紅石巖堰塞壩新堆積體動(dòng)三軸試驗(yàn)研究

賈宇峰 許米格 相彪

摘要：牛欄江上的紅石巖堰塞壩新堆積體以石灰?guī)r和白云巖為主，級(jí)配和密度離散性較大。同時(shí)，已有研究結(jié)果表明，紅石巖新堆積體具有黏性粗粒土性質(zhì)，靜力參數(shù)具有明顯的離散性，需開展其巖土料的動(dòng)力參數(shù)研究，以為將其利用改建為水利樞紐提供基礎(chǔ)材料數(shù)據(jù)。采用GDS動(dòng)三軸儀，對(duì)紅石巖新堆積體進(jìn)行了動(dòng)剪切模量比與阻尼比試驗(yàn)，研究新堆積體動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變特性及其影響因素。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著剪應(yīng)變的不斷增大，新堆積體動(dòng)剪切模量比不斷減小，阻尼比隨之增大。新堆積體動(dòng)力特性受圍壓影響較為明顯，最大動(dòng)剪切模量隨著圍壓的增大而增大。在相同剪應(yīng)變條件下，隨著圍壓、干密度、粗顆粒含量的增大，動(dòng)剪切模量比逐漸增大，阻尼比逐漸減小。另一方面，新堆積體細(xì)粒含量較多，顆粒巖性復(fù)雜，風(fēng)化程度差異明顯，導(dǎo)致其動(dòng)力特性具有一定的離散性，與人工筑壩堆石料存在明顯差異。

關(guān)鍵詞：新堆積體； 顆粒級(jí)配； 密度； 動(dòng)剪切模量； 阻尼比； 動(dòng)三軸試驗(yàn)； 紅石巖堰塞壩

中圖法分類號(hào)： TV64;P642.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.005

0引 言

2014年8月3日16：30，云南省魯?shù)榭h發(fā)生65級(jí)地震。地震導(dǎo)致牛欄江左岸山體的滑坡堆積物表層松動(dòng)向河床方向移動(dòng)，右岸山體發(fā)生大規(guī)?；?、崩塌［1-2］。地震形成的堰塞體沿牛欄江方向長(zhǎng)度大約為890 m［3］，橫向?qū)挾却蠹s為50 m，堰塞體總體積約1 000萬(wàn)m3［4］，屬于特大型崩塌，不能直接拆除，因此需要對(duì)該堰塞體進(jìn)行永久性加固處理［5］。紅石巖堰塞體現(xiàn)場(chǎng)［6］如圖1所示。紅石巖堰塞體永久整治工程通過在堰塞體中修筑混凝土防滲墻和帷幕灌漿區(qū)域建立防滲系統(tǒng)，并對(duì)堰塞體上部滑塌區(qū)域進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)和噴混凝土封閉保護(hù)等加固處理，將堰塞體改建為具有擋水功能的堰塞壩［7-8］。該水利工程是世界上首座以堰塞壩為基礎(chǔ)建設(shè)的具有綜合功能的水利工程［9］。

紅石巖堰塞壩壩體主要由紅石巖新堆積體、右岸滑坡體以及河床堆積體3部分構(gòu)成。其中，紅石巖新堆積體是由于地震導(dǎo)致山體滑坡而形成的，因而其組成成分較為復(fù)雜，主要以石灰?guī)r和白云巖為主，顆粒和級(jí)配在空間上分布不均勻?，F(xiàn)場(chǎng)巖石樣品45組，其物理特性試驗(yàn)成果如表1所列。新堆積體位于河谷中心區(qū)域，與防滲墻接觸區(qū)域最大，其力學(xué)特性直接影響防滲系統(tǒng)的安全性，是壩體安全運(yùn)行的關(guān)鍵問題。昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了鉆孔取樣和密度試驗(yàn)來(lái)分析新堆積體的物理特性。試驗(yàn)結(jié)果顯示：新堆積體的顆粒級(jí)配比較寬，細(xì)顆粒含量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的筑壩粗粒土；并且，土顆粒巖性復(fù)雜，風(fēng)化程度差別較大，導(dǎo)致不同采樣點(diǎn)新堆積體巖樣強(qiáng)度存在較大差別。

大連理工大學(xué)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了新堆積體的室內(nèi)靜三軸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明新堆積體細(xì)粒含量較高，其應(yīng)力應(yīng)變曲線具有類似黏性粗粒土和含礫黏土的特征。同時(shí)，較高的細(xì)粒含量提高了試樣的飽和難度，削弱了粗粒土試樣土骨架的支撐作用，增大了試樣飽和過程中的濕化變形，降低了試驗(yàn)精度，增加了試驗(yàn)難度。目前，對(duì)于紅石巖堰塞壩的動(dòng)剪切模量及阻尼比研究相對(duì)較少，而顆粒級(jí)配和密度是影響粗粒土力學(xué)特性的關(guān)鍵性因素［10-13］。同時(shí)，紅石巖新堆積體細(xì)顆粒含量較高，開展室內(nèi)大三軸動(dòng)力試驗(yàn)面臨飽和難度大、土骨架作用受到削弱等因素影響，因此，本文采用室內(nèi)小三軸動(dòng)力試驗(yàn)研究紅石巖新堆積體在不同顆粒級(jí)配和密度下動(dòng)力特性［14-15］，為堰塞壩的動(dòng)力安全分析提供依據(jù)。

1動(dòng)三軸試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)方案

為了確定新堆積體室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)的顆粒級(jí)配及密度，昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣和密度試驗(yàn)。圖2和圖3分別為紅石巖新堆積體現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣位置圖和鉆孔取樣級(jí)配圖［6］。結(jié)合圖2和圖3可以看到，土顆粒分布受空間影響較大，上部多為孤石和塊石，下部則多為碎石混砂土。從圖中可以看出，新堆積體上部顆粒離散性較大，上游（ZK133，ZK107-2）粗顆粒含量較高而堰塞體頂部區(qū)域則以細(xì)顆粒為主。新堆積體下游則是上層區(qū)域（ZK101-1，ZK105-1）以細(xì)顆粒為主，底層區(qū)域（ZK107-1，ZK107-4）以粗顆粒為主。

取樣結(jié)果表明：新堆積體顆粒級(jí)配較寬，細(xì)粒含量高于筑壩粗粒土。根據(jù)取樣結(jié)果，制定了3個(gè)級(jí)配來(lái)更準(zhǔn)確地描述新堆積體顆粒級(jí)配的離散性。分別為下包線、平均線和上包線級(jí)配，并根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)范要求將試驗(yàn)中試樣最大粒徑限制在20 mm，試驗(yàn)顆粒級(jí)配如表2所列。

由于紅石巖新堆積體顆粒較大，現(xiàn)場(chǎng)采用探坑取樣檢測(cè)密度難度大，因此用灌水法進(jìn)行密度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，新堆積體干密度最小值為1.66 g/cm3，最大值為2.28 g/cm3。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果以及現(xiàn)有試驗(yàn)技術(shù)條件選取1.84，1.95 g/cm3和2.06 g/cm3三個(gè)試驗(yàn)密度共27個(gè)方案，試驗(yàn)方案如表3所列。

1.2試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)使用的是GDS動(dòng)三軸儀［16］。GDS動(dòng)三軸儀最大軸向荷載為10 kN，

圍壓為2 MPa，加載頻率范圍為0～5 Hz。試驗(yàn)過程中，可以通過應(yīng)力和應(yīng)變控制兩種方式來(lái)進(jìn)行循環(huán)加載。同時(shí)由高精度傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中試樣的變形、排水量及壓力變化情況。

1.3試驗(yàn)流程

試樣直徑為100 mm，高為200 mm。試驗(yàn)流程如下：將烘干的土料加水拌和，需準(zhǔn)確控制加水量保證干燥粗顆粒表面濕潤(rùn)的同時(shí)，細(xì)粒依舊呈顆粒狀。將土料分3次裝入重塑筒中［17］，用擊實(shí)器搗實(shí)至干密度。由于存在較多的粗顆粒，土料的黏性較低，為避免試樣脫模時(shí)出現(xiàn)塌落，在重塑筒內(nèi)部增加一層0.5 mm的內(nèi)襯鋁板。試樣擊實(shí)后取下最外面的重塑筒，將內(nèi)襯鋁板沿接縫緩慢展開。待鋁板與試樣徹底分離后，將鋁板從試樣上方取出。將承膜筒套上橡皮膜，抽取真空后將橡皮膜套在試樣上。試樣中含有較多的粗顆粒，在表面形成局部脫空區(qū)，如圖4所示。

為保證試驗(yàn)的氣密性達(dá)到要求，用橡皮條將試樣固定在GDS三軸儀底座上進(jìn)行氣密性檢查。

氣密性檢查完成后，分別通入CO2和無(wú)氣水開始進(jìn)行水頭飽和。由于試樣中細(xì)顆粒含量較高，水頭飽和不能滿足飽和度要求，因此在水頭飽和結(jié)束后需要進(jìn)行反壓飽和［18］。在維持反壓控制器與圍壓控制器之間的差值為30 kPa的條件下，逐級(jí)加載將試樣內(nèi)的殘存氣泡溶入無(wú)氣水中，直至試樣的飽和度達(dá)到95%［17］。飽和結(jié)束后，根據(jù)試驗(yàn)所需要的圍壓和軸向應(yīng)力來(lái)進(jìn)行固結(jié)。本次試驗(yàn)固結(jié)比Kc為1.5，根據(jù)試驗(yàn)的固結(jié)比來(lái)設(shè)置偏壓固結(jié)中所需要的目標(biāo)軸向應(yīng)力，以1 kPa/s的速度進(jìn)行偏應(yīng)力加載。

偏應(yīng)力穩(wěn)定后進(jìn)行循環(huán)加載。試驗(yàn)振動(dòng)頻率為0.33 Hz，采用應(yīng)變控制方式加載。動(dòng)應(yīng)變共分為10-5～10-2四個(gè)數(shù)量級(jí)，每一加載數(shù)量級(jí)設(shè)置1，2，4，8四個(gè)幅值，最大應(yīng)變幅值為1×10-2，共13級(jí)應(yīng)變加載。每級(jí)加載進(jìn)行5個(gè)振次循環(huán)，取第3個(gè)循環(huán)振次分析動(dòng)模量和阻尼比［19］。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5為干密度1.95 g/cm3的平均顆粒級(jí)配試樣在500 kPa圍壓下的動(dòng)軸應(yīng)力時(shí)程曲線。根據(jù)每級(jí)振次得到的動(dòng)軸應(yīng)力幅值σd和對(duì)應(yīng)的動(dòng)應(yīng)變幅值εd繪制滯回曲線，如圖6所示。

采用沈珠江概化Hardin模型［20］整理新堆積體的動(dòng)力參數(shù)，泊松比μd取0.35。根據(jù)動(dòng)三軸試驗(yàn)獲取的最大動(dòng)軸應(yīng)變?chǔ)興、最大軸應(yīng)力σd、動(dòng)彈性模量Ed，通過計(jì)算得出該試樣對(duì)應(yīng)的最大動(dòng)剪切應(yīng)變?chǔ)胐、最大動(dòng)剪切應(yīng)力τd及動(dòng)剪切模量Gd。

從圖8～9中可以看出，不同圍壓下的模量衰減曲線與阻尼比增長(zhǎng)曲線存在明顯的離散性，隨著圍壓的增大，動(dòng)剪切模量比不斷增大，阻尼比隨之減小。這是因?yàn)殡S著圍壓的增大，土顆粒之間間距減小，土體密實(shí)度不斷增大，其抗剪強(qiáng)度增大，循環(huán)荷載作用下能量消耗減小，因而，隨著圍壓的增大，動(dòng)剪切模量比增大，阻尼比減小。試驗(yàn)結(jié)果與董威信等［21］發(fā)現(xiàn)的規(guī)律一致。紅石巖新堆積體在各個(gè)級(jí)配和干密度下的動(dòng)參數(shù)列于表4。從表4中可以看到，顆粒級(jí)配和干密度對(duì)新堆積體的動(dòng)參數(shù)存在明顯影響。

2.1顆粒級(jí)配對(duì)動(dòng)力特性的影響

為了分析顆粒級(jí)配和干密度對(duì)新堆積體動(dòng)力特性的影響，將相同條件下不同級(jí)配的動(dòng)模量和阻尼進(jìn)行比較。圖10和圖11為干密度1.84 g/cm3的試樣在500 kPa圍壓下的動(dòng)剪切模量比和阻尼比與動(dòng)應(yīng)變的關(guān)系曲線。

從圖10～11中可以看出，上包線級(jí)配動(dòng)模量比衰減速度最快，平均線級(jí)配次之，下包線級(jí)配最慢。相應(yīng)地，上包線級(jí)配阻尼比增長(zhǎng)最快，最大阻尼比明顯高于平均線級(jí)配和下包線級(jí)配。這表明隨著粗顆粒百分比的增大，相同剪應(yīng)變條件下，動(dòng)剪切模量比增大，阻尼比減小。相較于上包線而言，由于粗顆粒含量的不斷增加，下包線與平均線級(jí)配的土體構(gòu)成相對(duì)穩(wěn)定的土骨架。因此，其動(dòng)模量曲線和阻尼比曲線較為接近，土體動(dòng)力特性受顆粒級(jí)配影響逐步降低。

2.2干密度對(duì)動(dòng)力特性的影響

圖12和圖13為上包顆粒級(jí)配的試樣在100 kPa圍壓下的動(dòng)剪切模量比和阻尼比與動(dòng)剪切應(yīng)變的關(guān)系曲線。

從圖12～13中可以看到，隨著干密度的不斷增大，相同體積下試樣的質(zhì)量更大，試樣更加密實(shí)，骨架作用明顯增大，動(dòng)剪切模量比增大、阻尼比減小。干密度1.84 g/cm3試樣的動(dòng)模量比衰減速度最快，干密度195 g/cm3試樣次之，干密度2.06 g/cm3試樣最慢。相應(yīng)地，干密度1.84 g/cm3試樣阻尼比增長(zhǎng)最快，最大阻尼比明顯高于干密度1.95 g/cm3及2.06 g/cm3試樣。這表明隨著干密度的增大，相同剪應(yīng)變條件下，動(dòng)剪切模量比增大、阻尼比減小。相較于干密度1.84 g/cm3試樣，干密度1.95 g/cm3及2.06 g/cm3試樣隨著密度的不斷增大，土顆粒間間距受干密度影響逐漸減小。因此，其動(dòng)模量曲線和阻尼比曲線較為接近，土體動(dòng)力特性受干密度影響逐步降低，這與石兆吉等［22］通過共振柱試驗(yàn)得到的結(jié)論相符。

2.3級(jí)配與干密度對(duì)動(dòng)力特性的影響

通過前文對(duì)級(jí)配和干密度的分析發(fā)現(xiàn)：相同剪應(yīng)變條件下，動(dòng)剪切模量比隨著干密度和粗顆粒含量的增大而增大；阻尼比隨著干密度和粗顆粒含量的增大而減小。

這是由于隨著粗顆粒含量的增加，試樣粗顆粒之間相互咬合更緊密，試樣穩(wěn)定性更高，對(duì)應(yīng)的動(dòng)剪切模量比增大。能量在顆粒間傳播過程中消耗減少，阻尼比隨之減小。

類似地，隨著干密度的不斷增大，土顆粒之間間距不斷減小，土體密實(shí)度增大，對(duì)應(yīng)的動(dòng)剪切模量比增大。能量在顆粒間傳播過程中消耗減少，阻尼比隨之減小。

3結(jié) 論

本文以紅石巖堰塞壩新堆積體為研究對(duì)象，通過動(dòng)三軸試驗(yàn)研究分析不同顆粒級(jí)配和不同干密度對(duì)紅石巖新堆積體動(dòng)剪切模量比與阻尼比的影響，得出結(jié)論如下：

（1） 相同干密度條件下，隨著粗顆粒含量不斷增大，新堆積體動(dòng)剪切模量比不斷增大，阻尼比不斷減小。

（2） 相同級(jí)配條件下，隨著干密度的不斷增大，新堆積體動(dòng)剪切模量比不斷增大，阻尼比不斷減小。

（3） 由于新堆積體材料級(jí)配均一性較差，顆粒巖性復(fù)雜、風(fēng)化程度差異明顯，顆粒強(qiáng)度離散性較大，導(dǎo)致土體的模量衰減曲線與阻尼比增長(zhǎng)曲線具有一定的離散性。

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（編輯：鄭 毅）