高濕環(huán)境土石壩土料比選分析和物理性能研究

肖 拓,石繼忠,林 平

(浙江華東工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310000)

1 概述

在分區(qū)土石壩工程施工中,往往需開采利用大量全風(fēng)化土料,但土料開采過程中往往存在同一土料場(chǎng)分布著不同性狀的土[1-2],由不同性狀土料天然含水率、最優(yōu)含水率、土料物理性質(zhì)均不同,導(dǎo)致分區(qū)土石壩填筑施工過程中質(zhì)量管控難度增大,本文基于某抽蓄工程土料場(chǎng)內(nèi)不同物理性質(zhì)的兩種土料開展對(duì)比試驗(yàn)[3-4],該料場(chǎng)土料主要分為花崗巖風(fēng)化土[5-6]及晶屑凝灰?guī)r風(fēng)化土[7],通過一系列的對(duì)比試驗(yàn),驗(yàn)證不同土料物理性質(zhì)[8-9]的優(yōu)劣,為工程全風(fēng)化土料填筑提供了充分的技術(shù)支持。

本電站位于東南沿海區(qū)域,屬于一等大(1)型工程,總裝機(jī)容量1 200 MW;上水庫(kù)位于白云鄉(xiāng),主要擋水建筑物均為分區(qū)土石壩。全風(fēng)化土填筑區(qū)上游坡度為1∶0.75,下游坡度為1∶2.2。全風(fēng)化土填筑區(qū)與堆石區(qū)之間、排水陵體之間設(shè)反濾層和過渡層。上庫(kù)主壩典型剖面圖見圖1。

2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)所需試樣均在全風(fēng)化土料場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)取樣,試樣具體取樣位置及巖性見表1。

表1 試驗(yàn)取樣位置及巖性

為檢驗(yàn)晶屑凝灰?guī)r風(fēng)化土及花崗巖風(fēng)化土全風(fēng)化土料的物理性能,對(duì)花崗巖風(fēng)化土全風(fēng)化土料分別開展了顆粒分析試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、靜力三軸試驗(yàn)等一系列土工試驗(yàn),通過試驗(yàn)結(jié)果來總結(jié)分析不同土料的物理特性。

3 靜力特性試驗(yàn)過程與結(jié)果

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

分別對(duì)晶屑凝灰?guī)r風(fēng)化土和花崗巖風(fēng)化土開展了擊實(shí)試驗(yàn),擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 晶屑凝灰?guī)r風(fēng)化土和花崗巖風(fēng)化土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看兩種風(fēng)化土料密度基本一致,但在壓實(shí)后晶屑凝灰?guī)r風(fēng)化土的最大干密度和最優(yōu)含水率明顯優(yōu)于花崗巖風(fēng)化土,更有利于碾壓施工,同時(shí)根據(jù)TK2擊實(shí)最大干密度發(fā)現(xiàn)該處土料不滿足工程施工需求,晶屑凝灰?guī)r風(fēng)化土工程性質(zhì)有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3.2 滲透試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

分別對(duì)晶屑凝灰?guī)r全風(fēng)化土和花崗巖全風(fēng)化土開展了滲透試驗(yàn),滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 晶屑凝灰?guī)r風(fēng)化土、花崗巖風(fēng)化土滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看兩種風(fēng)全化土料在壓實(shí)度均達(dá)到96%時(shí),花崗巖風(fēng)化土滲透系數(shù)更小,其防滲性能較晶屑凝灰?guī)r要好,但兩種風(fēng)化土料的防滲性能均能達(dá)到規(guī)范要求,均可用于工程施工。

3.3 顆粒分析和界限含水率結(jié)果對(duì)比

分別對(duì)晶屑凝灰?guī)r風(fēng)化土和花崗巖風(fēng)化土開展顆粒分析、界限含水率試驗(yàn)及滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 晶屑凝灰?guī)r風(fēng)化土、花崗巖風(fēng)化土顆粒分析及界限含水率試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看晶屑凝灰?guī)r風(fēng)化土其顆粒級(jí)配優(yōu)于花崗巖風(fēng)化土,并且在該工程上其液性指標(biāo)和塑性指標(biāo)均比較穩(wěn)定,土料應(yīng)用較為穩(wěn)定,工程性質(zhì)優(yōu)于花崗巖風(fēng)化土。

3.4 靜力三軸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

分別對(duì)比開展了TK1，TK3的靜力三軸試驗(yàn)。試驗(yàn)根據(jù)干密度的要求、級(jí)配曲線計(jì)算并結(jié)合試樣的尺寸設(shè)計(jì)試樣,然后采用抽氣法飽和。飽和后分別施加300 kPa，500 kPa，800 kPa和1 000 kPa圍壓的方式對(duì)試樣進(jìn)行固結(jié),試樣固結(jié)穩(wěn)定后對(duì)于固結(jié)排水試驗(yàn),始終保持排水條件,開展固結(jié)排水剪切試驗(yàn);關(guān)閉排水閥進(jìn)行固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)。試樣的剪切過程及時(shí)采集數(shù)據(jù),并繪制相應(yīng)圖表,整個(gè)試驗(yàn)過程均按相關(guān)規(guī)范進(jìn)行。

3.4.1 鄧肯模型參數(shù)整理

1)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c,φ值。

首先選取試樣TK1和TK3進(jìn)行試驗(yàn),并根據(jù)試樣TK1和TK3不同圍壓σ3條件下的表現(xiàn)繪制q-ε1圖,根據(jù)該圖得到峰值強(qiáng)度qfi(i=1，2，3，4)和(σ1fi，σ3fi)(i=1，2，3，4),而后分別計(jì)算得出c和tgφ。

2)土的初始切線模量Ei和破壞比Rf。

3)參數(shù)k，n。

4)參數(shù)F,D,G。

5)參數(shù)φ0，Δφ。

繪制φ-lgσ3關(guān)系曲線,計(jì)算不同圍壓時(shí)的φ。

φ=φ0-Δφlg(σ3/pa)

(1)

其中，φ0為當(dāng)σ3/pa為1時(shí)的剪切角φ值，(°);Δφ為當(dāng)σ3上升到10倍的剪切角的變量，(°)。

6)參數(shù)Kb，m。

試樣TK1和TK3初始切線體積模量Bi按式(2)計(jì)算:

(2)

其中，εv為與應(yīng)力水平對(duì)應(yīng)的體積應(yīng)變。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上繪制Bi/pa-σ3/pa,得到如下關(guān)系式:

lg(Bi/pa)=lgKb+m·lg(σ3/pa)

(3)

(4)

其中，Kb為當(dāng)σ3/pa為1時(shí)縱坐標(biāo)上的截距;m為lgBi/pa-lgσ3/pa關(guān)系曲線的斜率。

3.4.2 “南水”雙屈服面模型參數(shù)

試樣TK1和TK3模型包括k，n，Rf，φ0，Δφ，cd，nd，Rd共8個(gè)參數(shù),前5個(gè)參數(shù)的整理方法同3.4.1小節(jié)。

1)參數(shù)cd，nd。

εvd和σ3的關(guān)系如下:

(5)

其中，pa為大氣壓,量綱與σ3相同;cd，nd分別為lgεvd與lg(σ3/pa)直線的截距和斜率。

2)參數(shù)Rd。

(6)

其中，(σ1-σ3)d為εvd對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力。

由固結(jié)不排水剪和固結(jié)排水剪三軸試驗(yàn)整理得到的強(qiáng)度指標(biāo)見表5;由三軸固結(jié)排水剪試驗(yàn)結(jié)果,整理得到的鄧肯E-μ和E-B模型參數(shù)見表6，表7,南水模型參數(shù)見表8。

表5 試樣TK1和TK3三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)

表6 試樣TK1和TK3三軸剪切試驗(yàn)鄧肯模型(E-μ)參數(shù)表

表7 試樣TK1和TK3三軸剪切試驗(yàn)鄧肯模型參數(shù)表

表8 試樣TK1和TK3三軸剪切試驗(yàn)“南水”模型參數(shù)表

0.96壓實(shí)度條件下的飽和三軸試驗(yàn)結(jié)果顯示:晶屑凝灰?guī)r風(fēng)化土的強(qiáng)度指標(biāo)φ為29.3°,模型參數(shù)K為195.5;花崗巖風(fēng)化土的強(qiáng)度指標(biāo)φ為28.0°,模型參數(shù)K為139.1。試驗(yàn)結(jié)果宏觀顯示:晶屑凝灰?guī)r風(fēng)化土力學(xué)指標(biāo)優(yōu)于花崗巖全風(fēng)化土。

4 結(jié)語(yǔ)

工程環(huán)境當(dāng)?shù)睾０蔚汀穸却笤谕亮虾矢叩那闆r下,中低土石壩工程中,填筑土料的選取不能單一的考慮壩體防滲性能,即透水率越低越好。應(yīng)綜合考慮土料各類性能指標(biāo),選取綜合性能好的土料更有利于壩體填筑。

通過試樣三軸固結(jié)排水不排水剪切試驗(yàn),獲得了鄧肯-張本構(gòu)模型及“南水”雙屈服面本構(gòu)模型參數(shù),為開展土石壩力學(xué)分析數(shù)值計(jì)算的參數(shù)選取提供了依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明,晶屑凝灰?guī)r風(fēng)化土的工程性質(zhì)和力學(xué)指標(biāo)均優(yōu)于花崗巖全風(fēng)化土,晶屑凝灰?guī)r風(fēng)化土的滲透系數(shù)略遜于花崗巖全風(fēng)化土,因此本工程分區(qū)土石壩全風(fēng)化土料場(chǎng)地址選取時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮晶屑凝灰?guī)r風(fēng)化土。