從線法和雙線法試驗結(jié)果的比較看浸水變形特性

從線法和雙線法試驗結(jié)果的比較看浸水變形特性

1線性關(guān)系和線性范圍粗粒材料的浸泡變形（也稱為粗粒材料的水分變形）是指粗粒材料在一定壓力下浸泡的。由于水洗機和礦物提取物之間的水渣形成，顆粒相互滑移、破碎、重組，導致變形，土壤中的應(yīng)力分布均勻。土石壩的初次蓄水變形問題是土石壩應(yīng)力變形研究中的一個重要問題,該問題如果處理不好,輕則產(chǎn)生裂縫,重則裂縫擴展發(fā)生潰壩,造成重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。對于我國擬建的300m級別的高土石壩初次蓄水變形問題更是突出,規(guī)律更加復雜,失事后果也更加嚴重,所以有必要對粗粒料高壓大三軸濕化變形問題以及濕化變形特性和計算方法進行研究,為高土石壩初次蓄水變形計算分析提供可行的方法和可靠的依據(jù)。對粗粒料浸水變形分析主要有單線法和雙線法2種方法。所謂“雙線法”是指分別進行干態(tài)和濕態(tài)下的試驗,得到相應(yīng)的應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系,然后用相同應(yīng)力狀態(tài)下濕態(tài)與干態(tài)變形的差值作為該應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生浸水濕化時的濕化變形量;所謂“單線法”是指在干態(tài)下沿某一加載路徑達到某一應(yīng)力狀態(tài),然后在保持應(yīng)力狀態(tài)不變的條件下進行浸水濕化飽和,此過程中發(fā)生的變形即作為該應(yīng)力狀態(tài)下的濕化變形量。很多學者對浸水變形進行了試驗研究。E.S.Nobari和J.M.Duncan在三軸儀上用砂進行了以上2種試驗,發(fā)現(xiàn)2種方法得到的濕化變形是相近的,因而認為可以用雙線法來代替單線法。左元明等通過對砂礫料、堆石料的濕化變形試驗發(fā)現(xiàn),單線法與雙線法相比,雙線法的軸向應(yīng)變偏小,而體變相比之下偏大一些。李廣信通過試驗也發(fā)現(xiàn)雙線法得到的濕化變形要比單線法小。左元明等[3~15]的試驗成果表明,這2種試驗方法的結(jié)果有一定的差別。在試驗方面,雙線法用同一應(yīng)力狀態(tài)的飽和樣剪切過程和風干樣剪切過程變形之差計算浸水變形,與實際浸水變形過程和加載路徑不一致,且與實際浸水變形結(jié)果也不一致。而單線法更符合實際浸水過程,所以實際浸水變形要采用單線法試驗進行測試。在計算方面,單線法不能確定浸水過程中的Et,μt,所以無法用增量型的廣義虎克定律計算浸水變形,只能用應(yīng)力狀態(tài)的全量關(guān)系式計算浸水變形。首先,而確定全量關(guān)系式的試驗通常是軸對稱的三軸試驗。軸對稱的三軸試驗受力情況是σ2=σ3,變形情況是ε2=ε3,而實際土石壩浸水變形問題一般是平面應(yīng)變問題,所以直接將單線法浸水變形結(jié)果直接用于實際問題通常是不適合的。其次,試驗結(jié)果沒有直接反映中主應(yīng)力方向應(yīng)力和應(yīng)變分量大小的情況。再次,3個主應(yīng)力方向的主應(yīng)力和主變形如何分解為實際的一般應(yīng)力空間下6個應(yīng)力方向的分量。為此,必然需要引入諸如應(yīng)變方向角和應(yīng)力方向角相同的假定,這必然人為地引入了一些誤差。而在這方面雙線法利用增量虎克定律,分別確定干樣Et,μt,計算浸水前變形,確定飽和樣Et,μt,計算浸水后變形,兩者之差認為是實際浸水變形,該方法可以計算平面應(yīng)變問題,可以分析一般應(yīng)力狀態(tài)下的受力變形,可以克服單線法的缺陷。從以上分析可以看出,單線法和雙線法都存在問題,都不好直接用來計算浸水變形,必須對它們有所改進才能用來計算浸水變形。本文在試驗方面用單線法試驗結(jié)果修正雙線法試驗結(jié)果,計算方面仍用雙線法計算一思路進行研究。雙線法計算需要確定浸水前Et,μt,浸水后等效Et,μt。為此,通過干樣剪切線定浸水前Et,μt,通過浸水后變形連線定浸水后等效Et,μt。浸水前Et,μt,用已有方法確定。浸水后等效Et,μt的確定還沒有可靠可行的方法,本文將從試驗、試驗結(jié)果的分析等方面進行研究,解決這個問題,提出一個可行可靠的計算方法。2單線法的浸泡變形試驗2.1試樣尺寸、級配及粒徑大小的確定試驗儀器為河海大學巖土工程研究所和長春朝陽儀器廠聯(lián)合研制的LSW–1000型大型三軸流變儀。試驗用料為硬質(zhì)砂巖風干堆石料。試樣尺寸為φ300mm×600mm,最大允許粒徑為60mm,控制干密度為2.0g/cm3。試樣級配按照《土工試驗規(guī)程》(SL237–1999)對原始級配進行縮配,先按幾何相似條件等比例地將原樣粒徑縮小到儀器允許的粒徑,大型尺寸試樣的粒徑縮小倍數(shù)取2,然后再按等量替代,保持小于5mm的細粒含量不變。原型級配與試驗級配曲線如圖1所示。2.2分層擊實樣品試樣按照要求的干密度分5層擊實制備而成,由于堆石料顆粒級配十分不均勻,大小顆粒尺寸相差懸殊,為了盡量保證試樣的一致性,把堆石料分層擊實,每層按各組的比例稱取所需料的1/5,拌合后填入制樣模內(nèi),每層錘擊相同的次數(shù),最后一層找平,將所需的料全部擊入模內(nèi)。2.3測試方法為研究雙線法和單線法浸水變形的關(guān)系,本文分別進行了粗粒料大三軸雙線法、單線法浸水變形試驗。2.3.1軸剪切試驗(1)進行圍壓為400,800,1600kPa的風干樣三軸剪切試驗,該試驗采用常規(guī)三軸排氣剪切試驗。(2)進行圍壓為400,800,1600kPa的飽和樣三軸剪切試驗,該試驗采用常規(guī)三軸排水剪切試驗。2.3.2試驗4:不同圍壓不同偏應(yīng)力水平的浸水變形試驗(1)進行圍壓為400,800,1600kPa的各向等壓浸水變形試驗。該試驗過程為:對干樣施加σ3作用下固結(jié)穩(wěn)定1h,然后從試驗底部浸水,濕化水頭為1m,等到試驗頂部出水管有連續(xù)水流流出,認為試驗已經(jīng)飽和,關(guān)閉底部浸水閥。再靜置1h后,試驗結(jié)束。(2)進行圍壓為400kPa、偏應(yīng)力水平S=0.50,圍壓為800kPa、偏應(yīng)力水平S=0.30,0.50,0.65,0.83;圍壓為1600kPa、偏應(yīng)力水平S=0.30,0.70的不同圍壓不同偏應(yīng)力水平的浸水變形試驗。該試驗過程為:對干樣施加σ3作用下固結(jié)穩(wěn)定1h,然后軸向偏應(yīng)力按應(yīng)變控制方式加載到預定的偏應(yīng)力水平,維持不變,穩(wěn)定1h后從試驗底部浸水,濕化水頭為1m,等到試驗頂部出水管有連續(xù)水流流出,認為試驗已經(jīng)飽和,關(guān)閉底部浸水閥。再靜置1h后,試驗結(jié)束。3試驗結(jié)果及干預3.1雙線法和相線法浸水變形三軸試驗結(jié)果,各向等壓路徑下對應(yīng)的變形記為{εI},等圍壓(等σ3)剪切路徑下對應(yīng)的變形記為{εII},通常利用(σ1-σ3)-{εII}關(guān)系曲線確定Et,μt。如圖2所示,為便于比較將雙線法和單線法浸水變形試驗結(jié)果整理在同一張圖上。由于試樣之間的微小差異,單線法浸水前的變形起點通常不在干樣剪切線上,為便于單線法和雙線法浸水變形結(jié)果的比較,將單線法浸水前的變形統(tǒng)一為干樣剪切線上相同應(yīng)力狀態(tài)的變形{ε風干II}。則單線法浸水后的變形為浸水前的變形加上相應(yīng)浸水變形{?ε浸水變形}后達到的變形{ε浸水后}。將由此確定的浸水后的變形連線得到“浸水后變形連線”(σ1-σ3)-{ε浸水后}。3.2變形線條的轉(zhuǎn)換通過干樣等圍壓剪切路徑下的曲線(σ1-σ3)-{ε風干II}確定浸水前的Et,μt。通過浸水后變形連線(σ1-σ3)-{ε浸水后}確定浸水后的Et,μt。有了浸水前的Et,μt和浸水后的Et,μt,利用雙線法計算浸水過程中發(fā)生的變形。然而浸水后變形連線(σ1-σ3)-{ε浸水后}由于起點不過原點,所以不能直接用來確定Et,μt。為此,屈智炯和劉昌貴對影響起點變形的因素進行了研究,研究結(jié)果表明,隨著干密度的提高,起點處的浸水變形{?εI浸水變形}(即各向等壓浸水變形)減小,當干密度很高時起點各向等壓浸水變形可以忽略不計,將起點移到原點。筆者現(xiàn)在認為他們當時這種將起點移到原點的做法,引入了一定的誤差,這在理論上造成起點和其他應(yīng)力水平點的變形修正的不統(tǒng)一,這種修正在理論上是不對的,其實也沒有必要這樣修正。本文提出直接將浸水后變形曲線平移到原點的方法,得到浸水后等效應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系曲線(σ1-σ3)-{εII浸水后}。浸水后等效應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(σ1-σ3)-{εII浸水后}可理解為σ3為常數(shù)σ1-σ3從0增加到σ1-σ3對應(yīng)的變形增量,即浸水后等效三軸剪切路徑下對應(yīng)的變形。3.3iii浸水變形(1)浸水后變形{ε浸水后}={ε風干II}+{?ε浸水變形}={ε風干II}+{?εI浸水變形}+{?εII浸水變形}(其中{ε風干II}為風干樣同一應(yīng)力狀態(tài)的剪切變形,{?εI浸水變形}為各向等壓浸水變形,{?εII浸水變形}為{?ε浸水變形}與{?εI浸水變形}之差)。對于{ε浸水后}可以分成2個部分:一部分是各向等壓路徑對應(yīng)的部分{εI浸水后},其大小為{?εI浸水變形},另一部分是{εII浸水后}(即為變形后等效三軸剪切路徑下的變形,簡稱為等效變形),其大小為{ε風干II}+{?εII浸水變形}之和。(2)浸水后變形連線起點(即各向等壓浸水變形{?εI浸水變形})的特點,各向等壓浸水體積變形大小隨著圍壓的增加而增加,根據(jù)各向同性假定可以認為各向等壓浸水軸向變形為各向等壓浸水體積變形的1/3。(3)浸水后變形連線的強度特點,強度大小具有小于干樣強度,和飽和樣強度接近的特點。根據(jù)筆者的經(jīng)驗和前人的研究成果,可以認為強度近似等于飽和樣強度。3.4等效變形+iii浸水對浸水后等效變形曲線分析的目的是為了確定浸水后Et,μt。試驗結(jié)果可知相同應(yīng)力狀態(tài)時{ε飽和II}并不等于等效變形{εII浸水后}(其中{ε飽和II}為飽和樣剪切變形),所以需要將{ε飽和II}修正為等效變形{εII浸水后}。由于通常等效變形{εII浸水后}試驗點個數(shù)較少,難以直接確定Et,μt。所以可以通過研究等效變形{εII浸水后}與{ε飽和II}之間的關(guān)系,利用兩者之間的關(guān)系和(σ1-σ3)-{ε飽和II}曲線確定等效飽和狀態(tài)的Et,μt。3.5充填料變形表征定義:εIIa浸水后為浸水后等效剪切路徑對應(yīng)的軸向變形,εIIa飽和為飽和樣剪切路徑下的軸向變形,εIIv浸水后為浸水后等效剪切路徑對應(yīng)的體積變形,εIIv飽和為飽和樣剪切路徑下的體積變形。(1)從圖3(a)可以看出,εIIa浸水后與εIIa飽和有較好的線性關(guān)系,可將εIIa浸水后表示為kaεIIa飽和。參數(shù)ka可由單線法和飽和樣剪切試驗確定。對所試驗的粗粒料而言,ka=1.03。(2)從圖3(b)可以看出,εIIv浸水后與εIIv飽和有較好的線性關(guān)系,可將εIIv浸水后表示為kvεIIv飽和。參數(shù)kv可由單線法和飽和樣剪切試驗確定。對所試驗的粗粒料而言,kv=0.73。3.6浸水變形試驗結(jié)果及分析將張金富對小浪底砂礫料進行的圍壓為150kPa的干樣剪切、飽和樣剪切、各向等壓浸水變形、剪切應(yīng)力為200,400kPa時的浸水變形,圍壓為300kPa的干樣剪切、飽和樣剪切、各向等壓浸水變形、剪切應(yīng)力為400,800kPa時的浸水變形濕化變形,圍壓為450kPa的干樣剪切、飽和樣剪切、各向等壓浸水變形、剪切應(yīng)力為600,1200kPa時的浸水變形試驗結(jié)果進行整理分析繪成圖4。將魏松對粗粒料進行的圍壓為300kPa的干樣剪切、飽和樣剪切、各向等壓浸水變形、應(yīng)力水平為0.38,0.74時的浸水變形,圍壓為600kPa的干樣剪切、飽和樣剪切、各向等壓浸水變形、應(yīng)力水平為0.36,0.70時的浸水變形,圍壓為900kPa的干樣剪切、飽和樣剪切、各向等壓浸水變形、應(yīng)力水平為0.37,0.72時的浸水變形,圍壓為1200kPa的干樣剪切、飽和樣剪切、各向等壓浸水變形、應(yīng)力水平為0.38,0.74時的浸水變形試驗結(jié)果進行整理分析繪成圖5,6。其中,圖5為完全剪切試驗(完全剪切試驗是指浸水穩(wěn)定后繼續(xù)剪切的試驗)的一組浸水變形結(jié)果,圖6為部分剪切試驗(部分剪切試驗是指浸水穩(wěn)定后就結(jié)束的試驗)的一組浸水變形結(jié)果。從圖5,6可以看出:(1)浸水后變形與飽和樣變形之間基本成線性關(guān)系,且效果較好。(2)這種成線性關(guān)系的規(guī)律具有普遍性,且基本不受材料、干密度和級配的影響。(3)線性關(guān)系的比值由于材料、干密度和級配的不同而各不相同,說明線性關(guān)系的比值受材料、干密度和級配影響。3.7iiia和剪切應(yīng)力浸水效果比較雙線法試驗是2個材料性質(zhì)幾乎保持不變的加載過程。單線法試驗與雙線法試驗相比,單線法試驗是一個內(nèi)部材料性質(zhì)發(fā)生較大變化分子運動加快的過程,在這個過程之中材料內(nèi)部分子運動加速,碰撞更加激烈,導致內(nèi)部斥力增加,向外膨脹的趨勢增強,宏觀表現(xiàn)為膨脹增加,壓縮減小,所以εIIv浸水后小于εIIv飽和,這與試驗結(jié)果一致。由于分子運動加快,所以分子之間相互滑移的能力增強,宏觀表現(xiàn)為剪切變形增加,所以εIIs浸水后大于εIIs飽和。由于所以εaII浸水后與εaII飽和大小接近也是合理由于{εII浸水后}與{ε飽和II}均與圍壓σ3和剪切應(yīng)力σ1-σ3有關(guān),隨圍壓σ3和剪切應(yīng)力σ1-σ3的變化而變化,且兩者隨圍壓σ3和剪切應(yīng)力σ1-σ3變化的步調(diào)基本一致,例如在σ1-σ3接近飽和樣強度時{εIIa飽和}趨于無窮,{εIIa浸水后}也趨于無窮。所以可以認為{εIIa浸水后}與{εIIa飽和}具有某種相關(guān)性,{εIIv浸水后}與{εIIv飽和}也具有某種相關(guān)性。通過試驗結(jié)果的分析它們剛好存在線性關(guān)系。4地下水和態(tài)土的et基于以上規(guī)律,提出浸水變形的改進方法,步驟如下:(1)進行干樣和飽和樣的三軸剪切試驗。利用所測得的干樣和飽和樣(σ1-σ3)-εa-εv關(guān)系曲線上確定干態(tài)和飽和態(tài)土的Et,μt及其參數(shù),如鄧肯模型參數(shù)。(2)進行一些單線法試驗,確定浸水后等效應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(σ1-σ3)-{εII浸水后}。(3)利用等效應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系曲線與飽和樣剪切變形關(guān)系曲線之間的關(guān)系確定參數(shù)ka,kv。(4)利用飽和樣參數(shù)和ka,kv確定浸水后等效飽和態(tài)Et,μt及其參數(shù)。(5)計算某一應(yīng)力狀態(tài)(包括復雜應(yīng)力狀態(tài))的浸水變形時,先用干態(tài)的Et,μt及其參數(shù)計算干態(tài)的應(yīng)變{ε干樣},再用浸水后等效飽和態(tài)Et,μt及其參數(shù)計算浸水后應(yīng)變{ε浸水后},則浸水變形為5干樣和改進方法計算結(jié)果對比用改進的方法和雙線法對粗粒料等圍壓和不同圍壓不同應(yīng)力水平的試驗結(jié)果進行軸對稱情況下的二維有限元預測,試驗所得參數(shù)如表1所示,計算網(wǎng)格如圖7所示。由于試樣軸對稱,根據(jù)對稱性取其一半,邊界條件如圖7所示,底端豎向位移固定,左端橫向位移固定,受力條件為右端受圍壓的作用,頂端受軸壓和圍壓的共同作用。有限元計算預測以下這些情況:(1)預測圍壓為400kPa的干樣,各向等壓浸水和應(yīng)力水平為0.50時的浸水變形,計算結(jié)果和實測結(jié)果如圖8(a)所示。(2)預測圍壓為800kPa的干樣,各向等壓浸水和應(yīng)力水平為0.30,0.50,0.65時的浸水變形,計算結(jié)果和實測結(jié)果如圖8(b)所示。(3)預測圍壓為1600kPa的干樣,各向等壓浸水和應(yīng)力水平為0.30,0.70時的浸水變形,計算結(jié)果和實測結(jié)果如圖8(c)所示。為了便于分析和比較將風干樣加載段統(tǒng)一為等圍壓剪切應(yīng)力路徑的計算結(jié)果。實測結(jié)果為干樣計算結(jié)果加上實測變形;雙線法計算結(jié)果為干樣計算結(jié)果