维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２年第２期 上海地质 Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｇｅｏｌｏｇｙ ・４７・ 三峡风化砂侧限固结特性分析 许宏发 ・ 沈宇雄 赵佩胜 （１．南京大学地球科学系，南京，２１００９３） （２．理工大学工程兵工程学院人防工程系，南京，２１０００７） （３．江苏省启东市建工局，江苏启东，２２６２００） 摘要本文在三峡风化砂侧限固结试验的基础上，分析了风化砂在自然干燥状态和饱和状态下的固结变 形特性。提出了风化砂孔隙比ｅ和应力。之间的经验公式，进而导得了应力和应变之间的关系式。 这些结论对于堰体的固结数值计算分析有一定的应用价值。 关键词三峡风化砂固结围堰 １ 引言 试验所用风化砂，取自于三峡工程现场三斗坪 ｃｆＩｉ，含水量等于４．０６５％，孔隙比为１．０１２。该风化 砂取自于工程现场石岸…，在于５ｍｍ的粗粒含量 为５０％左右，不均匀系数为８。试验砂样的高度 ２０ｍｍ，环刀直径６１．８ｍｍ。试验时，将松散的强风化 砂装入环刀，按常规的试验方法＿２ Ｊ，分五级加载Ｐ＝ ０．５、１．０、２．０、３．０、４．Ｏｋｇ／ ，荷载加上后，３０分钟以 地区坝址右岸，是三峡工程二期围堰堰体的主要填 筑材料。该风化砂系前震旦系闪云斜长花岗岩强风 化而成，其主要矿物成分包括正长石、石英、更长石 和云母等，其中云母含量约为１０％左右，属于一般 花岗岩风化料。这种材料的工程性质较差，对其研 内，每隔２分钟记测百分表读数一次，读数精确至 ０．０１ｍｍ。随后每隔１５—２０分钟读数一次，当两次 读数变化不超过０．０１ｍｍ时，认为变形基本稳定，允 究也少。用此填筑的围堰堰体的工作性能尚不是十 分明确，但又至关重要，因其直接关系到三峡工程的 顺利建成。具体来讲，风化砂的压实性质、变形和强 度特性以及水中的工程性质，与围堰的水下抛填密 许施加下一级荷载，依此类推，直至五级荷载全部加 完，最后一级荷载压缩时间长达２４小时。饱和状态 的试验，则对风化砂进行人工饱和２４小时以后才进 行试验，试验过程中，在刚性护环与圆筒容器间隙中 度和坡角、防渗墙的构筑、堰体的渗流状态和稳定性 密切相关。因此，对风化砂的基本特性进行研究极 有必要。 注满水，使水可能通过透水石自由渗透，以确保风化 砂在整个试验过程中都处于饱和状态。 本试验，利用现场的风化砂材料进行了室内侧 限固结试验，同时为了了解其水中的工程性质，还进 行了饱和状态的侧限固结试验，通过试验结果，对风 ３试验结果 风化砂在两种状态即自然干燥状态和饱和状态 下的侧限固结试验结果，主要包括不同荷载下变形 化砂的压实性质和变形特性进行了讨论和分析。 ２试验方法 试验仪器为小型固结仪，风化砂分两种状态进 行试验，一是自然干燥状态，即在自然温度和湿度的 实验室内，将砂样放置一周后进行试验；二是饱和状 态，即对砂样进行人工饱和后才用于试验。自然干 燥状态下，试验砂样的比重为２．７４，容重为１．４１７ｇ／ 收稿日期：２００１—０９—２４ 作者简介：许宏发，男，１９６４年生，博士后，副教授， 硕士生导师，主要从事岩土工程的教学 和科研工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com 上海地质 ・４８・ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｇｅｏｌｏｇｙ 总第８２期 随时间的变化、孔隙比随应力的变化以及应力一应 变曲线等，以下则针对这些试验结果，分别进行分析 和说明。 图１是荷载为０．２ＭＰａ和０．４ＭＰａ，自然干燥状 态和饱和状态时变形随时间变化的试验结果。图 中，纵轴为砂样的平均应变ｅ，横轴则表示时间。荷 载加上后１小时以内，变形增加比较迅速和明显。 随后，变形逐渐趋向稳定，约３小时后，变形随时间 的变化基本达到收敛状态。由图１可以看出，变形 随时间变化曲线的形状十分相似，也就是说，尽管荷 载量级不同，试验状态也有所差异，即自然干燥状态 和饱和状态，但变形特性基本相同。 图１ 应变随时间变化的试验曲线 Ｆｉｇ １ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｔｉｍｅ 应力 （ＭＰａ） 图２孔隙比随应力变化的试验曲线 ｉｇ ２ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｎ ｖｏｉｄ ｒａｔｉｏ ｅ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｏ 图２是由自然干燥状态和饱和状态下固结试验 获得的孔隙比随应力增加而变化的结果。其中，应 力值为荷载作用方向上的平均压应力。由该试验结 果可以看出，孔隙比随着应力的增加而减小，试验刚 开始，孔隙比的减小程度较大，随后较慢。在初始孔 隙比相等，荷载重量级相同的情况下，饱和状态砂样 孔隙比的变化比自然干燥状态稍大些。不过，两种 状态即自然干燥状态和饱和状态下，风化砂孔隙比 随应力增加而减小的规律基本相同。 图３是由自然干燥状态和饱和状态下固结试验 获得的应力一应变曲线，其中应变为砂样的平均应 变，即变形量和试样高度之比。由图３可以看出，应 力一应变曲线成上凹形状，应力水平较低时，变形发 展较快，随着应力水平的提高，风化砂的密度逐渐增 加，变形愈来愈小，变形增加速度减慢。两种试验状 态的应力一应变曲线形状非常相似，饱和状态下的 风化砂较自然干燥状态下易于变形，从固结试验最 终的稳定变形量来看，饱和状态下风化砂的变形量 比自然干燥状态下大６％左右，差异不是很大。由 图３比较可知，自然干燥状态和饱和状态下，风化砂 在荷载作用下的变形规律基本一致。 图３应力——应变曲线 Ｆｉｇ ３ Ｓｔｒｅｓｓ—ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅｓ 图４和图５，则分别是不同初始孔隙比的风化 砂试验结果［¨。其中，图４为孔隙比随应力的变化 曲线，初始孔隙比较大的风化砂，孔隙比随应力的变 化程度比较明显。但当应力达到１．０—１．２ＭＰａ程度 时，孔隙比则相当接近，即在０．３８—０．４９范围之内。 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２年第２期 许宏发等：三峡风化砂侧限固结特性分析 ・４９・ 图５为不同孔隙比情况下的应力——应变曲线，曲 线的上凹形状基本一致，但初始孔隙比愈小，应力的 上升速度愈快。 应力ａ（ＭＰａ） 圈４ 孔隙比随应力增加而减小的变化曲线 Ｆｉｇ ４ Ｖａｒｉａｔｉｏｎａｌ ｅｔｌｒｖｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｄｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｖｏｉｄ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ０．Ｏ０ ０．０２ ０．０４ ０．０６ ０．Ｏｇ ０．１０ ０．１２ ０．１４ ０．１６ ０．１８ ０ ２０ 应变 圈５ 不同初始孔隙比的应力——应变曲线 Ｆ．ｇ ５ Ｓｔｒｅｓｓ—ｓｔｒａｉｎ ｅｔｌｒｖｅｓ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｖｏｉｄ ｒａｔｉｏ ４分析与结论 从固结试验中时间的影响来看，由变形随时间 变化的试验结果可以知道，在荷载一定的情况下，变 形的迅速增加将在ｌ小时内完成，随后变形速度降 低，约３小时后，变形基本达到稳定状态。在自然干 ＾堇ｂ Ｒ翻 燥状态和饱和状态下的试验，均获得了这样的结果。 另外，对于本试验中的风化砂来讲，含水量对时效现 象影响不大。 从孔隙比随应力增加而降低的试验结果来看， 初始孔隙比不同的风化砂，压缩特性有所差异，初始 孔隙比较大的砂样，孔隙比随应力变化的程度较明 显。通过图２和图４中试验结果的回归分析，得出 了孔隙比ｅ和应力ａ之间的关系式，即 ｌ 式中，ａ、ｂ为回归系数。不同初始孔隙比情况下，系 数ａ和ｂ的值如表ｌ所示。由表中的回归相关系数 Ｒ可以看出，式（１）与试验结果的相关程度极高，也 即式（１）较好地描述了孔隙比随应力的变化关系。 另外，由系数ａ、ｂ的值可见，系数ａ的值十分相近， 与初始孔隙比基本无关。系数ｂ则与初始孔隙比密 切相关，初始孔隙比愈大，ｂ值愈大。 表１不同初始孔隙比时系数ａ和ｂ的值 Ｔａｂ １ Ｔｈｅ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｔｏｅｆｆｉｅｉｅｎｔ ａ ａｎｄ ｂ ｆｏｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｖｏｉｄ ｒａｔｉｏ ｄｉｆｅｒｅｎｔ 初始孔隙比 回归系数 相关系数 ｅ０ ａ ｂ Ｒ ０．８５５ ２．３５ １．１３ ０．９９６ ０．７５０ ２．２３ ０．９４ ０．９９５ ０．６７０ ２．２３ ０．７６ ０．９９２ ０．５７０ ２．３７ ０．５９ ０．９９７ ０．５３０ ２．３９ ０．４７ ０．９９１ ０．４５０ ２．７３ ０．４６ ０．９７９ 从风化砂的应力一应变关系来看，应力一应变 曲线成上凹形状，两种状态即自然干燥状态和饱和 状态的试验现象基本一致。因试验砂料系风化松散 砂，因此可以认为，砂的压缩变形主要产生于砂颗粒 在应力作用下的重新组合排列，在本试验的荷载量 级范围内，砂颗粒的弹性压缩变形很小。 若将侧限固结试验中孔隙比ｅ与平均应变￡（＝ 变形／砂样高度）的关系式 ｅ＝ｅ。一（１＋ｅ。）￡ （２） 式（２）代入式（１），可得应力——应变关系如下： ｒ １ １ ａ＝ｌｎｂ—Ｉｎ【 Ｊ （３） 式中系数ａ、ｂ同式（１），表示１—１所示。ｅ。为初始 维普资讯 http://www.cqvip.com 上海地质 ・ ５０ ・ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｇｅｏｌｏｇｙ 总第８２期 孔隙比。上式能较好地反映初始孔隙比的影响，故 而具有一定的实用价值。 从两种试验状态，即自然干燥状态和饱和状态 分析和讨论了风化砂压缩变形随时间的变化、孔隙 比随应力增加而降低的情况以及其应力一应变关 系，并得出了孔隙比随应力变化的回归公式，以及不 同初始孔隙比下的应力——应变关系式。 参考文献 下的试验结果来比较，可以发现，无论是变形随时间 的增加，还是应力一应变曲线的形状，以及孔隙比的 应力的变化，两种状态下获得的试验规律非常一致， 并且定量的差异程度也较小，总体来看不超过 ｌ０％，一般在６％左右。也就是说，含水量对本试验 砂样的固结试验结果影响程度比较小。 风化砂的侧限固结试验研究，在试验的基础上， ［１］三峡枢纽二期深水围堰施工技术研究专题总报告，长江 科学院，１９９０ ［２］施斌等，土工试验原理及方法，南京：南京大学出版社， ｌ９９４ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ’Ｗｅａｔｈｅｒｉｎｇ Ｓａｎｄ Ｘｕ Ｈｏｎｇｆａ ’ Ｓｈｅｎ Ｙｕｘｉｏｎｇｓ Ｚｈａｏ Ｐｅｉｓｈｅｎｇ２ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅａｒｔｈ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｍｉｎｇ，２１００９３） （Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＰＬＡ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｍｉｎｇ，２１０００７） （Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｑｉｄｏｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ Ｐｒｏｊｅｃｔ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ Ｂｕｒｅａｕ，Ｑｉｄｏｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ，２２６２００） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔｓ ｏｎ ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ’ｗｅａｔｈｅｒｉｎｇ ｓａｎｄ，ｔｈｅ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ ｄｅｆｔｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｗｅａｔｈｅｒｉｎｇ ｓａｎｄ ｏｎ ｎａｔｕｒａｌ ｄｒｙｎｅｓｓ ａｎｄ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ａｎ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｅ－ ｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｖｏｉｄ ｒａｔｉｏ ｅ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｄ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｔｍｓｓ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ａｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｆｏｒ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｅｅｐａｇｅ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ，ｗｅａｔｈｅｒｉｎｇ ｓａｎｄ，ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ，ｓｅｅｐａｇｅ．
