土石壩粗粒料濕化變形研究進(jìn)展

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1、土石壩粗粒料濕化變形研究進(jìn)展魏松朱俊高王俊杰（河海大學(xué)巖土工程研究所江蘇南京210024）摘要：介紹土石壩粗粒料濕化變形研究的進(jìn)展，對濕化變形的機(jī)理、試驗(yàn)方法及影響因素、數(shù)學(xué)模型與數(shù)值模擬等進(jìn)行了總結(jié)和分析，同時(shí)指出了濕化變形研究存在的問題，并就其中的一些問題進(jìn)行了初步討論。關(guān)鍵詞：粗粒料濕化變形數(shù)學(xué)模型數(shù)值模擬1前言近十幾年，我國的土石壩工程得到了較大發(fā)展，尤其高土石壩，目前在建和擬建的高100~200米量級的土石壩已有10座以上。隨著西部大開發(fā)的逐步深入，土石壩因其對復(fù)雜地質(zhì)條件的良好適應(yīng)性將成為未來數(shù)十年的重要

2、壩型。在高土石壩的設(shè)計(jì)中，粗粒料的蓄水濕化變形是急需解決的重要問題之一。在國外，20世紀(jì)60~80年代是土石壩建設(shè)高峰，不少學(xué)者對土石壩蓄水濕化變形進(jìn)行了研究，獲得了不少研究成果。但上世紀(jì)80年代以后，由于土石壩建設(shè)較少，很少有人從事土石壩濕化變形的研究。國內(nèi)方面，在20世紀(jì)80年代隨著天生橋、小浪底等高土石壩的興建掀起了這方面研究的小高潮，取得了一些成果，同時(shí)在工程中得到了一定的應(yīng)用。進(jìn)入90年代后，該方面研究進(jìn)入了一個相對停滯期。同時(shí)，實(shí)踐表明，目前的已有研究成果已經(jīng)不能很好的解決工程實(shí)際情況，在濕化變形的機(jī)理、

3、試驗(yàn)方法、影響因素、數(shù)學(xué)模型與數(shù)值模擬等方面都存在一些需要進(jìn)一步深入研究的問題。2濕化變形的研究內(nèi)容帶格式的:行距:單倍行距,不對齊到網(wǎng)格2.1濕化變形的機(jī)理對于濕化變形的研究，首先是從濕陷性黃土開始的。在粗粒料作為土石壩建筑材料的初期，人們認(rèn)為堅(jiān)硬的巖石粗粒料在浸水時(shí)不會產(chǎn)生多少可觀的濕化變形，是可以忽略的。隨著一些高土石壩的建成，人們逐漸發(fā)現(xiàn)當(dāng)土石壩蓄水時(shí)，在浮力的作用下上游浸水壩殼粗粒料并未發(fā)生上抬現(xiàn)象，而是出現(xiàn)了下沉。經(jīng)過分析，人們認(rèn)識到，粗粒料也會發(fā)生類似濕陷性黃土的濕化變形。正是由于濕化變形的存在，不僅抵

4、消了浮力的上抬變形，而且還出現(xiàn)了不同程度的下沉現(xiàn)象。濕化變形是客觀存在的現(xiàn)象。對于濕化變形的定義，不同學(xué)者定義大致相同。所謂粗粒[1][2][3][4][5]料的濕化變形，是指粗粒料在一定的應(yīng)力狀態(tài)下浸水，由于顆粒之間被水潤滑以及顆粒礦物浸水軟化等原因而使顆粒發(fā)生相互滑移、破碎和重新排列，從而發(fā)生變形，并使土[6]體中的應(yīng)力發(fā)生重分布的現(xiàn)象。這種變形是在應(yīng)力狀態(tài)不變時(shí)，土由干變濕所發(fā)生的變形。[7]對于粗粒料濕化變形的機(jī)理，大多學(xué)者認(rèn)同以上觀點(diǎn)。沈珠江在提出的廣義吸力理論、廣義有效應(yīng)力原理、穩(wěn)定孔隙比和穩(wěn)定狀態(tài)原理的

5、基礎(chǔ)上，提出了研究土體濕化變形的吸力喪失規(guī)律，可同時(shí)研究土體的濕陷和濕脹。2.2濕化變形的試驗(yàn)方法及影響因素目前，對于粗粒料濕化變形的試驗(yàn)研究，主要是在常規(guī)試驗(yàn)儀器上進(jìn)行濕化試驗(yàn)。試驗(yàn)方法主要有單向壓縮濕化試驗(yàn)、各向等壓下的濕化試驗(yàn)、常規(guī)三軸濕化試驗(yàn)。按照“單線法”[1][1][8]和“雙線法”的思路進(jìn)行不同應(yīng)力狀態(tài)下的浸水濕化，測定濕化變形。李廣信曾經(jīng)進(jìn)平面應(yīng)變條件下的濕化試驗(yàn)。不同的試驗(yàn)方法都表明影響濕化變形的因素很多。不同學(xué)者從不同方面進(jìn)行了研究。[9][9][10]Anthiniac等認(rèn)為，濕化變形的影響因素

6、包括內(nèi)因和外因，內(nèi)因主要有巖石的破度、顆粒形狀、礦物成份、密度、級配、含水量、細(xì)粒含量及內(nèi)摩擦角等，外因主要有應(yīng)力[10][10][11]狀態(tài)、應(yīng)力路徑、時(shí)間等。Ordemir針對沖積層地基進(jìn)行了室外和室內(nèi)濕化試驗(yàn)，指響濕化的因素包括初始含水率、初始干密度、細(xì)粒含量、級配均勻度、最大顆粒尺寸、骨料類型、加荷方式及應(yīng)力水平、濕化時(shí)間。單向壓縮濕化試驗(yàn)表明：浸水初期濕化變形速率較[11][11][12]大，隨著時(shí)間的延長，濕化變形速率逐漸減小，最后基本穩(wěn)定。Kast等針對不同風(fēng)度的堆石料進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明：在給定的常荷

7、載下浸水，土體產(chǎn)生濕化沉降，其沉降值[12][12][13]等于干、飽和試樣在相同荷載下的沉降差。Hayashi針對堆石料進(jìn)行試驗(yàn)，認(rèn)為濕化與初始含水率、初始孔隙比關(guān)系密切，同時(shí)指出了濕化與二者的關(guān)系式。[2][13][13][14]保華富、屈智炯通過對天生橋電站A料及魯布革電站B料的等壓和剪切濕化試究，認(rèn)為：浸水時(shí)間是影響濕化變形及其發(fā)展的一個重要因素；細(xì)粒含量、初始含水量、干[6]密度是影響濕化變形的主要因素。李廣信進(jìn)行了不同礦物成分、不同密度、不同相似比例模擬試樣的濕化試驗(yàn)，認(rèn)為相似比例越小濕化變形越大，同時(shí)密

8、實(shí)樣的濕化變形存在明顯各[5]向異性。王輝通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于顆粒的破碎作用土樣在較弱濕化時(shí)還有濕脹發(fā)生。左元[1][1][15]明、沈珠江進(jìn)行了浸水時(shí)間、細(xì)粒含量、不同密度和圍壓對浸水變形的影響研究。結(jié)明：細(xì)粒含量、干密度是影響浸水變形及其發(fā)展的重要因素，浸水變形穩(wěn)定時(shí)間與應(yīng)力狀態(tài)[14][14][16]幾乎無關(guān)。殷宗澤也指出了濕化試驗(yàn)時(shí)尺寸效