砂卵石填筑料的物理力学性质研究

砂卵石填筑料的物理力学性质研究

1坝体断面及坝壳料选择土石坝是目前应用最广泛、发展最快的水库之一。与其他水库相比，土石坝最大的特点之一是根据水库附近自然材料的特点，因地制宜地有效利用，灵活设计水库截面。近年来，随着土壤改良技术的发展，尤其是大型土壤改良技术的发展，振动平钻的使用，对水库材料的限制有许多突破和扩大。由于水库材料的选择受到长期的强度和变形的影响，人们通常选择坚硬的大石头作为水库外壳材料。然而，通常水库附近的客观条件是不利的，并且很难开采大量的材料。只有大量的碎屑，如河流沉积、沉积层和河床沉淀。这些材料是良好的建筑材料。加强对这些当地材料的物理力学特性的研究对于扩大资源来源，促进水库工人的选择和当地材料的发展具有重要的工程实践意义。2大坝砂心墙堆石坝在建的该水电站为二等工程,心墙堆石坝坝高108m,属高土石坝,提高一级按Ⅰ级建筑物设计.电站采用混合开发方式,坝址处控制流域面积573km2,电站最大引用流量40.8m3/s,最大水头234.7m,引水隧洞长9530m大坝类型为砾石土心墙堆石坝,坝顶高程2274m,正常蓄水位2270m,最大坝高108m,坝顶宽10m,坝顶长317m,坝体总堆筑量483万m3.在筑坝材料的选择上,堆石料采用的是河床沉积砂卵石来替代开采新鲜大块岩石进行填筑.经地质调查,砂卵石堆石料料场满足使用要求.砂卵石堆石料的开采采用“两采一铺”的新工艺进行开采.3土壤质量浓度砂卵石的级配也是影响土料性质的重要因素,即使为同一母岩的风化产物,不同的级配组成决定了其性质和用途也迥然不同,因此级配分析是土料力学性质和工程应用研究的基础.砂卵石料的颗粒分析试验在筑坝材料调查勘察阶段由施工单位委托有关设计单位完成,共从料场选取34组砂卵石料进行筛分试验.34组成果统计表明砂卵石料颗粒级配组成中:大于200mm粒径漂石含量为7%～46%之间,平均为20%;200～60mm粒径卵石含量为18%～26%之间,平均26%;小于5mm粒径颗粒含量为4.2%～29.5%之间,平均19.0%;小于0.075mm粒径颗粒含量为0.14%～4.20%之间,平均2.02%.各组级配的不均匀系数介于13.0～62.0之间,曲率系数介于1.56～1.61之间.因为试样同时满足Cu>5和Cc=1～3,故砂卵石料为级配良好的材料.作多组级配曲线分布特征,如图1.对于从现场采集到的天然材料,从其级配特性可以看其工程用途.有学者统计了过去国内外筑坝所用材料的颗粒级配曲线,从而提出了防渗材料和坝壳材料选用的理想界限.曲线中a是防渗体材料的细限,b是防渗体材料的粗限,b～c是优良的坝壳透水料,d是密实度最佳的坝壳透水料.比较砂卵石料多组级配曲线分布特征(图1)和国内外建议的理想土料颗粒曲线,可以看出:试样的级配曲线均落在建议理想级配的优良的坝壳透水料和密实度最佳的坝壳透水料(b～d)之间,其下包线级配较贴近密实度最佳的透水料曲线(d),故从级配特性来看该料场的砂卵石料为性能优良的坝壳透水料.3压实特性参数在土石坝的填筑中,填筑料的压实是极为重要的一个环节和控制因素.从坝壳料的填筑看,它决定着填筑体的尺寸,同时也是其它力学特性试验试样制备的控制标准和填筑时施工质量控制的重要指标.因此,通过压实特性试验,获取填筑料的最大干密度、最优含水率、相对密度等压实特性参数,准确把握压实特性,合理确定压实标准和施工参数,对于评价填筑料的坝用性能,为工程设计和现场碾压施工、控制填筑质量提供指导,具有非常重要的实践意义.本工程的坝体填筑中,为了保证填筑的质量,在填筑过程中根据工程情况进行了现场的碾压试验,依据《土工试验规程》、《碾压式土石坝设计规范》要求和研究需要,现已经完成了砂卵石堆石料的碾压试验七组,碾压试验成果见表1.从表1中可以得知,砂卵石含砾量范围在80.82%～85.86%之间,由于含砾量差别不大,故全料的干密度相差也不是很大,现已完成的现场试验及碾压试验成果表明,全料干密度变化范围在2.23g/cm3和2.27g/cm3之间而设计的干密度要求最低为2.18g/cm3,显然从现场的碾压试验可知,填筑料压实后实测的干密度都大于设计要求控制干密度标准,完全满足规范对高土石坝的填筑要求.4坝体防渗变形砂卵石料的渗透特性包括渗透性和渗透变形两方面.渗透性是由于骨架颗粒之间存在孔隙构成水的通道所致,渗透系数是表达液体在多孔介质中运动这一现象的定量指标.此次砂卵石堆石料的防渗性研究采用常水头渗透试验,水在常水头压力下通过土样进行渗透的,大型渗透试验结果见表2.由表2可知,该料在不同制样干密度条件下的渗透系数为1.42×10-1～～9.24×10-3cm/s,具有良好的排水性能.从渗透性看,该砂卵石料为性能良好的透水料,能够满足坝壳料的渗透性要求.渗透变形是渗透特性中另一个重要的研究内容,对于渗透变形的要求,无论是对防渗体还是对坝壳都是一致的,即在水流作用下坝体任何区域都不能产生渗透变形或渗透破坏现象.根据工程实践经验,目前一致认为不均匀系数Cu<5的均匀土,在一定水力坡降下,局部较易地发生流土;Cu>5的不均匀砂、砾石既可能发生流土,也可发生管涌,主要决定于细小颗粒的含量或孔隙直径的大小.研究指出,级配不连续的砂砾石,其填料(细料)含量P2小于25%时,其破坏形式为管涌;而细料含量大于35%时,则破坏形式常为流土;细粒含量介于25%～35%之间时为过渡型.从表1中可以得知,水牛家填筑的砂卵石含砾量范围在80.82%～85.86%之间,则其对应的细粒含量P2介于14.14%～19.18%之间,小于25%其破坏形式为管涌(表2).5粗粒土大型三轴剪切试验和直剪试验抗剪强度是土石料最为主要的工程特性指标之一,是天然土石体、人工填筑的河堤、土石坝、路基等土石方工程稳定分析的依据.土石坝坝体填筑料的抗剪强度表现为在一定应力状态下一部分填料对另一部分填料发生剪切破坏时的极限抵抗能力.因而确定填料的抗剪强度是研究土石坝稳定性时必须首先要解决的问题.目前土的抗剪强度的主要测试方法是直接剪切试验和三轴剪切试验,由于粗粒土颗粒粒径大,常规的土工试验仪器因试样尺寸小而不能使用,为了满足工程稳定分析计算的需要,利用大型三轴仪和大型直剪仪开展粗粒土大型三轴剪切试验和大型直剪试验,测定粗粒土抗剪强度指标和研究抗剪强度特性.在此次大坝砂卵石堆石料的抗剪强度试验中,共计进行了大型三轴剪切试验和大型直剪试验各七组,在此列举典型的4#试验结果如下:(图2)大型三轴剪切试验剪应力与水平位移关系曲线,(图3)4#剪应力与正应力关系曲线;(图4)大型三轴剪切试验4#(CD)主应力差与轴向应变曲线.抗剪强度试验结果如表3所示.对比砂卵石堆石填筑料的三轴试验和直剪试验结果可知,直剪试验得到的内摩擦角ϕ要比三轴试验获得的大.分析其原因,主要是由于直接剪切试验剪切面是固定的、而剪切面积随着剪切位移的增加而减小,剪切力和剪应变分布都不均匀,且不能严格控制排水条件等因素影响,从而使得土样的内摩擦角ϕ值偏大;而三轴试验的剪切面是不固定的、剪切沿试样抗剪能力最弱的面破坏,剪应力和剪应变分布均匀,而且能严格控制排水条件,对结果更接近于土样的实际理论值,因而更能合理地反映土体的抗剪强度.所以,对比较重要的工程应尽可能进行三轴剪切试验,但对粗粒土而言二者相差较小,且三轴剪切试验仪器复杂、操作复杂,试验时间长,相对而言直剪仪构造简单,操作方便迅速,还有大量的实践经验可以类比参照,所以两种方法目前都在广泛使用.6关于砂石坝的物理力学特性指标通过对该砂卵石填筑料的级配、压实、渗透和强度等物理力学特性指标的理论研究分析和工程类比结果看,该料为工程特性良好的粗粒土料,作高土石坝坝壳堆石料应用时性能优良,能够充分满足其对的强度和变形等的要求.通过对该料大量的土工试验得到的物理力学特性指标可作为类似坝壳料的参考指标,为此类高土石坝提供参考.从大坝修筑的实践看,用块石、弃渣等料做堆