压的高掺量、高围压、大应力条件下，弹性应变对剪胀特性的影响较小。对于高掺量胶凝材料，围压较低时，估计偏差较大。胶凝掺量分别为 和 时 的及其占 的比例统计见表，其中（）为 最大值。表 不同胶凝掺量的 剪胀比差值统计 围压（）时的应力比（）（）占 比例 胶凝掺量 胶凝掺量 胶凝掺量 胶凝掺量 胶凝掺量 胶凝掺量 剪胀方程及其物理意义 剪胀方程通过对试验数据的观察，采用方程简单、参数物理意义明确的二次函数对 剪胀方程进行拟合：，|（）式中、为拟合参数，选取拟合特征点为原点、纵坐标顶点、剪胀剪缩转折点。拟合结果如图 和图 所示。图 胶凝掺量 的 剪胀比拟合 由图 和图 可知，式（）对掺量 的中掺量、高围压和 的高掺量、高围压工况拟合效河 海 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷图 胶凝掺量 的 剪胀比拟合 表 不同胶凝掺量的 剪胀方程拟合参数 围压 胶凝掺量 胶凝掺量 果都比较好，中掺量、低围压下拟合效果一般，但拟合优度 仍可达到 以上。拟合参数及相关系数见表。参数的物理意义由剪胀方程物理意义可知，其曲线非原点零点为剪胀剪缩转折点处的应力比，对称轴横坐标为剪缩体积应变最大处应力比，数学表达式为（）（）（）式中：为剪胀剪缩转折点处应力比；为剪缩体积增加率最大处应力比。式（）（）联立可以求得、。结 论 掺量 和 的胶凝砂砾石料都表现出软化特征，围压越大，残余应力越大；胶凝砂砾石料在低围压下具有剪胀性，高围压下表现为剪缩性。胶凝砂砾石料为典型弹塑性材料，在等向加卸载试验中应力 应变曲线形成明显滞回圈，其面积随应力增大而增大；滞回圈形状相似，表明胶凝砂砾石料卸载曲线割线斜率与受力状态关系较小，可以用于计算弹性应变影响。在构建胶凝砂砾石料剪胀模型时，胶凝砂砾石料的弹性应变和塑性应变都不应被忽视。弹性应变会使得 剪缩区域面积小于，导致计算时高估材料强度。胶凝掺量为 时，弹性应变对剪胀比的影响随围压的增大先减小后增大；胶凝掺量为 时，弹性应变对剪胀特性的影响随围压增大而减小。可以用二次函数对胶凝砂砾石料剪胀方程进行拟合，拟合效果较好，所构建剪胀方程参数物理意义明确。参考文献：蔡新，郭兴文，杨杰，等胶凝砂砾石坝坝料力学性能与结构设计北京：科学出版社，：曹学兴，何蕴龙，迟福东，等高土石坝 新型抗震加固措施河海大学学报（自然科学版），（）：（，（），（）：（）冯炜 胶凝砂砾石坝筑坝材料特性研究与工程应用北京：中国水利水电科学研究院，：杨世锋，柴启辉，孙明权 胶凝材料对胶凝砂砾石材料抗压强度的影响人民黄河，（）：（，（）：（）傅华，陈生水，韩华强，等 胶凝砂砾石料静、动力三轴剪切试验研究 岩土工程学报，（）：（，（）：（）蔡新，杨杰，郭兴文，等 胶凝砂砾石料弹塑性本构模型研究岩土工程学报，（）：（，第 期蔡 新，等 胶凝砂砾石料剪胀特性试验，（）：（）刘俊林，何蕴龙，熊堃，等 材料非线性弹性本构模型研究水利学报，（）：（，（）：（）：，：，（）：贺林林，冯楚杰，杨柳，等 颗粒排列角度对砂土剪切特性的影响试验 河海大学学报（自然科学版），（）：（，（），（）：（）郭万里，蔡正银，武颖利，等粗粒土的颗粒破碎耗能及剪胀方程研究岩土力学，（）：（，（）：（）郭万里，朱俊高，彭文明粗粒土的剪胀方程及广义塑性本构模型研究岩土工程学报，（）：（，（）：（）何忠明，黄超，刘雅欣，等粗粒土路堤填料力学特性及其细观模拟研究中南大学学报（自然科学版），（）：（，（），（）：（）王占军，陈生水，傅中志堆石料的剪胀特性与广义塑性本构模型岩土力学，（）：（，（）：（）刘萌成，高玉峰，刘汉龙堆石料剪胀特性大型三轴试验研究岩土工程学报，（）：（，（）：（）褚福永，朱俊高，殷建华基于大三轴试验的粗粒土剪胀性研究岩土力学，（）：（，（）：（）姜景山，程展林，左永振，等粗粒土剪胀性大型三轴试验研究岩土力学，（）：（，（）：（）魏匡民，陈生水，李国英，等基于状态参数的筑坝粗粒土本构模型岩土工程学报，（）：（，（）：（）魏浩，沈超敏，刘斯宏，等 考虑级配影响的粗粒料压缩破碎特性试验 河海大学学报（自然科学版），（）：（，（），（）：（）朱晟，卢知是 考虑级配空间随机特性的堆石坝变形应力分析 河海大学学报（自然科学版），（）：（，（），（）：（）张伏光，蒋明镜胶结砂土强度特性的真三轴试验离散元分析岩石力学与工程学报，（）：（，（）：（），：（收稿日期：编辑：胡新宇）