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    膠結(jié)壩膠結(jié)砂礫石層面原位剪切試驗研究

    2022-09-06 11:58:10賈保振賈金生鄭璀瑩李曙光丁廉營
    關(guān)鍵詞:石層墊板砂礫

    賈保振,賈金生,鄭璀瑩,李曙光,丁廉營

    (中國水利水電科學(xué)研究院,流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室,北京 100038)

    1 研究背景

    在目前已有膠結(jié)砂礫石工程中,我國山西守口堡水庫膠結(jié)砂礫石大壩在建設(shè)期間進行了河卵石富漿膠結(jié)砂礫石墊層與壩基巖石接觸面、墊層層間的原位抗剪斷和純摩試驗,探究了實際工程中膠結(jié)砂礫石壩抗剪特性,取得了一定的研究成果[1-2];四川金雞溝膠結(jié)壩開展了原位抗剪試驗,進行了天然河卵石摻加不同比例砂巖后的抗剪性能研究,為紅層地區(qū)膠結(jié)砂礫石抗剪提供了工程經(jīng)驗[3-4]。

    西江膠結(jié)壩是我國首座采用公路棄料、風(fēng)化料等當(dāng)?shù)夭牧辖ㄔO(shè)的膠結(jié)壩,根據(jù)西江水庫工程地質(zhì)補勘后的成果,總的來看,壩區(qū)地質(zhì)條件較差,原砼重力壩設(shè)計方案已不再適應(yīng)實際地質(zhì)條件;景區(qū)規(guī)劃對工程建設(shè)的限制,無法就近找到合適的建筑材料開采地,特別是砼骨料和數(shù)量龐大的堆石料,導(dǎo)致原方案已不經(jīng)濟,甚至無法實施[5]。西江膠結(jié)壩充分利用工程棄渣料作為筑壩砂礫石料。有基坑開挖棄渣料和旅游公路棄渣料兩料源。弱風(fēng)化料和強風(fēng)化料均作為筑壩材料。膠結(jié)砂礫石壩采用碾壓工藝進行快速施工,碾壓層間處理工藝、層間的抗滑(剪)參數(shù)、層間的抗滑穩(wěn)定、抗?jié)B安全成為大壩設(shè)計的關(guān)鍵[6-10]。

    由于筑壩材料的抗剪強度等遠低于混凝土,且并表現(xiàn)出較高的離散性,壩體碾壓層間抗剪能力成為影響壩體穩(wěn)定的關(guān)鍵因素,壩體的抗剪斷能力評估是膠結(jié)砂礫石安全評估的重要方面。為研究風(fēng)化料膠結(jié)壩抗滑穩(wěn)定相關(guān)參數(shù),并進一步明確風(fēng)化料在新壩型中的應(yīng)用特性,現(xiàn)場開展原位抗剪試驗,并為類似工程提供參考。

    2 工程概況

    雷山縣西江水庫工程位于黔東南州雷山縣西江鎮(zhèn)境內(nèi),壩址距西江鎮(zhèn)1.2 km,距雷山縣城36 km,距凱里市城區(qū)44 km。

    擋水建筑物為膠結(jié)砂礫石壩,壩頂高程900.5 m,最大壩高為49.5 m,壩頂寬6 m,壩軸線長198.5 m。西江膠結(jié)壩河床段標(biāo)準(zhǔn)剖面見圖1。

    圖1 西江膠結(jié)壩河床段標(biāo)準(zhǔn)剖面圖

    3 膠結(jié)砂礫石原材料及配合比

    原位抗剪試驗?zāi)z結(jié)砂礫石配合比見表1。水泥為貴州凱里瑞安建材有限公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥,粉煤灰為黔東電廠Ⅱ級粉煤灰,膠結(jié)砂礫石專用外加劑為北京新慧水利建筑有限公司生產(chǎn)?;娱_挖料為下江群烏葉組第二段(Pt3wy2)薄層、極薄層夾少量中厚層深灰、灰黑色千枚狀絹云母板巖夾少量灰色變余粉-細(xì)砂巖,見照片1,外觀如千層餅,破碎后多呈片狀,絹云母含量較高,夜晚施工時明顯可見金黃色絹云母,依據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范》(SL677),該骨料不得作為混凝土建筑材料;強風(fēng)化上帶千枚狀絹云母板巖能成塊巖石飽和抗壓強度2.6~6.4 MPa,弱風(fēng)化至微風(fēng)化板巖飽和抗壓強度34.0~83.0 MPa;旅游公路棄料巖性為清水江組第二段(Pt3q2)灰色薄層至中厚層狀變余層凝灰?guī)r為主,夾變余砂巖及板巖,見照片2,巖體外觀節(jié)理裂隙明顯,原巖取芯率低,骨料成塊性差,300mm邊長以上大塊石少見;強風(fēng)化巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育,裂隙張開夾泥,隱節(jié)理發(fā)育,呈散體-碎裂結(jié)構(gòu),飽和抗壓強度9~35 MPa,弱風(fēng)化巖體帶色澤新鮮,無夾泥現(xiàn)象,隱節(jié)理發(fā)育,呈碎裂結(jié)構(gòu),飽和抗壓強度 55.0~60.0 MPa[5]。

    表1 原位抗剪試驗?zāi)z結(jié)砂礫石配合比

    照片1 壩址區(qū)千枚狀絹云母板巖

    照片2 旅游公路棄料

    4 膠結(jié)砂礫石層間原位抗剪試驗

    準(zhǔn)確確定剪切面的位置和設(shè)計制作好錨地反力架,是碾壓混凝土原位抗剪強度試驗中常易被忽視的兩個重要問題[11-12],膠結(jié)砂礫石進行原位抗剪試驗同樣需要重視上述兩個問題;本次試驗地錨鋼筋提供法向反力,水平推力反力由試驗段開挖槽面(砂漿找平)提供。

    4.1 試件制備

    (1)膠結(jié)砂礫石施工。原位抗剪試驗在生產(chǎn)性工藝試驗段的最頂部一層(高程863.0~863.5 m)開展,本層與下層層間為冷縫,冷縫經(jīng)高壓水沖毛后,鋪墊層砂漿(M18015)10~15 mm。膠結(jié)砂礫石采用JZL200B專用拌和設(shè)備拌和,拌和后經(jīng)皮帶機、溜管至自卸汽車,自卸汽車運輸入倉,挖機平倉,振動碾碾壓,碾壓參數(shù)為靜2+動8+靜2,壓實厚度50 cm。配合比B條帶寬8 m,長22 m,配合比A條帶寬8 m,長17 m。為模擬實際,原位抗剪試驗與大壩施工養(yǎng)護技術(shù)要求相同,膠結(jié)砂礫石終凝后即開始保濕養(yǎng)護,養(yǎng)護時間不少于28天。至設(shè)計齡期180天,配合比B膠結(jié)砂礫石抗壓強度11.0 MPa,配合比A膠結(jié)砂礫石抗壓強度8.6 MPa。

    (2)試件制作。共進行兩組試驗,一組為配合比B膠結(jié)砂礫石層間剪切,另一組為配合比A膠結(jié)砂礫石層間剪切,試驗采用平推法,每組6塊試件,其中1塊試件備用。

    先用切割機切割,后人工用電鎬開鑿,開鑿?fù)瓿珊?,推力面和試件頂面抹砂漿找平,推力面垂直于剪切面,試件頂面平行于剪切面。每塊試件的剪切面積不小于500 mm×500 mm,試件間距約1500 mm。在剪切面周邊留約10 mm寬的剪切縫。配合比A試件制備完成后見照片3。

    4.2 試驗設(shè)備安裝 試驗設(shè)備安裝完成后的情況見照片4。

    (1)法向荷載系統(tǒng)安裝。先安裝法向載荷系統(tǒng):試件頂部鋪石英砂后放上鋼墊板,鋼墊板用水平尺找平,在鋼墊板上依次安裝滾軸排、墊板、千斤頂、墊板、傳立柱及頂部墊板,頂部墊板連接地錨鋼筋。

    (2)水平荷載系統(tǒng)安裝。再安裝水平載荷系統(tǒng):依次由反力座、砂漿找平層、鋼墊板、千斤頂、傳力塊和墊板組成;水平推力中心線平行剪切面,且與剪切面距離20 mm。

    (3)位移測量系統(tǒng)安裝。槽鋼作為測量支架,安裝在試件變形影響范圍以外,支架上安裝測量表架和百分表,對稱安裝4支水平位移測量百分表和4支法向位移測量百分表。

    4.3 試驗方法 試驗依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL352)[13],試驗方法依據(jù)《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》(SL264)[14]。

    本工程主體大壩最大法向應(yīng)力小于0.8 MPa,本次試驗取最大法向應(yīng)力0.8 MPa,均分為5級:0.16 MPa、0.32 MPa、0.48 MPa、0.64 MPa、0.8 MPa。均分10級加載剪切荷載,當(dāng)剪切位移增量為前級位移增量的1.5倍時,將級差減半,在試件剪斷前不少于10組讀數(shù);剪切載荷施加采用時間控制,每隔5 min加載一級。

    照片3 配合比A試件制備完成

    照片4 法向載荷系統(tǒng)、水平載荷系統(tǒng)和測量系統(tǒng)安裝完成后

    5 試驗結(jié)果及分析

    剪切峰值強度作為試件破壞的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)庫侖公式τ=f′σ+c′,采用最小二乘法擬合求得抗剪斷和抗剪參數(shù)。試驗結(jié)果見表2,兩組膠結(jié)砂礫石的層間抗剪斷摩擦系數(shù)f′和黏聚力c′,經(jīng)復(fù)核計算,大壩均是穩(wěn)定的。配合比B抗剪斷摩擦系數(shù)f′較大,黏聚力c′較小。

    表2 膠結(jié)砂礫石層間原位抗剪試驗結(jié)果

    5.1 剪切面特征 由表3可知,B-4試件為層面剪斷,剪切面見照片5,其余試件為本體和層面混合剪斷,典型剪切面見照片6;A-1試件剪切面見照片7,剪切面本體約占80%,層面約占20%,剪切面骨料堆積,配合比A其余試件均為層面剪斷,典型剪切面見照片8。配合比B試件剪切面的起伏差均不小于配合比A試件。

    表3 膠結(jié)砂礫石層間原位抗剪試驗數(shù)據(jù)

    B1料為強風(fēng)化料,呈散體-碎裂結(jié)構(gòu),而A1料為弱風(fēng)化料,呈碎裂結(jié)構(gòu)。從試件剪切面的特征來看,在抵抗剪應(yīng)力時,配合比B膠結(jié)砂礫石為混合剪切面(層間薄弱結(jié)合面及試體底部B1料散體面);配合比A膠結(jié)砂礫石為層面剪斷(A-1試件剪切面骨料堆積,才會出現(xiàn)本體和層面混合剪斷),受剪應(yīng)力試體沿層面整體位移;剪斷總是發(fā)生在最薄弱面。配合比B剪切面,因為B1料的散體結(jié)構(gòu),內(nèi)摩擦角f′較大;抗剪斷黏聚力c′較小。

    照片5 B-4試件剪切面

    照片6 B-1試件剪切面

    照片7 A-1試件剪切面

    照片8 A-2試件剪切面

    5.2 剪應(yīng)力與正應(yīng)力關(guān)系曲線 配合比B膠結(jié)砂礫石層間剪切強度與正應(yīng)力關(guān)系曲線見圖2,可見抗剪斷強度與正應(yīng)力關(guān)系趨勢線R2=0.9563,當(dāng)趨勢線的R2等于1或接近1時,其可靠性最高,反之則可靠性較低),抗剪強度與正應(yīng)力關(guān)系趨勢線R2=0.96。配合比A膠結(jié)砂礫石層間剪切強度與正應(yīng)力關(guān)系曲線見圖3,可見抗剪斷強度與正應(yīng)力關(guān)系趨勢線R2=0.8162,可靠性偏低,原因在于A-1試件剪切面骨料堆積,A-6與A-5試件兩級壓應(yīng)力的剪應(yīng)力接近,本組膠結(jié)砂礫石抗剪斷試驗有一定的離散性;抗剪強度與正應(yīng)力關(guān)系趨勢線R2=0.9628。

    圖2 配合比B膠結(jié)砂礫石層間剪切強度與正應(yīng)力關(guān)系曲線

    圖3 配合比A膠結(jié)砂礫石層間剪切強度與正應(yīng)力關(guān)系曲線

    5.3 剪應(yīng)力與水平位移變化特性 配合比B膠結(jié)砂礫石層間抗剪斷試驗剪應(yīng)力與水平位移關(guān)系曲線見圖4,配合比A膠結(jié)砂礫石層間抗剪斷試驗剪應(yīng)力與水平位移關(guān)系曲線見圖5,由圖4、圖5可見,兩組膠結(jié)砂礫石,每塊試件均有明顯的極限抗剪斷荷載,大部分曲線在峰值以后下降段較平緩,原因在于膠結(jié)砂礫石最大骨料粒徑在150 mm以上,骨料粒徑范圍大,層面不同位置骨料嚙合差異大,試件剪斷時,不是驟然同時破壞,而是破裂首先在薄弱部位發(fā)生,隨后擴展到水泥石-集料界面以及強度較低的骨料中;一些質(zhì)量較好的骨料不會被剪斷,產(chǎn)生嚙合頂托作用,故而形成這種曲線,造成剪切面的凹凸、傾斜和擦痕。剪切變形屬于脆性材料特性。

    圖4 配合比B膠結(jié)砂礫石層間抗剪斷剪應(yīng)力與水平位移曲線

    圖5 配合比A膠結(jié)砂礫石層間抗剪斷剪應(yīng)力與水平位移曲線

    6 結(jié)論

    (1)配合比B膠結(jié)砂礫石抗剪斷摩擦系數(shù)1.66,黏聚力0.23 MPa,抗剪摩擦系數(shù)1.00,黏聚力0.11 MPa;配合比A膠結(jié)砂礫石抗剪斷摩擦系數(shù)1.09,黏聚力0.57 MPa,抗剪摩擦系數(shù)0.86,黏聚力0.19 MPa;兩組膠結(jié)砂礫石層間抗剪斷摩擦系數(shù)f′和黏聚力c′。經(jīng)復(fù)核計算,大壩穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。

    (2)剪斷發(fā)生在最薄弱面,配合比A膠結(jié)砂礫石多為層面剪斷;配合比B試件多為混合剪切面,配合比B剪切面源于B1料的散體結(jié)構(gòu),內(nèi)摩擦角f′較大,抗剪斷黏聚力c′較小。

    (3)配合比B抗剪斷試驗剪應(yīng)力與正應(yīng)力關(guān)系趨勢線R2=0.9563,抗剪試驗剪應(yīng)力與正應(yīng)力關(guān)系趨勢線R2=0.96。配合比A膠結(jié)砂礫石層間抗剪斷試驗剪應(yīng)力與正應(yīng)力關(guān)系趨勢線R2=0.8162,可靠性偏低,有一定的離散性;抗剪試驗剪應(yīng)力與正應(yīng)力關(guān)系趨勢線R2=0.9628。

    (4)兩組膠結(jié)砂礫石,每塊試件均有明顯的極限抗剪斷荷載,大部分曲線在峰值以后下降段較平緩,剪切變形屬于脆性材料特性。

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