熊泽斌，左永振，潘家军，孙向军

(1.长江设计集团有限公司，湖北 武汉 430010； 2.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430010； 3.长江科学院 土工研究所，湖北 武汉 430010； 4.水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北 武汉 430010)

0 引 言

国内外学者普遍认为，堆石料强度与变形性质的影响因素可分为材料状态和受力状态，前者包括岩性、密度、级配、颗粒粒径等，后者包括围压、应力路径等。

在级配对强度变形特性影响方面，姜景山等[1]认为，粗砂和细砾含量相同时，粗砾含量越低，堆石料抗剪强度越小，体胀变形越大；赵晓菊等[2]认为，随着细颗粒含量的增加，强度指标变大，抵御变形能力增强，剪切过程中产生的体积变形更小，剪胀更为明显；马捷等[3]认为，随P5含量增大，堆石料侧限压缩模量呈先增后减趋势。

在密度对强度变形特性影响方面，牟声远等[4]通过统计分析认为，堆石料弹性模量数、体积模量数、破坏比、摩擦角均随干密度的增大而增大；徐国建等[5]采用PFC2d软件模拟三轴试验得出结论：随着孔隙率增加，土体强度峰值逐渐降低，对应轴向应变增大，体变由剪胀性逐渐向剪缩性过渡；傅华等[6]通过试验认为，随着堆石料孔隙率降低以及级配改善，堆石混合料力学指标得到明显提高。

上述研究大多将级配和密度二者割裂开来，即多偏重于研究单一因素影响，对其综合影响研究较少。然而在土石坝设计阶段，为满足不同坝体分区的设计要求，常需同时优化填筑堆石料密度、级配等状态变量，故有必要开展不同密度和级配组合的堆石料力学特性试验研究。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验材料为西藏拉洛水利枢纽工程的雪日巴唐料场及塔曲漫滩料场筑坝砂砾石料，两料场的砂砾石料比重分别为2.73和2.74。

1.2 试验仪器

试验仪器为大型高压三轴剪切试验仪，见图 1。试样为直径300 mm、高610 mm的圆柱样，最大试验围压可达 3.5 MPa，本次开展4种围压0.3，0.6，0.9，1.2 MPa的饱和固结排水(CD)三轴试验。

1.3 试验级配及密度

试验级配如图2所示。其中级配1～4为雪日巴唐砂砾石料级配，级配5～7为塔曲漫滩砂砾石料级配。

图2 试验级配曲线Fig.2 Test grading curve

GB/T 50145-2007《土的工程分类标准》将2～60 mm粒组分为3类：粗砾组(20～60 mm)、中砾组(5～20 mm)、细砾组(2～5 mm)，将其质量占试样总质量的百分数依次记为ΔP20～60，ΔP5～20，ΔP2～5，则可采用公式(1)～(3)近似计算3种砾组固体颗粒的个数N、表面积S及体积Vs。

(1)

(2)

(3)

上式中：V为试样总体积，mm3，ρd为制样干密度，g/cm3；ρw为4 ℃纯蒸馏水的密度g/cm3；Gs为试样比重。

本文采用圆柱形试样，其体积V为42 412 cm3，7组大型三轴CD试验的级配、制样干密度ρd，以及3种砾组含量ΔP如表1所示。

表1 试验方案Tab.1 Test plan

将表1及Gs，V代入公式(1) 即可得7组级配及密度组合的3种粒组固体颗粒几何参数(图3)。

图3 砾组固体颗粒几何参数Fig.3 Geometric parameters of solid particles in gravel groups

2 试验结果分析

2.1 三轴试验关系曲线

通过三轴试验得到雪日巴唐料4组试样的应力(σ1-σ3)-应变(εa)、体变(εv)-应变(εa)关系曲线如图4～5所示。通过三轴试验得到塔曲漫滩料3组试样的应力-应变、体变-应变关系曲线(图6～7)。

图4 雪日巴唐料应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curve of Sheribatang material

图5 雪日巴唐料体变-应变曲线Fig.5 Variation-strain curve of Sheribatang material

图6 塔曲漫滩料应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curve of Taqu floodplain material

图7 塔曲漫滩料体变-应变曲线Fig.7 Variation-strain curve of Taqu floodplain material

由图4，6可知，对于同种堆石料，其应力应变曲线形态基本一致，即低围压下呈弱软化趋势，中高围压下均呈硬化趋势。

由图5可知，第1组试样的低围压剪胀性最强，第4组试样在高围压条件下的差异性最强。由图7可知，第5～7组试样在高围压下体变差异性方面存在显著差异。

上述结论仅为定性分析，故有必要结合邓肯-张模型各参数物理意义进行详尽分析。

2.2 邓肯-张模型参数分析

7组试样的邓肯-张模型参数如表2所示。

表2 邓肯-张模型参数Tab.2 Test results of mechanical characteristics of artificial blasting pile stone

试料黏聚力c与细砾表面积规律良好，细砾表面积越大，其黏聚力亦愈大。试料内摩擦角φ与3种砾组颗粒总表面积规律良好，2～60 mm粒组颗粒总表面积越多，内摩擦角值越大。围压为1个大气压时的剪切角值φ0与中粗砾颗粒总个数规律良好，中粗砾颗粒总个数越大，其值亦愈大。围压增加10倍时，剪切角的减小量Δφ与5～60 mm粒组颗粒个数规律性良好。5～60 mm粒组颗粒个数越多，内摩擦角值越大。

围压为1个大气压时的初始切线模量与大气压的比值K，与3种砾组颗粒个数总和规律良好，2～60 mm粒组颗粒个数越多，其值亦愈大。初始切线模量随着围压增大而增大的急剧程度参数n与3种砾组颗粒总表面积规律良好，2～60 mm粒组颗粒总表面积越大，其值亦愈小。破坏应力和双曲线模型下极限应力的比值Rf值与3种砾组颗粒总表面积规律良好，2～60 mm粒组颗粒总表面积越大，其值亦愈大。

参数G为围压为1个大气压时初始切线泊松比，参数F为初始切线泊松比随围压增大而增大的急剧程度，参数D反映较小的偏应力增量引起侧向膨胀应变增量的大小程度，参数G，F，D与粒组固体颗粒几何参数无明显规律。这可能与E-μ模型本身存在的不足有关，故仅需分析E-B模型。

参数Kb为围压是1个大气压时切线体积模量与大气压的比值，与5～60 mm粒组颗粒个数规律性良好。5～60 mm粒组颗粒个数越多，其值越大。初始切线体积模量随围压增大而增大的急剧程度参数m，与中粗砾颗粒总个数规律良好，中粗砾颗粒总个数越大，其值亦愈大。

总体来看，邓肯-张E-B模型参数(表2)与中粗砾石颗粒个数具有良好的对应关系。

3 结 语

对西藏拉洛水利枢纽工程的雪日巴唐料场及塔曲漫滩料场的砂砾石料，开展7组不同级配和密度组合的大型饱和固结排水三轴试验，结合粗砾、中砾、细砾粒组的固体颗粒几何参数，分析了不同级配和密度组合对筑坝堆石料强度-变形特性的影响规律。

本文研究仍存在不足，如计算20～60 mm粒径范围内颗粒个数时，以40 mm球体近似代替，下一步可考虑基于级配方程进行推导计算，研究固体颗粒个数与强度、模量之间的定量关系，为填筑堆石料的密度、级配优化提供参考依据。