田巍巍,努爾哈斯木·穆哈買提汗,李文濤,李青山

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830091)

砂礫石作為筑壩材料,在新疆碾壓式土石壩應(yīng)用較為普遍,但是砂礫石屬于散粒體,抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)低于混凝土,并且表現(xiàn)出較高的離散性,使得壩體填筑層抗剪強(qiáng)度成為影響壩體穩(wěn)定的關(guān)鍵因素[1]。在砂礫石和混凝土之間存在一種人工膠結(jié)填筑材料,隨著膠凝顆粒料筑壩技術(shù)的發(fā)展,這種新型材料得到了實(shí)踐應(yīng)用,目前我國已有山西守口堡水庫膠結(jié)砂礫石壩、四川金雞溝膠結(jié)壩、貴州西江水庫膠結(jié)砂礫石壩等實(shí)踐案例。

目前對(duì)水泥灌漿膠結(jié)砂礫石的研究主要集中于膠凝砂礫石(CSG)壩填筑材料應(yīng)用及其力學(xué)行為分析。賈保振等[1-2]對(duì)CSG進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究,得到了抗剪強(qiáng)度參數(shù)均滿足大壩穩(wěn)定要求的結(jié)論;賈金生等[3-4]對(duì)CSG圍堰堰體的應(yīng)力、穩(wěn)定性、滲流和滲透溶蝕性能進(jìn)行了研究,得到CSG特性參數(shù)要求的結(jié)論;尚延杰[5]對(duì)沙坪一級(jí)水電站膠結(jié)砂筑壩進(jìn)行研究,認(rèn)為CSG可以節(jié)省成本和便于施工;馮煒等[6]對(duì)三峽工程大壩的混凝土界面強(qiáng)度進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化配合比改善混凝土細(xì)觀界面強(qiáng)度,使界面強(qiáng)度更加接近砂漿本體的強(qiáng)度,可提高混凝土的宏觀力學(xué)性能;樊海柱[7]通過室內(nèi)剪切試驗(yàn)對(duì)西域礫巖的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究,得到了礫巖抗剪強(qiáng)度參數(shù)及應(yīng)力與位移的相關(guān)性;Wu等[8]對(duì)硬質(zhì)填料的應(yīng)力應(yīng)變行為進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為摩擦機(jī)制和黏聚機(jī)制。此外,馮煒等[9-13]對(duì)CSG進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、加卸載試驗(yàn)以及三軸剪切試驗(yàn)等,研究了CSG強(qiáng)度及應(yīng)力應(yīng)變的特性;王建有等[14-15]利用Abaqus與Ansys有限元分析軟件對(duì)膠結(jié)砂礫石大壩的應(yīng)力穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析;明宇等[16]通過動(dòng)三軸試驗(yàn)研究了CSG料的動(dòng)力特性,認(rèn)為CSG料的動(dòng)應(yīng)力及動(dòng)應(yīng)變受圍壓的影響較大。CSG作為筑壩材料和筑壩技術(shù)已經(jīng)有了相當(dāng)成熟的研究,它主要是在前期和施工期應(yīng)用,在大壩運(yùn)行時(shí)能否作為大壩除險(xiǎn)、抗震加固等措施應(yīng)用,相關(guān)研究還很少。

新疆卡拉貝利水利樞紐工程原設(shè)計(jì)大壩為混凝土面板砂礫石壩,最大壩高92.5m,壩頂寬度為12m。大壩采用50年超越概率2%的地震動(dòng)參數(shù)值進(jìn)行設(shè)計(jì),相應(yīng)基巖地震動(dòng)峰值加速度為3.75m/s2,采用100年超越概率2%的地震動(dòng)參數(shù)值對(duì)大壩變形進(jìn)行復(fù)核,相應(yīng)基巖地震動(dòng)峰值加速度為4.24m/s2[17]。2012年,鄧銘江等[18]對(duì)卡拉貝利水利樞紐工程地震安全評(píng)價(jià)及抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,提出大壩抗震安全措施;2016年,鄧?yán)硐隱19]結(jié)合抗震措施對(duì)卡拉貝利水利樞紐工程大壩進(jìn)行抗震性能計(jì)算分析,認(rèn)為混凝土面板砂礫石壩在技術(shù)上是可行的。但是隨著GB18306—2015《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》的實(shí)施,工程場(chǎng)址地震基本烈度提高為Ⅸ度,因此該工程原設(shè)計(jì)大壩不能夠滿足現(xiàn)有地震安全性評(píng)價(jià)的要求,需對(duì)大壩一定高程范圍的上部壩體及一定深度范圍的下游壩坡進(jìn)行加固處理。目前參照CSG筑壩技術(shù)的研究思路,為提高新疆卡拉貝利水利樞紐工程壩體砂礫石的抗震穩(wěn)定性,通過建立與原大壩施工參數(shù)一致的實(shí)體模型試驗(yàn)區(qū),采用水泥灌漿的方式形成膠結(jié)砂礫石進(jìn)而進(jìn)行室內(nèi)抗剪特性試驗(yàn)研究。該試驗(yàn)研究主要解決了新疆卡拉貝利水利樞紐工程大壩抗震穩(wěn)定性問題,為大壩抗震加固設(shè)計(jì)提供理論支撐,同時(shí)將為今后碾壓式土石壩抗震加固處理提供重要參考。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料來源與試樣制備

為了解水泥灌漿膠結(jié)砂礫石的抗剪特性,建立與原大壩碾壓施工參數(shù)一致的試驗(yàn)區(qū)。試驗(yàn)區(qū)利用原大壩筑壩材料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分層填筑,然后在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行水泥灌漿處理,孔位布置見圖1。在現(xiàn)場(chǎng)灌漿效果較好的套閥管法灌漿區(qū)(T4-1)制取試樣進(jìn)行室內(nèi)抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究。

圖1 試驗(yàn)區(qū)孔位布置(單位:m)

套閥管法灌漿自下而上逐段注漿,采用普通硅酸鹽水泥P·O42.5作為灌漿原材料,孔徑為127mm,起始漿液水灰比為3∶1,終止?jié){液水灰比為1∶1～3∶1,實(shí)際灌漿壓力在0.19～0.51MPa之間,具體灌漿工藝參數(shù)見表1。灌漿14d后,在灌漿影響范圍大于500mm的水泥灌漿膠結(jié)砂礫石體內(nèi),從膠結(jié)較薄弱的位置自上而下制取試樣。制樣方法近似于土樣削環(huán)刀法,采用內(nèi)徑為300mm較厚管壁的PE管,人工向下開挖的同時(shí)將PE管向下推進(jìn),使得膠結(jié)砂礫石逐步裝入PE管內(nèi),取樣高度不小于300mm。制樣完畢后,將筒內(nèi)縫隙用砂和泡沫塑料等填充,試驗(yàn)筒兩頭用薄鋼板封口,并用螺紋鋼筋連接,確保試樣固定在試桶內(nèi)。每組試樣制取5塊質(zhì)地均勻的試件(4塊試驗(yàn)用,1塊備用),如圖2所示。

圖2 膠結(jié)砂礫石取樣與封裝

表1 套閥管法灌漿實(shí)測(cè)工藝參數(shù)

為適應(yīng)試驗(yàn)儀器尺寸要求,擬制備直徑為300mm的樣品,成品試樣實(shí)際直徑為290mm。由于試樣極不規(guī)則,難以進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn),因此在抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)前對(duì)試樣進(jìn)行二次制模,以滿足剪切容器的要求。采用1∶2灰砂比配制水泥砂漿,將試樣澆筑成?290mm×320mm圓柱體,使得膠結(jié)砂礫石體包裹在砂漿內(nèi)部中央,并在試樣中間位置預(yù)留2.5cm寬剪切縫,在拆模后保證試樣中間露出剪切縫。剪切縫上、下部分砂漿包裹體分兩次成型完成,中間使用細(xì)沙或者粉土作為墊層,澆筑完成后養(yǎng)護(hù)7d,最后使用高壓水槍沖洗掉粉土墊層,制作完成的試樣見圖3。

圖3 膠結(jié)砂礫石試樣

1.2 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)儀器采用四川大學(xué)華西巖土儀器研究所研制的粗粒土剪切儀,試驗(yàn)過程中自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。試樣在干燥狀態(tài)下裝入剪力儀,根據(jù)試樣截面的大小預(yù)先設(shè)定法向壓力,剪損后測(cè)量實(shí)際斷面面積,反算施加的法向應(yīng)力。為了更好地觀察試樣應(yīng)力和變形的關(guān)系,試驗(yàn)控制最大位移在30mm左右。當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定或者顯著后退時(shí),停止試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中將預(yù)留的剪切縫放置在剪切盒中間,使剪切面在剪切縫處發(fā)生破壞,確保能夠準(zhǔn)確獲得水泥膠結(jié)砂石抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

對(duì)剪損后的試件斷面進(jìn)行拍照,利用AutoCAD統(tǒng)計(jì)斷面面積?；?個(gè)試樣在不同法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度極限值,利用最小二乘法原理擬合出抗剪強(qiáng)度線性回歸方程。為了方便快捷地處理數(shù)據(jù),應(yīng)用Excel自帶程序快速生成線性回歸方程和圖表,以得到水泥灌漿膠結(jié)砂礫石的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

2 填筑料顆粒分析及物理力學(xué)性質(zhì)

為了更好地模擬壩體實(shí)際狀況,對(duì)試驗(yàn)區(qū)填筑料進(jìn)行顆粒分析,以滿足設(shè)計(jì)所要求粒徑級(jí)配。采用篩分法進(jìn)行顆粒分析,5mm及以上的粒徑篩分在室外進(jìn)行,篩分粒徑分別為100、60、40、20、10、5mm,其中大于100mm的粒石直接量測(cè)篩分,5mm以下的土樣待取樣后在室內(nèi)進(jìn)行顆粒分析。試驗(yàn)區(qū)砂礫石料的顆粒級(jí)配結(jié)果見表2,不均勻系數(shù)Cu為117.6～142.4,曲率系數(shù)Cc為3.3～6.2,有效粒徑d10在 0.34～0.37mm之間,將試驗(yàn)區(qū)砂礫石料定名為卵石混合土(SICb)。

表2 砂礫石料顆粒級(jí)配結(jié)果

模型試驗(yàn)區(qū)分層碾壓完成后,對(duì)各層指標(biāo)進(jìn)行取樣試驗(yàn),結(jié)果見表3。由表3可知,填筑后干密度為2.31～2.37g/cm3,含水率為0.71%～1.67%,相對(duì)密度為0.85～0.92,滿足設(shè)計(jì)要求。砂礫石料直剪試驗(yàn)干燥狀態(tài)下內(nèi)摩擦角為42.0°～43.5°,黏聚力為6.00～15.0kPa,滲透系數(shù)為3.4×10-3～3.6×10-2cm/s。另外,由表2可知,3個(gè)樣品大于5mm礫石占比均值為75.7%,因此試驗(yàn)區(qū)碾壓過后砂礫石料可以形成骨架作用,且細(xì)顆粒能夠較好地填充骨架內(nèi),形成“密實(shí)-骨架”結(jié)構(gòu)[20-21]。

表3 試驗(yàn)區(qū)碾壓后砂礫石料物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3 水泥灌漿膠結(jié)砂礫石抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 膠結(jié)砂礫石物理性質(zhì)

抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)前,對(duì)不同深度的兩組試樣進(jìn)行物理性質(zhì)指標(biāo)檢驗(yàn)。由水泥灌漿膠結(jié)砂礫石物理性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果(表4)可知,灌漿后水泥灌漿膠結(jié)砂礫石的干密度在2.44～2.51g/cm3之間,明顯高于原大壩填筑密度。在2.6m和5.7m深度處所制取試樣的密度幾乎一致,可見在兩層砂礫石內(nèi)灌漿效果較為一致。

表4 水泥灌漿膠結(jié)砂礫石物理性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

3.2 法向應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度關(guān)系

在不同法向應(yīng)力下對(duì)兩組試樣進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn),得到了不同的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,見表5。由試驗(yàn)結(jié)果可知,抗剪強(qiáng)度隨著法向應(yīng)力的增大而增大,且兩者相關(guān)系數(shù)R2為0.98,可見抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力具有很強(qiáng)的相關(guān)性,試驗(yàn)結(jié)果可靠性高。殘余強(qiáng)度隨著法向應(yīng)力的增大也表現(xiàn)出增大的趨勢(shì),但是殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度的差值逐步擴(kuò)大。表6為兩組試樣峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的對(duì)比。由表6可知,水泥灌漿后膠結(jié)砂礫石抗剪強(qiáng)度明顯高于水泥灌漿處理前的抗剪強(qiáng)度,尤其是黏聚力提高很大。對(duì)比峰值強(qiáng)度,破壞后的水泥灌漿膠結(jié)砂礫石殘余內(nèi)摩擦角下降較為明顯,而殘余黏聚力的衰減則不明顯,仍保持較高的水平。

表5 試驗(yàn)區(qū)膠結(jié)砂礫石抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表6 試驗(yàn)區(qū)膠結(jié)砂礫石峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度的對(duì)比

為了更好地分析試樣破壞的情況,將試驗(yàn)完畢的試樣打開觀測(cè)。在剪損后發(fā)現(xiàn)試樣上部破壞斷面凹凸不平,下部剪切面較為破碎,有些呈現(xiàn)出鋸齒狀破壞面,如圖4所示。下部試樣在切向應(yīng)力下,粗顆粒滾動(dòng)擠壓導(dǎo)致水泥膠結(jié)物出現(xiàn)粉碎和斷裂的現(xiàn)象,但除少量片狀或者軟弱的顆粒被剪斷外,剪切破壞多發(fā)生在膠結(jié)物、膠結(jié)物和粗顆粒黏結(jié)面處,粗顆粒未發(fā)現(xiàn)剪損,這也是黏聚力得到較大提高的原因。

圖4 剪切后試樣情況

由此推斷,膠結(jié)砂礫石在剪切過程中,抗剪強(qiáng)度主要受膠結(jié)物強(qiáng)度、礫石與膠結(jié)物間的黏結(jié)強(qiáng)度以及法向應(yīng)力的影響。水平應(yīng)力在達(dá)到一定程度后,剪切面附近砂漿膠結(jié)體開始出現(xiàn)微裂紋,隨著水平應(yīng)力的增長,微裂紋逐步擴(kuò)大,在達(dá)到峰值強(qiáng)度后,試樣內(nèi)部出現(xiàn)貫通裂隙,抗剪強(qiáng)度發(fā)生緩慢下降甚至平緩波動(dòng),此時(shí)試樣內(nèi)部膠結(jié)物與粗粒黏結(jié)處發(fā)生破壞,顆粒間發(fā)生擠壓錯(cuò)動(dòng),貫通裂隙繼續(xù)擴(kuò)張。隨著抗剪強(qiáng)度下降速度的增大,在法向應(yīng)力作用下試樣內(nèi)部應(yīng)力重分布,此時(shí)抵御水平應(yīng)力的抗剪強(qiáng)度主要為粗顆粒間的摩擦力,同時(shí)剪切面中薄弱的顆粒被擠壓成棱角狀顆粒,使殘余強(qiáng)度穩(wěn)定在某一水平上。

受到試樣內(nèi)部粗顆粒的影響,剪切破壞的過程還存在著剪漲效應(yīng),該效應(yīng)主要表現(xiàn)在剪應(yīng)力達(dá)到峰值前,在較低法向應(yīng)力下貫通的破裂面開度會(huì)變得更大,另外,破壞后粗顆粒間水平擠壓錯(cuò)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生剪漲效應(yīng)。由于剪切面附近剪損后粗顆粒間的錯(cuò)動(dòng)咬合作用以及剪漲效應(yīng)的發(fā)生使得試樣殘余黏聚力仍然保持著較高的水平。

3.3 剪應(yīng)力與位移關(guān)系

為了更好地分析抗剪強(qiáng)度與剪切變形的關(guān)系,繪制典型的剪應(yīng)力與位移關(guān)系曲線如圖5所示。在不同的法向應(yīng)力作用下,剪應(yīng)力-位移曲線走勢(shì)基本相同。在起始階段,曲線走勢(shì)較為平緩,此時(shí)剪應(yīng)力主要表現(xiàn)為消除儀器設(shè)備的影響;隨著位移的持續(xù)增加,剪應(yīng)力出現(xiàn)快速的上升,剪應(yīng)力與位移呈近似線性關(guān)系,此時(shí)剪切過程處于彈性階段;在接近峰值之前,增長趨勢(shì)有所緩和,直至達(dá)到峰值后膠結(jié)砂礫石體進(jìn)入塑性變形階段。在塑性變形起始階段短暫出現(xiàn)較為平緩的曲線,隨著位移的增加,剪應(yīng)力先是快速下降,而后緩慢降低至一定穩(wěn)定水平,此時(shí)膠結(jié)砂礫石的抗剪強(qiáng)度為殘余強(qiáng)度。

出現(xiàn)這種情況主要是由于水泥灌漿膠結(jié)砂礫石粒徑大小不一,粒徑的咬合能力存在差異,在剪損時(shí)試樣不是突然整體破壞,而是膠結(jié)薄弱的位置首先發(fā)生斷裂,進(jìn)而發(fā)展到水泥膠結(jié)物與砂礫石界面發(fā)生破壞,堅(jiān)硬的砂礫石在剪應(yīng)力作用下發(fā)生錯(cuò)動(dòng)、咬合,使得剪應(yīng)力出現(xiàn)平緩的趨勢(shì)。本文的水泥灌漿膠結(jié)砂礫石抗剪特性試驗(yàn)結(jié)果和吳平安[13]對(duì)CSG材料應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系分析結(jié)果一致。

4 討 論

a.CSG筑壩技術(shù)是在碾壓混凝土筑壩技術(shù)和面板堆石筑壩技術(shù)上發(fā)展起來的新型筑壩技術(shù)[22],《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》中將CSG定義為“利用膠凝材料和砂礫石料,經(jīng)拌和、攤鋪、振動(dòng)碾壓形成的具有一定強(qiáng)度和抗剪性能的材料”,可以看出CSG技術(shù)是將膠凝材料與砂石相結(jié)合應(yīng)用到大壩填筑的一項(xiàng)新技術(shù),它在施工工藝上與本文研究的水泥灌漿膠結(jié)砂礫石加固應(yīng)用技術(shù)有一定的區(qū)別?？ɡ惱麡屑~工程擬處理壩體利用灌漿技術(shù)等將水泥漿壓入砂礫石壩中,水泥漿液在砂礫石孔隙中擴(kuò)散形成膠結(jié)物,從而顯著提升大壩建筑物的強(qiáng)度和抗剪性能。水泥灌漿膠結(jié)砂礫石加固應(yīng)用技術(shù)是對(duì)CSG技術(shù)的延伸和發(fā)展,為壩體施工完成后或者后期加固處理時(shí)所應(yīng)用的一項(xiàng)新技術(shù),目前所進(jìn)行的研究尚處于初始階段。

b.硬化后水泥灌漿膠結(jié)砂礫石體強(qiáng)度提升的效果如何還與壩體灌漿效果及膠結(jié)程度有關(guān)。本文研究是在理想狀態(tài)下對(duì)大壩進(jìn)行抗震加固,未考慮灌漿效果和膠結(jié)程度的影響。今后將考慮灌漿效果和膠結(jié)程度對(duì)抗剪性能影響的研究,并對(duì)水泥灌漿膠結(jié)砂礫石動(dòng)、靜三軸壓縮剪切破壞機(jī)理等進(jìn)行深入研究,以便更好地完善水泥灌漿膠結(jié)砂礫石加固應(yīng)用技術(shù)。

5 結(jié) 論

a.試驗(yàn)區(qū)碾壓后,在砂礫石料自身級(jí)配下壩體呈“密實(shí)-骨架”結(jié)構(gòu)。經(jīng)水泥灌漿后膠結(jié)砂礫石體的密度高于原大壩填筑密度,抗剪強(qiáng)度參數(shù)尤其是黏聚力比原壩體得到了明顯的提高。

b.法向應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系,隨著法向應(yīng)力的增大,峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度的差值逐步擴(kuò)大。水泥灌漿膠結(jié)砂礫石的破壞是在剪切應(yīng)力的作用下,內(nèi)部微裂隙逐步發(fā)展成貫通裂隙的結(jié)果。由于剪損后顆粒間的咬合作用及剪漲效應(yīng)的出現(xiàn),水泥灌漿膠結(jié)砂礫石的殘黏聚力下降不明顯,仍保持較高的水平。

c.從試驗(yàn)過程來看,膠結(jié)物強(qiáng)度、膠結(jié)物與礫石的黏結(jié)強(qiáng)度、上部施加的法向應(yīng)力等對(duì)灌漿后膠結(jié)砂礫石抗剪特性影響較大。因此提高水泥膠結(jié)物強(qiáng)度及其與砂礫石的黏結(jié)強(qiáng)度,才能保證膠結(jié)砂礫石有更好的抗剪特性。