水壩工程中強蝕花崗巖的改良研究

關(guān)志偉

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

花崗巖地質(zhì)地層廣泛地分布在我國西北地區(qū)[1]。這種地質(zhì)在長期的自然環(huán)境作用（主要是熱液作用和表生作用）下產(chǎn)生各種次生變化，這一變化稱為蝕變[2]。而這種強蝕變后的花崗巖呈松散沙土狀，在水壩選址過程中，壩基巖石的蝕變特征對巖體的工程地質(zhì)特性具有很大的影響，若以強蝕變花崗巖為壩基，會嚴重影響壩基、隧洞和地下廠房的穩(wěn)定性[3]。但為節(jié)約工程投資，需對此類強蝕變花崗巖進行改良，使其能夠為水壩修建提供豐富的原材料。

目前對強蝕變花崗巖的改良方法主要存在物理改良與化學改良兩種。外摻石灰與水泥等多種改良摻合物的物理改良方法最為成熟。如方磊[4]等人對全風化蝕變花崗巖作了摻砂改良以作為高速公路路基填料，武鳳遠[5]論證了花崗巖物理改良填料后用于高速鐵路填筑的可行性，馮箻[6]等人探究了全風化花崗巖土料在大壩壩基和防滲墻填筑中的運用。

本文以我國西北某水壩壩基強蝕變花崗巖地質(zhì)為研究對象，探析改良后的強勢花崗巖充當壩基填充料的可行性。

1 強蝕花崗巖的基本力學特性

在施工前研究壩基花崗巖的蝕變特征是評價壩基花崗巖工程地質(zhì)特征，決定工程建基選擇的重要地質(zhì)依據(jù)。因此，需要先對改良前的強蝕變花崗巖的基本力學性質(zhì)進行檢驗。本次試驗選用我國西北某水壩壩基選址的強蝕變花崗巖為試樣，以壓實度為控制指標，對其分別進行滲透、壓縮和強度3種特性檢驗。

1.1 滲透特性試驗

結(jié)合材料壓實度對滲透性的影響，選擇變水頭方法為改良前強蝕變花崗巖材料的滲透特性試驗。分別制作壓實度為90%、92%、94%、96%的4種不同的材料試樣，對其進行平行試驗，得出圖1中曲線變化。

圖1 滲透系數(shù)與壓實度的變化關(guān)系

從圖1壓實度和滲透系數(shù)的關(guān)系曲線可以看出，強蝕變花崗巖材料在改良前其滲透系數(shù)隨著壓實度的增加而呈現(xiàn)單調(diào)遞減的變化趨勢。而且其遞減的速度并不是定值的，在92%～94%區(qū)間材料的滲透系數(shù)遞減速率最快，其次是90%～92%區(qū)間，而在94%～96%區(qū)間變化幅度較小，94%壓實度的試樣滲透系數(shù)基本與壓實度為96%的試樣一樣。

1.2 壓縮特性試驗

試驗選擇側(cè)限壓縮試驗來進行強蝕變花崗巖改良前的壓縮特性檢驗。選取與前面做滲透性試驗相同的4種不同壓實度的強蝕變花崗巖試樣，通過對其施加按 50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa的遞變等級遞增的法向載荷，分別記錄每級加載穩(wěn)定后的百分表讀數(shù)，從而得到材料的壓縮系數(shù)和壓縮模量。因為在一定壓實度下，強蝕變花崗巖分別具有最優(yōu)含水率和浸水飽和2種狀態(tài)，需要分別進行試驗，圖2和圖3就是得到的強蝕變花崗巖分別在2種狀態(tài)下的壓縮性指標。

圖2 壓實度與壓縮系數(shù)的變化關(guān)系

從圖2和圖3不同狀態(tài)下的壓實度與壓縮系數(shù)和壓縮模量的關(guān)系曲線可以看出，壓縮系數(shù)隨著壓實度的遞增而逐漸減小，壓縮模量隨著壓實度的增加而逐漸增大，這說明試樣愈密實，其可壓縮性愈低，壓縮形變愈小。而且浸水飽和對強蝕變花崗巖的壓縮模量影響較小。

1.3 強度特性試驗

本次研究對強蝕變花崗巖借助直接剪切試驗和三軸壓縮試驗2種方法來檢測其強度特性。

1.3.1直接剪切試驗

改良前的強蝕變花崗巖的直接剪切試驗選擇與前面2次試驗相同的試樣進行，選取壓實度分別為90%、92%、94%、96%的4種不同材料試樣，依次以最優(yōu)含水率和浸水飽和2種含水比例按100kPa 200kPa、300kPa、400kPa的遞增等級對其施加法向載荷，進行不固結(jié)快剪，得出表1的結(jié)果。

表1 不同壓實度試樣抗剪強度

從表1可以看出，強蝕變花崗巖在最優(yōu)含水率狀態(tài)下，隨著壓實度的增加，凝聚力c和內(nèi)摩擦角φ都隨之增大，但在浸水飽和狀態(tài)下，二者都出現(xiàn)了弱化現(xiàn)象，特別是凝聚力有明顯降低。

1.3.2三軸壓縮試驗

選取與直接剪切試樣同樣的強蝕變花崗巖試樣開展固結(jié)不排水三軸剪切試驗。將4種不同飽和度的試樣按最優(yōu)含水率15%配置3組，再分別以100kPa、200kPa、300kPa的垂直載荷圍壓固結(jié)剪切，得到結(jié)果見表2。

表2 不同壓實度三軸剪切強度

從表2各壓實度試樣固結(jié)不排水剪切強度實測值可以看出，強蝕變花崗巖凝聚力c隨著壓實度的增大而遞增，相應(yīng)的內(nèi)摩擦角φ也隨之增大，由23.4°增加到30.2°。隨著壓實度的增加有效強度指標的遞增速度較緩慢，這一點特別是在有效內(nèi)摩擦角φ`上體現(xiàn)明顯，僅僅由32.4°增加至33.4°。

2 改良方案設(shè)計

經(jīng)過上述試驗檢測得出在改良前，當強蝕變花崗巖材料壓實度為96%時，其滲透系數(shù)為1.41×10-4cm/s，屬于偏大；浸水飽和后壓縮性明顯增大，浸水飽和狀態(tài)的凝聚力顯著降低，降幅高達36%，這說明改良前的強蝕變花崗巖材料的水穩(wěn)定性較差，會出現(xiàn)遇水軟化的現(xiàn)象，這種特性直接導致其不能作為壩基填筑材料，需對其進行改良。

結(jié)合已經(jīng)成熟的針對強蝕變花崗巖的物理改良方法，以生石灰和水泥作為強蝕變花崗巖的改良劑，分別設(shè)計2%、4%、6%和8%的摻灰比對比這2種改良劑的改良效果。

將改良劑與干土充分混合攪拌，用塑料密封并經(jīng)過1 d靜置后；按15%的最優(yōu)含水率配制成為改良后的強蝕變花崗巖試樣；再按96%的設(shè)計壓實度制備后以15 d、30 d為期齡進行養(yǎng)護；最后對制備的試樣進行滲透試驗、固結(jié)試驗以及直剪和三軸試樣得出結(jié)果。

3 改良的試驗結(jié)果

3.1 針對滲透特性的改良

針對強蝕變花崗巖的滲透特性的改良選擇變水頭方法，將試驗結(jié)果繪制成圖4。

圖4 2種改良劑改良后的試樣滲透特性

從圖4可以看出，與改良前相比，這2種改良劑不管加入哪一種都能使強蝕變花崗巖的滲透系數(shù)明顯降低，且隨著摻灰比的增加而加劇。其中又以生石灰改良劑最為顯著，從摻灰比0%～8%，試樣的滲透系數(shù)降低幅度超過了14倍；加入水泥改良劑也產(chǎn)生了明顯的降幅，滲透系數(shù)從沒加入改良劑之前的1.5×10-4cm/s降為摻灰比8%時的1.3×10-5cm/s。

3.2 針對壓縮特性的改良

分別用生石灰和水泥作為改良劑，按同樣的摻灰比梯度改變其摻量，然后以同樣的配置方法和養(yǎng)護齡期制備試樣，經(jīng)過固結(jié)試驗得出經(jīng)改良劑改良后的強蝕變花崗巖的壓縮特性變化。

3.2.1生石灰改良劑對強蝕變花崗巖的壓縮性影響

在強蝕變花崗巖中分別加入0%、2%、4%、6%、8%摻量的生石灰改良劑，其壓縮性能參數(shù)變化和分布如圖5和圖6所示。

圖5 生石灰對強蝕變花崗巖壓縮系數(shù)的影響

圖6 生石灰對強蝕變花崗巖壓縮模量的影響

分析圖6和圖7可以看出，與改良前相比，加入了石灰石的強蝕變花崗巖試樣的壓縮系數(shù)明顯降低，且均小于低壓縮性土的門檻0.01 MPa-1[7]。此外，不論何種狀態(tài)下的試樣，其壓縮系數(shù)并不隨著加入生石灰的摻量增加而產(chǎn)生明顯的變化，說明在2%～8%這個摻灰比范圍內(nèi)，改變石灰石摻量對強蝕變壓縮性能的影響并不明顯。同時，隨著生石灰摻量從0%到8%的遞增，試樣的壓縮模量遞增，且當摻灰比一定時，更長的養(yǎng)護齡期下試樣的壓縮模量更高。

3.2.2水泥改良劑對強蝕變花崗巖的壓縮性影響

在強蝕變花崗巖中加入0%、2%、4%、6%、8%的水泥改良劑，其壓縮性能參數(shù)變化和分布如圖7、圖8所示。

圖7 水泥對強蝕變花崗巖壓縮系數(shù)的影響

圖8 水泥對強蝕變花崗巖壓縮模量的影響

由圖7和圖8可以看出，與改良前相比，加入了水泥的強蝕變花崗巖試樣的壓縮系數(shù)普遍明顯降低，同樣均小于低壓縮性土的門檻0.01 MPa-1。同時隨著摻灰比的增加，壓縮系數(shù)呈現(xiàn)不同幅度的遞減，試樣的壓縮模量隨著水泥摻量從0%～8%的遞增而遞增。對于水泥改良劑來說，當摻灰比一定時，不同的養(yǎng)護齡期下試樣的2個壓縮指標均有明顯差異。更長的養(yǎng)護齡期下壓縮系數(shù)更小，而壓縮模量更大。

綜上所述，生石灰和水泥這2種改良劑對強蝕變花崗巖的壓縮特性影響趨勢大體相同，都能降低其壓縮系數(shù)，增加壓縮模量，但生石灰改良劑對降低試樣的壓縮系數(shù)的程度不如水泥，水泥改良劑使試樣擁有更小的壓縮模量。且浸水飽和后加入水泥改良劑的試樣水穩(wěn)定性進一步提升，可見水泥改良劑對強蝕變花崗巖的壓縮特性提升更明顯。

3.3 針對強度的改良

對分別加入不同摻灰比水泥和生石灰的改良強蝕變花崗巖試樣進行不同齡期的養(yǎng)護后，直接剪切試驗，其性能參數(shù)變化如表3所示。

從表3可以看出，當摻灰比在0～6%之間時，經(jīng)過水泥改良劑改良的試樣凝聚力顯著提升，從19 kPa到221 kPa，增長超過10倍。當摻灰比超過6%后，c的增長趨于平緩。相比之下經(jīng)過生石灰改良劑改良的試樣在摻灰比為0～4%之間時凝聚力增長較快，當摻灰比過了4%之后增速放緩甚至出現(xiàn)回落。但不管是水泥還是生石灰，經(jīng)過兩者改良的試樣養(yǎng)護齡期愈長其凝聚力就增長得愈多。

不論改良劑是生石灰還是水泥，其對試樣內(nèi)摩擦角的改變都相似，在0～4%摻灰比區(qū)間增長迅速，當摻灰比超過4%之后其對內(nèi)摩擦角的影響很小，僅在很小范圍內(nèi)波動。與凝聚力相似，同樣的改良劑摻灰比下，養(yǎng)護齡期愈長的改良后試樣其內(nèi)摩擦角越大。

依舊選取同樣規(guī)格的試樣分別加入兩種不同改良劑，養(yǎng)護7 d后進行三軸剪切試驗檢驗其總強度指標和有效強度指標，結(jié)果見表4、表5。

從表4可以看出，經(jīng)過水泥改良劑改良的強蝕變花崗巖試樣的凝聚力和有效凝聚力都隨著摻灰比的增加而顯著升高，從0%～8%，c和c`分別增大了6.4倍和8.9倍；而內(nèi)摩擦角和有效內(nèi)摩擦角在摻灰比為0%～4%之間顯著提升，分別增大了22.6%和16.9%，當摻灰比超過4%之后增速變緩甚至回落，在6%時到達極值。

表3 改良后的強蝕變花崗巖直接剪切強度指標

表4 水泥改良劑改良后的試樣強度參數(shù)

從表5可以看出，同水泥改良劑一樣，當摻灰比在0%～6%之間時，在強蝕變花崗巖試樣中加入生石灰可以顯著增大試樣的凝聚力和有效凝聚力，使c和c`分別增大了3.2倍和4.1倍，且在6%時達到極值，可見增加程度比同等摻量的水泥改良劑要小，這說明同等摻灰比下，水泥比生石灰具有更強的增加試樣的凝聚力的特性。生石灰改良試樣的內(nèi)摩擦角和有效摩擦角的變化和水泥改良劑相似，在摻灰比為0%～4%之間增長較大，分別增長了16.5%和13%，當摻灰比超過4%之后增速放緩，并在6%時達到極值。可見不論凝聚力還是內(nèi)摩擦角，經(jīng)過水泥改良劑改良的試樣比生石灰的試樣值更大，說明水泥改良后的強蝕變花崗巖具有更好的強度特性。

表5 生石灰改良劑改良后的試樣強度參數(shù)

4 結(jié)論

經(jīng)過對比改良前后試樣在滲透、固結(jié)和強度方面的試驗結(jié)果，得到以下結(jié)論：

（1）通過對改良前強蝕變花崗巖的滲透、壓縮和強度特性的試驗分析，得出強蝕變花崗巖在浸水飽和后，其壓縮性明顯增大、抗剪強度指標凝聚力顯著降低，說明其水穩(wěn)定性較差，不能直接作為壩基修筑材料，需要對其進行改良。

（2）水泥和生石灰都能有效提高強蝕變花崗巖的各類性能，都能降低其滲透系數(shù)和壓縮系數(shù)，增加壓縮模量，提升凝聚力和內(nèi)摩擦角，且隨著改良劑摻灰比的增加而影響更大。

（3）在相同摻灰比下，生石灰對降低試樣的滲透系數(shù)有著比水泥更顯著的效果，但過低的壩體滲透系數(shù)會使水分在水壩枯水期產(chǎn)生回流現(xiàn)象，影響穩(wěn)定性并不利于壩體滲流[7]，所以從滲透性方面考慮，應(yīng)優(yōu)先選用水泥作為改良劑。

（4）在相同摻灰比下，加入水泥改良劑的試樣壓縮形變要小于生石灰。而且隨著養(yǎng)護齡期的增加而更明顯。同時浸水飽和后試樣的壓縮形變量比最優(yōu)含水率狀態(tài)更小，浸水飽和后加入水泥改良劑的試樣水穩(wěn)定性進一步提升，使試樣擁有更為出色的壓縮特性及水穩(wěn)定性。所以相對于生石灰來說，水泥在改良壓縮特性方面是更好的改良劑。

（5）在相同摻灰比下，加入水泥改良劑的試樣有著比加入生石灰改良劑試樣更好的強度，且在摻灰比為7%時達到極值。所以水泥比生石灰更適合改良強蝕變花崗巖，在水壩壩體壩基的施工中，應(yīng)該選取水泥以摻灰比為7%加入強蝕變花崗巖來改良其特性。

[1]張瑞旗 . 強蝕變花崗巖力學特性及其改良研究[J] . 華北水利水電大學，2016（03）：89 .

[2]郭健，許模，張強 . 蝕變花崗巖特性及工程特性研究[J] .甘肅水利水電技術(shù)，2009（09）：27-29 .

[3]湛川，李寶玉，張瑞旗，等 ．強蝕變花崗巖壩基填料改良試驗 [J] . 人民長江，2017（48）：232 .

[4]方磊，馬宏劍 ．摻砂處理全風化花崗巖路基填料室內(nèi)CBR試驗研究[J] . 蘇州科技學院學報，2016，19（01）：22-25 ．

[5]武鳳遠 ．高速鐵路花崗巖全風化武填料改良試驗研究[J]．路基工程，2014 （0 2）： 85-88．

[6]趙仕杰，馮箻 . 劉家菁水庫大壩安全性分析[J] . 人民長江，2006（09）：27-29 .

[7]DL/T 5395-2007 ，碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[S] .