膠結(jié)壩膠結(jié)砂礫石層面原位剪切試驗研究

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。