傅华，韩华强，凌 华

（1.南京水利科学研究院，江苏南京210029；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210029；

3.水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室，江苏南京210029）

密度对粗颗粒材料动力特性影响试验研究

傅华1，2，3，韩华强1，2，3，凌 华1，2，3

（1.南京水利科学研究院，江苏南京210029；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210029；

3.水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室，江苏南京210029）

密度是影响粗颗粒材料动力特性的重要因素。随着密度值的提高，粗颗粒材料的最大动弹性模量产生一定的增加，但增加率随着围压的提高呈逐渐减弱的趋势；随着密度值的提高，粗颗粒材料在动荷载作用下的初次动轴向永久变形降低的较明显，后期随着振次的增加，动永久轴向变形呈逐渐收敛趋势，密度值的提高对动轴向永久变形的影响要明显大于对体积变形的影响。因此，对于高土石坝工程来说，提高压实标准有利于改善粗颗粒材料的力学特性，控制坝体的整体变形即提高其抗震性能。

密度；粗颗粒材料；动力特性；影响因素；试验研究

1 研究背景

土石坝坝体填筑材料的密度是控制坝体变形的重要因素，随着土石坝的日益发展，特别是近几年300 m级高土石坝的兴建，研究表明［1-7］，控制坝体变形主要工程措施仍然是提高堆石体碾压密度。密度是土石坝设计以及施工过程中非常关键的控制指标，研究表明［8-14］，密度对粗颗粒材料的剪胀效应、颗粒的破碎和重排均具有明显影响，从而影响其强度和变形指标。不同的孔隙性状使得粗颗粒材料具有不同的初始结构性，因而表现出不同的力学性质，粗颗粒材料在松散状态下内摩擦要明显的低于密实状态。由于密度是决定粗颗粒材料结构性的重要因素，初始密度决定了粗颗粒材料的初始结构性，并最终决定其在动荷载的作用下的应力应变特性，因此，研究粗颗粒材料的动力特性有必要对其密度进行更深入的探讨，分析密度对其动力特性的影响。同时在土石坝坝体设计和施工过程中，根据坝体的受力及变形规律，通常会在坝体不同的填筑区设置不同的碾压标准，从而形成不同的填筑密度，密度的改变必然会引起筑坝材料动力特性的改变，因此研究密度变化对筑坝材料动力特性的影响对于保证坝体各分区在地震作用下的变形协调同样还具有十分重要的工程意义。

2 试验方案及过程

图1 试验级配曲线

试验挑选灰岩料和砂砾料分别进行了不同密度的对比试验，其中灰岩料密度分别选取2.02 g/cm3和2.05 g/cm3，砂砾料密度分别选取2.20 g/cm3和2.26 g/ cm3。图1为二种材料的试验级配曲线。试验选用大型动力三轴剪切仪，试样尺寸为Φ300×700 mm，试验所用的试样均处于自然风干状态，分60～40mm、40～20mm、20～10mm、10～5mm、5mm～0五种粒径范围进行试样的备制，装样过程中主要控制好两点：①试样分5层进行铺装，尽量减少试样粗、细颗粒的离析；②采用表面振动器对试样进行分层振动，保证整个试样的密度均匀性，其中密度的差异性主要通过控制每层试样的振动时间长短来控制。试样制好后采用水头饱和法自下而上对试样进行饱和，然后根据要求开展不同类型的动力特性对比试验研究。

3 密度对动弹性模量的影响

为了研究密度对动弹性模量的影响，分别绘制灰岩料和砂砾石料在不同制样密度下动力弹性模量的倒数1/Ed与动应变的εd对比曲线，见图2。

图2 不同密度下1/Ed～εd对比曲线

由上图可知，随着密度值的提高，1/Ed～εd直线拟合段的截距明显变小，对应于每级围压下最大动弹性模量值Edmax显著变大，表示为数值如表1和表2所示。砂砾料密度值由2.20 g/cm3增加至2.26 g/cm3，对应于各级围压下最大动弹性模量均产生一定的增加，增加率为10.4％～18.8％；灰岩料密度值由2.02 g/cm3增加至2.05 g/cm3，对应于各级围压下最大动弹性模量增加率为9.6％～17.2％。绘制两种材料随着密度值的提高，最大动弹性模量增加率与围压的关系曲线，如图3所示。图形显示，随着密度值的提高，最大动弹性模量增加率随着围压的增加均呈逐渐减小趋势。究其原因，在低围压状态下，由于初始围压较小，对粗颗粒混合料的初始结构性影响较小，随着围压的逐渐提高，固结应力逐渐克服粗、细颗粒初始的骨架充填效应，粗颗粒棱角在固结应力的作用下产生一定的破碎、滑移和颗粒重组，在这个过程中，密度低的粗颗粒材料对应的固结变形量要明显大于密度高的材料，低密度试样在高固结应力状态下密实度得到明细提高，从而使得试样初始制样密度的影响逐渐减弱。因此，密度值的增加对粗颗粒材料最大动弹性模量影响随着围压的提高呈逐渐减弱的趋势。

表1 不同围压下砂砾料最大动弹性摸量值

表2 不同围压下灰岩料最大动弹性摸量值

图3 动弹性模量增加率随围压变化曲线

图4 Edmax/Pa～σ3/Pa关系曲线

4 密度对动永久变形特性的影响

表3 动模量参数表

针对上述两种材料分别开展了不同密度下的动永久变形试验，试验得到典型曲线如图5所示。不同密度下动轴向永久变形曲线对比显示，随着密度值的提高，在动荷载作用下第1次初始应变明显降低，后期随着振动次数的增加，试样逐渐被振密实，永久变形曲线均逐渐收敛，因此用函数来描述永久变形的发展过程曲线时，应考虑到初始密度偏低会造成第1次应变突变这一现象；对于动体积永久变形曲线，随着密度值提高并没有出现第1次初始体变明显减小的现象，这主要跟试样在动荷载作用下孔隙水在短时间内很难迅速排出有关，随着振动次数的增加，排水量呈逐渐增大趋势，当振动次数达到30次时，动体变永久变形曲线的收敛程度不及动轴向永久变形曲线好。

图5 不同干密度最大动力永久变形典型试验曲线对比

表4—表5分别列出了同一试样在不同密度下的最大动永久轴向变形与最大动永久体积变形值。试验结果显示，灰岩料密度值提高1.5％，对应的最大动永久轴向应变减小17.5％～47.0％，最大动永久体积应变减小9.7％～37.2％；砂砾料密度值提高2.7％，对应的最大动永久轴向应变减小16.2％～54.5％，最大动永久体积应变减小9.6％～43.2％。试验结果表明，密度变化对粗颗粒材料的动永久变形特性影响非常明显，随着密度值的提高，轴向动永久变形和体积动永久变形均产生一定的降低，其中对轴向动永久变形的影响要明显大于对体积变形的影响。密度大、小表示了粗颗粒材料孔隙比的大、小，密度越大，孔隙比越小，颗粒间咬合的越紧密，加之颗粒间接触点数增加，有缓解颗粒破碎的作用［15］。因此，不论从咬合还是从颗粒破碎方面，压实都可以说起着有利于提高粗颗粒材料的力学特性、改善土石坝坝体的抗震性能的作用。

表4和表5数据对比同时还显示，随着围压的增加，密度值的增加对粗颗粒材料永久变形的影响宏观上呈逐渐减弱的趋势，这一规律与密度值的增加对动弹性模量影响的规律保持一致。

表4 不同干密度下灰岩料最大动力永久变形对比

5 结论

（1）随着密度值的提高，粗颗粒材料的最大动弹性模量产生一定的增加，但增加率随着围压的提高呈逐渐减弱的趋势，这一现象导致描述最大动弹性模量的参数k和n同样发生规律性变化，即随着密度值的提高，参数k值变大、参n值逐渐降低。

（2）随着密度值的提高，粗颗粒材料在动荷载作用下的初次动永久轴向变形产生明显的降低，后期随着振动次数的增加，动永久轴向变形呈逐渐收敛趋势；密度值的提高对动轴向永久变形的影响要明显大于对体积变形的影响，增加率均随着围压的提高呈逐渐减弱的趋势。

（3）密度是影响粗颗粒材料动力特性的重要因素，对于高土石坝工程来说，提高压实标准有利于改善粗颗粒材料的力学特性、控制坝体整体变形及提高其整体抗震能力。

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Experim ental study on in fluence of density on dynam ic p roperties of coarse aggregate

FU Hua1，2，3，HAN Hua-qiang1，2，3，LING Hua1，2，3
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China；2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nan jing 210029，China；3.Key Laboratory of Earth-Rock Dam FailureMechanism and Safety Control Techniques，Ministry ofWater Resources，Nanjing 210029，China）

The density is an important factor for the dynamic properties of coarse aggregate.W ith the in⁃crease of its density，the largest dynamic elastic modulus of coarse aggregate has a certain increase，howev⁃er，the increment ratio exhibits a gradual decrease tendency with the increase of the confining pressure. W ith the increasing density，the initial dynam ic axial permanent deformation of coarse aggregate under dy⁃namic loads has obvious decrease，and it shows a gradual convergence tendency at the late stage with the increase of vibration number.The influence of the increasing density on the dynamic axial permanent defor⁃mation of coarse aggregate is obviously larger than that on the volume change.Accordingly，for high earth-rock dams，to raise compactness standard is beneficial to improving the mechanical properties of coarse aggregate，controlling the integrated deformation of dams and raising their seismic performance.

density；coarse aggregate；dynam ic property；influence factor；experimental study

TV641.4

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.03.017

1672-3031（2014）04-0437-05

（责任编辑：李琳）

2014-08-25

国家自然科学基金重大研究计划集成项目（91215301）；国家自然科学基金青年基金项目（51309161）

傅华（1977-），男，江苏响水人，高级工程师，博士生，主要从事粗颗粒土的试验研究，E-mail：hfu@nhri.cn