砂巖與卵石混合骨料膠凝材料壩現(xiàn)場(chǎng)變形直剪試驗(yàn)研究

彭 明 亮 ， 胡 人 炭 ， 楊 小 奇

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

膠凝砂礫石壩簡(jiǎn)稱CSG壩，其筑壩材料采用價(jià)格低廉且低強(qiáng)度的膠凝砂礫石材料，膠凝砂礫石壩介于土石壩和混凝土壩之間，兼有兩種壩型的優(yōu)點(diǎn)。壩體防滲由上游防滲面板來承擔(dān)。

膠凝砂礫石是具有一定強(qiáng)度的膠結(jié)材料，在水壓力和其他荷載作用下，膠凝砂礫石壩主要依靠自重產(chǎn)生的抗滑力來滿足穩(wěn)定要求，抗滑穩(wěn)定通常是控制性因素。抗滑穩(wěn)定計(jì)算可參照重力壩的計(jì)算分析方法，壩基面抗滑穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)采用抗剪斷強(qiáng)度公式或抗剪強(qiáng)度公式，碾壓層的抗滑穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)采用抗剪斷強(qiáng)度公式，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不小于我國(guó)重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的控制指標(biāo)值[1]。膠凝砂礫石與基巖、墊層接觸面以及層面的抗剪參數(shù)無大量實(shí)際工程的經(jīng)驗(yàn)值可供參考，需要進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，并根據(jù)工程重要性合理選用設(shè)計(jì)值。

中國(guó)有關(guān)碾壓混凝土的原位直剪試驗(yàn)采用的試驗(yàn)裝置與《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》中巖石直剪試驗(yàn)相同[2]?！端せ炷猎囼?yàn)規(guī)程》中規(guī)定：每塊試件剪切面積應(yīng)不小于500 mm×500 mm，試件數(shù)量4～5塊。國(guó)內(nèi)許多工程結(jié)合工程實(shí)際材料，進(jìn)行室內(nèi)、原位和芯樣抗剪斷試驗(yàn)。

目前，針對(duì)膠凝砂礫石的層面原位抗剪試驗(yàn)，中國(guó)僅山西守口堡水庫[3]大壩在建設(shè)期間進(jìn)行了河卵石富漿膠凝砂礫石墊層與壩基巖石接觸面、墊層與墊層面的抗剪斷和純摩試驗(yàn)，尚未開展膠凝砂礫石層面、膠凝砂礫石與混凝土接觸面等抗剪試驗(yàn)以及膠凝砂礫石壩體的變形試驗(yàn)等。

受限于砂礫石骨料供應(yīng)，為適應(yīng)四川實(shí)情，充分利用當(dāng)?shù)亟ú闹?，使這項(xiàng)筑壩技術(shù)更具有推廣性，金雞溝水庫創(chuàng)造性地提出了膠凝砂礫石壩骨料中摻入50%中硬砂巖塊石，即提出了膠凝砂礫塊石壩概念，并付諸實(shí)施。同時(shí)，還進(jìn)行了60%、70%摻量配比試驗(yàn)研究，開展了包括砂巖骨料不同摻量配比膠凝砂礫石層面、與富漿膠凝砂礫石和與C15常態(tài)混凝土接觸面、膠結(jié)堆石4種類型膠凝砂礫塊石壩變形特性和抗剪特性試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)布置及方法

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

根據(jù)業(yè)主方推薦，膠凝砂礫塊石壩現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選定大壩左岸尖哨嘴平臺(tái)作為試驗(yàn)研究場(chǎng)地。場(chǎng)地長(zhǎng)23 m，寬12 m，按砂巖骨料摻量劃分為4個(gè)條帶，分6層碾壓，層厚0.5 m，底層為找平層，2～4層為膠凝砂礫塊石，直剪試驗(yàn)剪切面為5～6層界面，變形試驗(yàn)布置在第6層。工作量見表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究工作量表

1.2 原材料

試驗(yàn)用水泥為渠縣華新水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5R水泥；摻合料為渠縣長(zhǎng)遠(yuǎn)煤灰綜合利用有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰；外加劑為北京新慧水利建筑工程有限公司的膠凝砂礫石專用外加劑CSGR-a1；粗骨料為外購的卵石+砂巖破碎塊石；細(xì)骨料為卵石破碎砂。

1.3 配合比

本次試驗(yàn)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際采用包括砂巖骨料50%、60%、70%摻量C1808配合比，膠結(jié)堆石配合比，M15砂漿配合比及60%摻量富漿(7%加漿振搗膠凝砂礫石)配合比[4]，見表2。

表2 膠凝砂礫塊石配合比

注：1.砂巖為中硬巖～較軟巖；砂巖破碎骨料最大粒徑為150 mm，全部為一次破碎骨料；2.膠結(jié)堆石采用膠凝砂礫石+堆石+膠凝砂礫石分層攤鋪后再行碾壓。膠凝砂礫石砂巖骨料摻量為50%

1.4 試驗(yàn)方法

變形試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)均參照《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》SL264-2001。

變形試驗(yàn)采用圓形剛性承壓板法，試驗(yàn)面積為2 000 cm2；垂向加荷，加壓方式采用逐級(jí)一次循環(huán)法，試驗(yàn)最大壓力1 MPa，等分5級(jí)施加，每級(jí)試驗(yàn)應(yīng)力0.2 MPa。

直剪試驗(yàn)采用平推法，人工浸水飽和條件下進(jìn)行剪切，包括抗剪斷和抗剪試驗(yàn)。同時(shí)，對(duì)部分試件進(jìn)行單點(diǎn)摩擦試驗(yàn)。根據(jù)本工程大壩應(yīng)力，剪切面最大法向應(yīng)力為1.0 MPa。

2 變形特性研究

變形特性研究包括砂巖骨料50%、60%、70%摻量和膠結(jié)堆石4種壩體，每種壩體布置變形試驗(yàn)3點(diǎn)，共12點(diǎn)，變形試驗(yàn)點(diǎn)布置于第6層膠凝砂礫塊石碾壓壩體頂面。

采用GSSI公司的SIR-3 000地質(zhì)雷達(dá)，分別采用900 Hz、1 600 Hz天線對(duì)4個(gè)不同砂巖骨料摻量條帶沿碾壓長(zhǎng)邊，并對(duì)所有變形試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行雷達(dá)掃描；同時(shí)，采用試坑密度等方法對(duì)試驗(yàn)壩體性狀進(jìn)行檢測(cè)。變形試驗(yàn)測(cè)試完成后，對(duì)試點(diǎn)切槽表層密實(shí)厚度、骨料粗粒集中面積占比(粒徑大于5 cm粗骨料占切槽面積百分比)、充填情況等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2.1 變形特性研究成果

(1)砂巖骨料50%、60%、70%摻量和膠結(jié)堆石4種壩體，共計(jì)12組變形試驗(yàn)，根據(jù)曲線類型確定變形值，逐級(jí)分段計(jì)算膠凝砂礫塊石壩體變形模量和彈性模量，取算術(shù)平均值。變形試驗(yàn)成果匯總見表3。

表3 試驗(yàn)壩體變形試驗(yàn)成果匯總表

(2) 砂巖骨料50%、60%、70%摻量和膠凝堆石4種試驗(yàn)壩體壓力P與變形W關(guān)系曲線均為下凹型，即表征隨壓力增高變形增量增大，模量逐漸減小的變形特征，典型曲線見圖1；變形模量平均值分別為4 770、4 212、5 099和13 327 MPa，彈性模量平均值分別為9 558、8 110、11 034和23 277 MPa，變形模量或彈性模量在同一數(shù)量級(jí)，其分布見圖3。

圖1 壓力P～變形W關(guān)系典型曲線

2.2 變形特性主要影響因素

膠凝砂礫塊石壩變形模量或彈性模量受試驗(yàn)點(diǎn)部位壓實(shí)密度、骨料均勻性分布、粗粒集中程度及占比、表層密實(shí)厚度等控制。

2.2.1 砂石骨料摻量比

雷達(dá)掃描和切槽描述揭示，砂巖骨料50%摻配，總體密實(shí)，局部粗粒相對(duì)集中，無明顯欠密實(shí)區(qū)域；砂巖骨料60%摻配大粒徑骨料較集中；砂巖骨料70%摻配靠近層間結(jié)合面處局部欠密實(shí)；膠結(jié)堆石無明顯欠密實(shí)或孔洞情況。隨著砂巖骨料摻量增加，膠凝砂礫塊石表層均勻性變差，骨料粗粒集中現(xiàn)象越明顯，整個(gè)試件骨料粗粒集中面積占比增加。骨料粗粒集中面積占比統(tǒng)計(jì)見表4和圖2。

表4 骨料粗粒集中面積占比統(tǒng)計(jì)

注：骨料粗粒集中面積占比(粒徑大于5 cm粗骨料占切槽面積百分比)

圖2 骨料粗粒集中面積占比統(tǒng)計(jì)圖

2.2.2 壓實(shí)度是模量值大小控制因素

隨著砂巖骨料摻量增加，壓實(shí)密度(干密度)減小，均勻性變差，模量值總體減小。壓實(shí)密度(干密度)與模量關(guān)系見圖3。

圖3 壓實(shí)密度(干密度)與模量關(guān)系圖

2.2.3 密實(shí)表層厚度對(duì)模量值的影響

變形試驗(yàn)采用剛性承壓板法，試驗(yàn)影響深度為承壓板徑的1～1.5倍，密實(shí)表層厚度對(duì)模量值的影響就更加明顯。試驗(yàn)后切槽統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)壩體密實(shí)表層厚度一般為15～35 cm，其下部較為疏松。密實(shí)表層厚度大，模量值大。膠結(jié)堆石表現(xiàn)得更為明顯，試驗(yàn)結(jié)束后開槽揭示，膠結(jié)堆石壩體埋在膠凝砂礫石體300～500 mm之下，膠結(jié)堆石體堆石之間膠凝材料較少，黏結(jié)不牢，局部呈松散狀態(tài)。其變形或彈性模量主要受控表層膠凝砂礫石體，而不是其下部的膠結(jié)堆石體。其變化關(guān)系見圖4。

綜上所述，砂巖骨料摻量加大模量要降低。模量降低的主要因素是壩體中砂巖骨料塊集中，而膠凝材料減少，造成不密實(shí)，壓實(shí)密度減小。除了控制施工質(zhì)量，降低壩體填筑不均勻性外，控制砂巖骨料摻量和采用合適的配合比[5]也是提高模量值的有效措施。

3 抗剪特性研究

膠凝砂礫塊石直剪試驗(yàn)層面均為施工冷縫，剪切墩尺寸為500 mm×500 mm×500 mm。分為層面、與富漿膠凝石接觸面、與C15混凝土接觸面、膠結(jié)堆石直剪4類。

3.1 抗剪特性的研究成果

直剪試驗(yàn)采用平推法，包括抗剪斷和抗剪試驗(yàn)。同時(shí)，對(duì)部分試件進(jìn)行單點(diǎn)摩擦試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，翻轉(zhuǎn)試體，測(cè)量實(shí)際剪切面積。對(duì)剪切面破壞型式、擦痕分布、方向及長(zhǎng)度，起伏差，碎屑物質(zhì)的分布和性質(zhì)等進(jìn)行了描述。

資料整理：首先繪制不同類型各法向應(yīng)力σ下的剪應(yīng)力τ與剪切位移μs曲線。根據(jù)關(guān)系曲線確定各法向應(yīng)力σ下的抗剪斷峰值、殘余強(qiáng)度、抗剪峰值及單點(diǎn)峰值強(qiáng)度，再繪制法向應(yīng)力σ與其對(duì)應(yīng)的抗剪斷峰值及抗剪峰值關(guān)系曲線。按庫倫表達(dá)式用最小二乘法擬合確定相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)?？辜籼匦匝芯砍晒麣w納如下：

(1)直剪試驗(yàn)包括砂巖骨料50%、60%、70%摻量膠凝砂礫塊石填筑層面3組；砂巖骨料60%、70%摻量膠凝砂礫塊石與C15混凝土接觸面2組；砂巖骨料60%摻量膠凝砂礫塊石與富漿膠凝砂礫塊石接觸面1組；以及砂巖骨料50%摻量膠凝砂礫塊石與膠結(jié)堆石面1組，合計(jì)7組。直剪試驗(yàn)成果匯總見表5。

(2) 膠凝砂礫塊石壩體層面或接觸面直接試驗(yàn)剪切破壞面以混合破壞型為主，呈塑性～脆性破壞，抗剪斷峰值強(qiáng)度均高出殘余強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和單點(diǎn)摩擦強(qiáng)度約10%～30%，見表6。典型抗剪斷σ～τ～μs關(guān)系曲線見圖5。

表5 直剪試驗(yàn)成果匯總表

(3)從趨勢(shì)上看，隨著砂巖骨料摻量增加，層面及接觸面抗剪斷強(qiáng)度逐漸減小，f’由1.1 MPa減小到0.99 MPa，c’由0.53 MPa減小到0.26 MPa，C值均不高。殘余強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度或單點(diǎn)摩擦抗剪強(qiáng)度變化不明顯。f=0.72～1.02 MPa，c=0.05～0.3 MPa。變化趨勢(shì)圖見圖6。

3.2 抗剪特性主要影響因素

(1)不同摻配比例層面或接觸面抗剪強(qiáng)度主要受試件下部膠凝砂礫石密實(shí)程度等性質(zhì)控制。試件揭示，試驗(yàn)壩體表層上部厚度約10～25 cm，較密實(shí)，下部欠密實(shí)，有些部位甚至砂巖塊骨料集中，缺乏膠凝材料，出現(xiàn)孔洞。特別是膠結(jié)堆石體?？辜魪?qiáng)度主要受試件下部膠凝砂礫石密實(shí)程度等性質(zhì)控制，試件剪切破壞型式以混合型破壞為主，幾種摻配比例壩體抗剪強(qiáng)度為同一數(shù)量級(jí)，C值均不高。典型試件切槽剖面見圖7。

圖5 典型抗剪斷σ～τ～μs關(guān)系曲線

表6 與抗剪斷強(qiáng)度比值關(guān)系表

注：表中數(shù)據(jù)為殘余強(qiáng)度、抗剪、單點(diǎn)摩擦強(qiáng)度與抗剪斷強(qiáng)度百分比值

圖6 直剪試驗(yàn)成果匯總圖

(2)砂巖骨料摻配比例及配合比是影響抗剪強(qiáng)度的又一重要因素?？辜粼嚰膫?cè)面、剪切面骨料粗粒集中統(tǒng)計(jì)揭示，砂巖骨料摻配超過60%，骨料粗粒集中面積占比超過20%，且骨料粗粒集中部位，砂巖骨料以扁平或不規(guī)則狀為主。砂巖骨料摻配量、骨料粒形及排列方式進(jìn)一步影響膠凝體的抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度總體不高，尤其是C值。骨料粗粒集中面積占比統(tǒng)計(jì)見表4及圖2。

4 結(jié) 語

通過不同砂巖骨料摻量膠凝砂礫塊石壩體的變形試驗(yàn)研究，獲得了變形模量及彈性模值，揭示了其變形特征。除了控制施工質(zhì)量，降低壩體填筑不均勻性外，控制砂巖骨料摻量和采用合適的配合比也是提高模量值的有效措施。

通過膠凝砂礫塊石層面、與C15混凝土接觸面，與富漿膠凝砂礫石接觸面以及與膠結(jié)堆石面等直剪試驗(yàn)，獲得了抗剪斷或抗剪強(qiáng)度以及揭示層面或接觸面的剪切特征。受試件下部膠凝砂礫石密實(shí)程度等性質(zhì)控制，試件剪切破壞型式以混合型破壞為主，幾種摻配比例壩體抗剪強(qiáng)度為同一數(shù)量級(jí)，而C值均不高。

砂巖與卵石混合骨料膠凝材料壩現(xiàn)場(chǎng)變形和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究揭示：膠凝砂礫塊石壩，尤其是砂巖與卵石混合骨料膠凝材料壩抗剪和變形指標(biāo)能滿足中低壩應(yīng)力應(yīng)變及穩(wěn)定之需，可以推廣使用。

圖7 典型試件切槽剖面

為保證膠凝砂礫石塊壩均勻密實(shí)，一是要加強(qiáng)施工質(zhì)量的控制，保證壩體施工鋪填均勻，碾壓得密實(shí)；二是控制砂巖骨料摻量。因?yàn)槿斯て扑樯皫r骨料基本呈塊狀，摻量再增大，不易攪拌均勻，不易攤鋪均勻，壩體施工質(zhì)量難以得到保證。砂巖骨料加工方式、最優(yōu)摻量，以及施工工藝等方面還有待進(jìn)一步試驗(yàn)研究。