对介乎毛石与块石之间的砌石体容许压应力研究——对即将颁发的《砌石坝设计规范》主要成果的阐述

1、对介乎毛石与块石之间的砌石体容许压应力研究对即将颁发的砌石坝设计规范主要成果的阐述标准化对介乎毛石与块石之间的砌石体容许压应力研究2006年第2期对介乎毛石与块石之间的砌石体容许压应力研究对即将颁发的砌石l昊设计规范主要成果的阐述王艮之(湖南省水利水电勘测设计研究院,长沙市410007)【摘要】浆砌石坝设计规范(si2591)中将砌石体种类按毛石,块石,粗料石三种类别分别给予容许压应力值,但在实际工作中经常碰到介乎毛石,块石之间的砌石体种类,这种砌石体种类的容许压应力无章可循,给设计工作者带来许多不便,给工程造成不必要的损失.本文根据已有的试验资料经分析计算,给出了介乎毛石,块石之间的砌石体容

2、许压应力值,该成果已被写入将要颁发的砌石坝设计规范之内.【关键词】毛石;块石;砌石体;抗压强度;容许压应力【中图分类号】t一652.2【文献标识码】b【文章编号】10081305(2006)020009051前言浆砌石坝设计规范(si2591)将砌石体种类分为毛石,块石,粗料石三种类别,分别给出了表5.2.51不同的砌石体种类的容许压应力值,设计工作者根据不同的容许压应力对坝体进行应力分析,以保大坝安全可靠,经济合理.但在实际工作中,往往碰到筑坝石料在开采过程后并非完全毛石,一部分石料未经加工已具备块石形状,有的石料上下面有一定起伏但大致平整,无尖角,块厚大于15cm,近似块石形状或已经是方方

3、正正的块石,并在数量上占有一定的比例,为将这些石料筑坝,按毛石砌石体种类划分,砌石体的容许压应力同毛石砌石体种类,无形中提高了工程造价,很不经济合理,如按块石砌石体种类选取容许压应力,恐大坝不安全可靠.为了使大坝经济合理,安全可靠,设计工作者迫切希望提供介于毛石和块石之间的砌石体的容许压应力值.2砌石体容许压应力与砌石体轴心抗压强度的关系砌石体是由相对强度相差较大的石料和胶凝材料砌筑而成的多相复合体,并受多种施工因素影响,非均值程度大.应该说砌石坝坝身的应力分布要比混凝土坝复杂.但规范编制说明第5.2.1条介绍了原水利电力部大坝观测资料及四川长沙坝浆砌条石拱坝原型观测成果与广西板峡砌石坝施工期

4、原型观测成果分析,都认为砌石坝的应力分布符合混凝土坝应力分布的一般规律.规范5.2.2条明确了一般砌石坝的应力分析宜以拱梁分载法计算成果作为衡量强度安全的标准,只是对2级或情况比较复杂的浆砌石拱坝除用拱梁分载法计算外,必要时应用有限元验算或作结构模型试验加以验证.第5.2.5条规定拱梁分载法计算时的坝体应力控制指标应符合浆砌石体容许压应力的安全系数,对于基本荷载组合采用3.5;对于特殊荷载组合采用3.0.当无试验资料时可参考规范表5.2.51值选用,此表所列浆砌石坝的容许压应力.来源于下式:一1.25-厂cck(1)式中:-厂cc一一浆砌石体轴心极限抗压强度,mpa,可从规范附表1.2中查得;

5、k一一安全系数;1.25一一轴心受压换算为弯曲受压系数.安全系数k的取值基本荷载组合为3.5,特殊荷载组合为3.0.对照规范表5.2.5一l所列容许作者简介:王良之(1939一)男,长沙市人.高级工程师.?9?标准化对介乎毛石与块石之间的砌石体容许压应力研究2006年第2期压应力值,有关专家曾对36个工程实际数据进行复核,其中小桥等18个工程砌石拱坝计算压应力均小于规范的容许值.流清河等18个工程砌石拱坝计算最大压应力接近或超过规范容许值.但这些工程均运行多年,并未出现问题.经研究认为除采用合理的温度荷载公式外,主要原因是已建工程的计算最大压应力偏低,未能充分发挥砌石体抗压强度高的优势.70年

6、代中期以来,研究工作者开展了对砌石体力学性能的试验研究工作,取得了一批很有价值的科研成果,规范附录一浆砌石体主要力学指标就是其中之一.前述公式(1)表明砌石体容许压应力值主要由砌石体抗压强度来决定.故正确的选取砌石体的抗压强度指标是非常重要的.3砌石体的轴心抗压强度砌石体的轴心抗压强度是试体在无侧限条件下受轴向力作用破坏时单位面积所承受的荷载.70年代以来,进行了不同尺寸,不同石料,不同胶凝材料及不同强度等级的砌石体的抗压强度(变形)试验,获得了一批很有价值的成果,经分析整理成浆砌石坝设计规范(si2591)附表1.11.2.对上述规范附表1.1,1.2结合收集到近年的砌石体的轴心抗压强度试验

7、资料进行整理分析.已有砌石体抗压强度试验成果表明,在砌石体龄期,砌筑工艺,胶凝材料(包括强度等级),石料强度等级相同的情况下,所测得的抗压强度仍有一定的差别,我们认为与石料形状有关.将砌石体所用石料的形状,尺寸归类,就会发现部分试体所用石料少部分为块石,大部分为毛石,或大部分为块石,少部分为毛石,故试验结果不同.经统计整理,将所获得的不同毛石(块石)含量的砌石体抗压强度,变形(弹性)模量与块石砌石体抗压强度之比值列于表1,并将不同比值进行拟合成一直线(见图1),其直线方程如下:v一0.605+0.398z(2)不嗣毛石含量的砌石体图1不同毛石含量的砌石体_厂cc与块石砌石体fcc关系图表1毛石

8、或块石不同含量的砌石体轴心极限抗压强度和变形l弹性)模量试验成果表砌石体极限抗压强度与块石砌石体砌石体变形模量与块石砌石体砌石体弹性模量与块石砌石体砌石体种类cc(mpa)fcc比值eo(gpa)eo比值ee(gpa)ee比值毛石砌石体l1.4o.6o6.5o0.59l1.500.58毛石占7ol7.60.738.04o.73l3.4oo.67毛石占5o%l9.10.818.6l0.7814.350.72毛石占4o20.44o.85l0.4o.954l7.3o0.86毛石占3o21.2o0.881o.5o.9517.500.88块石砌石体24.01.o11.01.020.01.o注:1,石料强

9、度等级mu100.2,胶凝材料强度等级c15.方程式2式可计算出毛石所占不同比例的抗压强度比值,而后计算出该砌石体的抗压强度值.经验算该方程合理,根据目前设计和施工中遇到的实际情况,我们计算出毛石占70%(块石占30)和毛石占3o%(块石占7o%)两档砌石体种类的抗压强度值见表2.将表中石料强度等级与砌石体抗压强度值拟合绘制它们的关系曲线图,建立了2次方程式,部分曲线图见图2.?1o?弼体由7i70%f皂-?30%70%f块打t30%体舟体图2胶凝材料c.s砌石体抗压强度_厂cc一石料强度mu关系图标准化对介乎毛石与块石之间的砌石体容许压应力研究2006年第2期相对应的方程式如下:毛石砌石体厂

10、cc一3.2+0.18j一6.610x(3)毛石占70砌石体厂cc一1.85+0.27一1.1510.(4)毛石占30%砌石体fcc=0.44+0.381.7l10一.(5)块石砌石体厂cc一一1.03+0.47一2.2410.(6)粗料石砌石体厂cc一4.42+0.16一3.05100r(7)表2砌石体极限轴心抗压强度/cc值(mpa)砌石体石料强度胶凝材料强度等级混凝土水泥砂浆种类等级c15c10m125m10m75m5mu1o014.411.211.29.68.06.8mu8o13,21o.210.28.87,56.0毛石砌mu6o11,68,88.87,66.45,2石体mu5o1o.

11、48.08,06.86.04,8mu409.27.07.06.05.24.4mu3o8.06.06.05,24.43,6mu1o017,313.513.511,59.68.1mu8o15.812.312,310,68.97,2毛石占7omu6o13.910.610.69.27.76,3块石占3omu5o12.59.69,68.27.25.8的砌石体mu4010.88,48.47.26.35,2mu3o8,87.27,26,35,24.4mu1o021.216.516.514.111,69.9mu8o19.415.015,013.010.88,8毛石占3omu6o16.913.013.011.2

12、9.57,7块石占7o%mu5o15.211.611.610.28.87.0的砌石体mu4013,010.410.48,87.76,4mu3o10.08.88.87.76.45.6mu1o024.018.818.8l6.013.2l1.2mu8022.0l7.1l7.114.812.2l0.0mu6ol9.214.814.8l2.81o.88.8块石砌石体mu5o17.313.213.2l1.61o.o8.omu4014.611_8l1.810.08.87.2mu3010.810.0l0.08.87.o6.4mu1o026.422.022.o19.6l7.214.8mu8o24.419.919

13、.918.015.6l3.7粗料mu6o21.217.217.215.813.8l2.o石砌石体mu5o18.915.3l5.314.412.8lo.8mu4015.413.2l3.212.611.29.6mu3ol0.810.81o.810.89.68.4注:1,本表所列数值经实测资料验证.按屈服强度的安全系数为2.3.2,胶凝材料为混凝土的毛石砌石体采用机械振捣,直接砌筑法fcc值可提高5l0.根据所获得关系曲线和方程对规范附表1.2进行了复核,并对表中有误的数据进行了更正,成果见表2.4砌石体的容许压应力砌石体的容许压应力是关系到大坝安全稳定,经济合理的一项重要的设计参数.砌石体的容许压

14、应力是根据砌石体轴心抗压强度指标经公式(1)计算得来.当确定了砌石体的抗压强度指标后即可计算出砌石体容许压应力.根据表2计算出不同石料强度等级,不同胶凝材料(强度等级)和不同砌石体种类的砌石体的容许压应力,见表3.根据2003年启动的该规范修订大纲要求,增加了靠近毛石或毛石占70%(块石占30)和靠近块石或块石占70(毛石占30)两档砌石体种类的容许压应力值.同时将所获得的成果拟合绘制关系曲线图,建立了2次方程式,部分成果见图3,其相对应的方程式为:毛石砌石体.一1.3+5.910一2.0810.(8)毛石占70砌石体.一0.84+8.8510一3.4910(9)毛石占30砌石体.一0.075

15、+0.14一6.2410(10)块石砌石体.一一0.37+0.17一7.8110(11)粗料石砌石体.=一1.3+0.21一1.0110.(12)上述方程式是胶凝材料为混凝土c的成果,其他胶凝材料的砌石体基本吻合,可参考使用.石瑚石体嗣|石体占7o%(毛石占3o%)体占7o%(块石i30%)体瑚石体mu(mpa)图3胶凝材料c.s砌石体容许压力一石料强度mu关系图?ll?口o8642l标准化对介乎毛石与块石之间的砌石体容许压应力研究2006年第2期表3砌石体容许压应力(mpa)基本荷载组合特殊荷载组合砌石体石料强度胶凝材料强度等级胶凝材料强度等级种类等级混凝土水泥砂浆混凝土水泥砂浆cl5cl0

16、ml25mlom75m5cl5cl0ml25m10m7.5m5mu1o05.14.04.03.42.92.46.04.74.74.02.83.3mu804.73.63.63.12.62.15.54.24.23.73.02.5毛石砌mu6o4.13.13.12.72.31.94.83.73.73.22.72.5石体mu5o3.72.92.92.42.11.74.33.33.32.82.02.2mu403.32.42.42.11.91.63.82.82.82.52.21.8mu302.92.12.11.91.61.33.32.52.52.21.81.5mu1o06.24.84.84.13.42.9

17、7.25.65.64.84.03.4mu805.74.34.33.83.12.66.65.15.14.53.63.1毛石占7o%mu604.93.73.73.32.82.35.84.54.53.83.22.7块石占3omu5o4.43.43.42,92,52,l5.14.04.03.43,02,4的砌石体mu403.82.92.92.62.31.94.53.53.53.02.72.2mu3o3.22.62.62.31.91.63.73.03.02.72.21.9mu1o07.65.95.95.04.23.58.86.96.95.94.84.1mu8o7,o5,35,34,63.83,28,16

18、.26.25,54.43.8毛石占3o%mu6o6.14.64.64.03.42.77.05.45.44.74.03.3块石占7o%mu5o5.44.24.23.63.22.56.34.84.84.23.72.9的砌石体mu404.63.73.73.22.72.35.34.14.13.73.32.6mu3o3.63,2322,72.32,04,13.73.73.32.62.3mu1o08.66.76.75.74.74.010.07.87.86.75.54.7mu807.96.06.05.34.33.69.27.07.06.25.04.2mu606.95.25.24.63.93.18.06.26

19、.25.34.53.7块石砌石体mu506,14,74.74,13.62.97.15.55.54.84.23.3mu405.14.24.23.63.12.66.04.94.94.23.73.0mu303.93.63.63.12.62.34.54.24.23.73.02.7mu1o09.47.97.97.06.15.311.09.29.28.27.26.2mu808,77,07.06.45.64.91o.28.28.27.56.55.5mu6o7.56.16.15.75.04.38.87.07.06.55.85.0粗料石砌石体mu5o6.65.55.55.14.63.97.86.26.26.05

20、.34.5mu405.54.84.84.64.03.46.45.45.45.24.74.0mu303,93.93.93.93.43.o4.54.54.54.54.03.55砌石体变形(弹性)模量砌石体变形(弹性)模量是水工建筑物设计中的一项重要力学指标.砌石坝设计规范修订大纲增加了靠近毛石或靠近块石两档砌石体的抗压强度,为了配套,同时相应的增加了上述两档的变形(弹性)模量.由于砌石体是由多种材料构成的复合体,非均值性程度大,具有分层异弹模(变模)的特点,所以给变形(弹性)模量的选择带来一定的难度.通过已有的试验资料结合原浆砌石坝设计规范(sl25e91)规范附表1.1经整理分析,修正,提出了砌

21、石体变形模量和弹性模量成果表4.对表中成果进行拟合,获得关系曲线如图4所示.?12?eegpa)占30%)占3o%)图4胶凝材料cts砌石体弹性模量ee一石料强度mu关系圈s.标准化翌兰量至兰至:=一一相对应的2次方程式为:毛石占3o9/6砌石体ee一0?52+0?17z一1.13毛石砌石体ee一0.48+o.18-r一6.48x10.10j.(15)毛石占7o砌石体ee一一2.1510.(13)+0.196z一5.3610一-r(14)块石砌石体ee=-0.51+o.17z+2.571o(16)表4砌石体的变形模量eo及弹性模量ee值表(gpa胶凝材料强度等级砌石体石料强度混凝土水泥砂浆种类

22、等级c15cloml25m10m7.5m5e0eeeoeeeoeeeoeeeoeeeoeemu1006.511_56.011.06.011.05510.05.09.04.07.0mu8o6.01l_o5.09.05.09.04.58.04.07.03.05.5毛石砌mu605.09.04.58.03.56.53.o5.53.05.52.54.5石体mu504.07.04.07.02.03.52.o3.52.03.52.o3.5mu403.56.53.56.51.52.51.52.51.52.51.52.5mu303.05.53.05.51.02.o1.o2.01.02.01.o2.0mul00

23、7.914.17.413.47.413.46.712.46.211.15.28.7mu8o6.912.56.111.06.111.05.610.04.98.73.97.2毛石占7o%mu6o5.610.55.39.44.37.93.86.93.66.63.15.6块石占3o%mu5o4.37.64.37.62.54.42.34.12.34.12.34.1的砌石体mu403.76.73.76.72.03.41.83.11.83.1l_83.1mu3o3.25.83.25.81.32.51.32.51.32.51.32.5mu1009.717.59.216.69.216.68.715.67.813

24、.96.11o.9mu8o8.114.57.513.67.513.67.012.66.1l0.95.19.4毛石占3o%mu606.411_56.39.44.39.74.88.74.48.03.97.0块石占7omu5o4.78.44.78.43.15.62.74.92.74.92.74.9的砌石体mu403.96.93.96.92.64.62.23.92.23.92.23.9mu3o3.46.23.46.21.73.11.73.11.73.11.73.1mu10011.020.01o.519.010.519.010.018.09.016.07.012.5mu8o9.016.08.515.58

25、.515.58.014.57.012.56.011.0mu607.012.57.o12.56.o11.05.510.05.o9.04.58.0块石砌石体mu5o5.09.05.09.03.56.53.05.53.05.53.05.5mu404.07.04.07.03.05.52.54.52.54.52.54.5mu3o3.56.53.56.52.o3.52.03.52.o3.52.03.5mu10010.018.09.517.09.517.09.016.08.o14.57.012.5mu8o8.014.58.014.57.513.57.o12.56.51l_55.510.0mu607.513.

26、57.012.56.511.56.011.05.510.04.58.0粗料石砌石体mu5o6.511.56.011.05.510.05.09.04.58.04.07.0mu405.510.05.09.04.07.04.07.04.07.03.56.5mu3o4.07.04.07.03.05.53.05.53.05.53.05.5注:胶凝材料为混凝土的毛石砌石体,用机械振捣,直接砌筑法,eo,ee值可提高15左右.型的,.(模量差异较大没有更6结语多新的资料,故未作变动.一.表中成果与实测成果有不同程度的误差,主要原因是试验的边界条件,试验方法,测试技术等尚存在一些不够完善的方面,又由于试验成果

27、偏少有待今后补充.(1)对于毛石(块石)不同含量的砌石体抗压强度,容许压应力,变形模量,弹性模量可查阅成果表或绘制关系曲线图查找,也可用方程进行计算求得,无疑解决了设计工作者取(下转第16页)?13?标准化对厂房深层抗滑稳定计算的探讨2006年第2期滑动面倾角正,负值的规定不统一,不便于理解和使用.在单滑动面情形下,第a.0.1条规定:当滑动面倾向下游时,滑动面倾角a为正值;当滑动面倾向上游时,滑动面倾角a为负值.而在双滑动面情形下,第a.0.2条规定:滑动面ab倾向下游,其倾角a取正值;滑动面bc倾向上游,其倾角也取正值.(4)缺少多滑动面深层抗滑稳定计算公式.4关于多滑动面深层抗滑稳定问题

28、sl2662001仅给出了单滑动面和双滑动面的深层抗滑稳定计算公式,最新颁发的si3192005也只给出了双滑动面的深层抗滑稳定计算公式,而多滑动面深层抗滑稳定问题在实际工程中也是经常会遇到的,且其计算公式和求解方法更为复杂.笔者在1994年初开始承担三峡工程左厂15号坝段深层抗滑稳定设计计算分析研究时,也是将等稳定安全系数法的计算成果作为设计标准,比较系统地研究了单滑动面,双滑动面和多滑动面的深层抗滑稳定计算分析问题,并编制了相应的计算机程序,有关设计专题研究的成果得到了三峡枢纽工程设计审查专家组的肯定和认可.对于通用的多滑动面等稳定安全系数法的计算公式和求解方法,请另见笔者的专文介绍.5标准中错误可能引发的问题由于各种原因,现行国家或行业的有效标准中可能会存在这样或那样的错误或者问题,如文献e33即是对现行国家强制性标准堤防工程设计规(上接第13页)值的方便和合理取值的问题.(2)表2和表4备注中均提出了胶凝材料为混凝土的毛石砌石体采用机械振捣和直接砌筑法时,fcc和eo,ee值可分别提高51o和15%左右,这是通过已有试验资料确定的,相应的