卡拉貝利樞紐工程壩料現(xiàn)場大型剪切試驗研究

王秀東

(新疆卡拉貝利水利樞紐工程建設(shè)管理局，新疆 喀什 844000)

0 引 言

卡拉貝利水利樞紐工程擬建在克孜河上，是一座具有防洪、灌溉、發(fā)電等綜合效益的水利樞紐工程，位于喀什市西北，距喀什市165 km(直線距離88 km)。根據(jù)《水利水電工程等級劃分和洪水標準》[1](SL 252-2000)，工程等別為Ⅱ等工程，工程規(guī)模為大(Ⅱ)型。大壩為混凝土面板砂礫石壩，大壩等級須提高一級，為1級建筑物。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[2](GB 183061-2001)，壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度強，根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》[3](SL 203-1997)，大壩設(shè)防地震烈度應(yīng)該在基本烈度基礎(chǔ)上提高一度，設(shè)計地震烈度為Ⅸ。

由于室內(nèi)試驗儀器的尺寸限制，目前大型靜動力三軸試驗最大試樣直徑為30 cm，試驗允許最大粒徑60 mm，只能對所謂的模擬試驗級配進行試驗。由于實際壩料顆粒級配與模擬試驗級配的差別顯著，加上實際填筑壩料級配有較大分散性，級配曲線變化大，室內(nèi)制樣與現(xiàn)場碾壓條件也有差別，對模擬試驗級配下試驗控制密度的確定問題一直沒有很好解決。本次研究工作就是通過開展現(xiàn)場大型剪切試驗研究確定大壩填筑料的抗剪強度指標，為進行大壩優(yōu)化設(shè)計和確定施工技術(shù)參數(shù)提供科學依據(jù)。

1 筑壩材料和試驗土料

現(xiàn)場大型直剪試驗土料為主堆砂礫石料(C3料場)和墊層料兩種壩料，采用設(shè)計級配(原級配)配料，制樣干密度采用實際上壩填筑干密度控制，主堆砂礫石料為2.37 g/cm3，墊層料為2.36 g/cm3。

2 現(xiàn)場大型直剪試驗

2.1 試驗設(shè)備和方法

卡拉貝利主堆砂礫石料和墊層料現(xiàn)場大型直剪試驗的設(shè)備主要由如下構(gòu)件組成：剪切盒、下蓋板、滾排、上蓋板、自反力框架、垂直向1 000 t千斤頂、水平向1 000 t千斤頂?shù)取Ｆ渲屑羟泻械倪呴L為150 cm×150 cm，剪切盒高度122 cm，其中下剪切盒的高度為44 cm。直剪試驗的垂直向荷載是通過主梁和副梁傳遞到4根反力樁承擔，水平荷載由自反力框架承擔。垂直向位移由安裝在上蓋板上的4只位移傳感器測量，百分表由磁性表架固定在基準梁上，水平向位移由安裝在剪切盒兩側(cè)剪切縫處的2支位移傳感器測量。現(xiàn)場大型直剪試驗示意圖見圖1。

直接剪切試驗是在制備好的試樣上，施加一垂向荷載(即法向應(yīng)力)，待沉降穩(wěn)定后，分級施加水平荷載(水平推力)，記錄剪切荷載及剪切位移，直至破壞。對同一組試驗內(nèi)各試樣所施加的垂向荷載σv(法向應(yīng)力)、抗剪峰值τ(剪應(yīng)力)，采用最小二乘法線性回歸分析，便可得到試驗料的c(黏聚力)、φ(內(nèi)摩擦角)。試驗參照《土工試驗規(guī)程》[4](SL 237-1999)進行。

圖1 現(xiàn)場大型直剪試驗示意圖

2.2 試驗操作步驟

2.2.1 試樣制備和安裝

1) 將下剪切盒平穩(wěn)安裝好，并在下剪切盒上安放鋼珠，控制剪切開縫尺寸為(1/3～1/4)dmax，然后將上剪切盒放上，使上下盒同心，并用固定插銷定位。

2) 安裝水平千斤頂，使水平千斤頂?shù)闹€通過剪切面的中心。

3) 按碾壓試驗確定的設(shè)計上壩材料級配曲線進行備料。根據(jù)試驗要求的干密度、含水率和試樣尺寸，計算并稱取試驗所需的土樣數(shù)量，分層稱取試驗所需的土樣。

4) 試樣土料拌勻后，分3層裝入剪切盒內(nèi)，每一層擊實至要求的高度。再填第二層。重復上述步驟至最后一層，整平表面。

5) 對于飽和試樣采用塑料布隔水，在試樣裝填完成后充分浸水飽和。

6) 在裝填完成的試樣面上，依次放上下壓板、滾排、上壓板和垂直千斤頂?shù)取Ｒ蟀惭b對中，傳壓板應(yīng)用水平尺校平。在上壓板上對稱安裝4個垂直位移傳感器。

7) 安裝主梁，使其與副梁、反力樁組成垂直加載反力構(gòu)架。

2.2.2 固結(jié)和剪切

1) 在試樣上施加垂直荷載并變形穩(wěn)定后，為固結(jié)完成。測記此時垂直百分表讀數(shù)。

2) 試樣達到固結(jié)穩(wěn)定后，施加水平荷載，每隔1 min測記1次水平位移讀數(shù)和垂直位移讀數(shù)，達到變形穩(wěn)定后再施加下一級水平荷載。起始水平荷載每級按垂直荷載的7%～10%施加，當某級水平荷載下的剪切位移超過前一級剪切位移的1.5～2.0倍時，改為按5%施加。

3) 當水平荷載讀數(shù)不再增加或剪切變形急驟增長，即認為已剪壞。若無上述兩種情況出現(xiàn)，應(yīng)控制剪切變形達試樣直徑的1/5～1/10，方可停止試驗。

2.3 試驗數(shù)據(jù)整理

1) 按下列公式計算垂直應(yīng)力和剪應(yīng)力：

(1)

(2)

PV=CVRV

(3)

Ph=ChRh

(4)

式中：σ、τ分別為垂直壓力和剪應(yīng)力，kPa；Pv、Ph分別為垂直荷載和水平荷載，kN；Cv、Ch分別為垂直千斤頂和水平千斤頂上壓力表的率定系數(shù)，kN/kPa；Rv、Rh分別為垂直和水平千斤頂壓力表讀數(shù)，kPa；F為某垂直壓力下儀器摩擦力，kN；Δp為附加垂直荷載，包括透水板、傳壓板和千斤頂?shù)闹亓ΓЫ镯斠陨系脑O(shè)備重力不計算在內(nèi)，kN；A為試樣面積，m2。

以剪應(yīng)力和垂直變形為縱坐標，水平位移為橫坐標，分別繪制某級垂直壓力下剪應(yīng)力τ與水平位移ΔL關(guān)系曲線和垂直變形Δs與水平位移ΔL關(guān)系曲線。

2) 取剪應(yīng)力τ與水平位移ΔL關(guān)系曲線上峰值或穩(wěn)定值作為抗剪強度。如無明顯峰值，則取水平位移達到試樣直徑1/15～1/10處的剪應(yīng)力作為抗剪強度S。

3) 以抗剪強度τf為縱坐標，垂直應(yīng)力σv為橫坐標，繪制抗剪強度τf與垂直應(yīng)力σv的關(guān)系曲線。直線的傾角為粗顆粒土的內(nèi)摩擦角φ，直線在縱坐標軸上的截距為粗顆粒土的黏聚力c。

2.4 試驗內(nèi)容和試驗結(jié)果

采用現(xiàn)場大型直剪切儀對卡拉貝利樞紐工程主堆砂礫石料和壩墊層料的抗剪強度特性進行研究，主堆砂礫石料和壩墊層料的試驗控制干密度參照壩體實際填筑干密度進行。具體試驗方案見表1。

表1 現(xiàn)場大型直剪試驗的試驗內(nèi)容和試驗條件

飽和試樣的制備采用在剪切盒中加襯塑料布的方法進行，為防止塑料布在試驗土料振密過程中破損，在振動時在剪切合四周墊襯木板，木板與塑料布之間再加襯橡膠板。制樣完成后，對試樣進行充分浸水飽和，試驗時將剪切縫處的塑料布用刀子劃開以便固結(jié)排水。本次大型直剪試驗分別按線性和非線性給出抗剪強度指標，線性強度指標是指在不同的垂直壓力σv下測得不同的抗剪度強τf和σv的關(guān)系符合式(5)所示的庫倫公式。

τf=C+σvtanφ

(5)

式中：τf為抗剪度強，kPa；C為黏聚力，kPa；σv為垂直壓力，kPa；φ為內(nèi)摩擦角。

非線性強度指標是通過繪制每一級垂直應(yīng)力σv下通過圓點的強度線，得出的φi值。這個φi值是指某一個垂直應(yīng)力σv下的φ值。其有效內(nèi)摩擦角φ′采用如下的表達式：

φ′=φσΔφlg(σv/Pa)

(6)

式中：φσ為圍壓為一個大氣壓時的內(nèi)摩擦角，(°)；Δφ為隨壓力變化的內(nèi)摩擦角，(°)；σv為垂直應(yīng)力，kPa；Pa為標準大氣壓，100 kPa。

整理后，試驗結(jié)果見表2。

表2 試驗土料的抗剪強度指標

從表2可以看出，主堆砂礫石料的強度指標比墊層料稍高。主堆砂礫石料的干燥樣和飽和樣的有效摩擦角差別小于墊層料的干燥樣和飽和樣的有效摩擦角的差別，這可能與墊層料小于5 mm的細粒含量較多有關(guān)。

2.5 小 結(jié)

現(xiàn)場主堆砂礫石料直剪試驗見圖2，現(xiàn)場墊層料直剪試驗見圖3。

由圖2、圖3可知，對原級配實際壩料進行高應(yīng)力下(最高達1.5 MPa)、大尺寸(150 cm×150 cm)的現(xiàn)場大型直剪試驗，直接得到的實際壩料真實剪切性能、剪切強度參數(shù)和設(shè)計指標如下：

1)對于主堆砂礫料干燥樣，試驗干密度2.37 g/cm3，得到線性強度指標黏結(jié)力c為121 kPa，摩擦角φ為44.8°；非線性強度指標φσ為57.4°，⊿φ為8.82°。

2) 對于主堆砂礫料飽和樣，試驗干密度2.37 g/cm3，得到線性強度指標黏結(jié)力c為118.2 kPa，摩擦角φ為43.4°；非線性強度指標φσ為56.6°，⊿φ為9.4°。

圖2 現(xiàn)場主堆砂礫石料直剪試驗

圖3 現(xiàn)場墊層料直剪試驗

3) 對于墊層砂礫料干燥樣，試驗干密度2.36 g/cm3，得到線性強度指標黏結(jié)力c為125.7 kPa，摩擦角φ為42.1°；非線性強度指標φσ為57.1°，⊿φ為10.8°。

4) 對于墊層砂礫料飽和樣，試驗干密度2.36 g/cm3，得到線性強度指標黏結(jié)力c為115.5 kPa，摩擦角φ為40.5°；非線性強度指標φσ為54.7°，⊿φ為10.1°。

3 結(jié) 論

1) 由于尺寸效應(yīng)，室內(nèi)試驗(目前國內(nèi)大型直剪試驗最大尺寸為80 cm×80 cm)得到抗剪強度參數(shù)及設(shè)計指標，難以反映實際壩料真實性能。對原級配實際壩料進行高應(yīng)力下(最高達1.5 MPa)、大尺寸(150 cm×150 cm)的現(xiàn)場大型直剪試驗，國內(nèi)外少見。可以直接得到實際壩料真實剪切性能、剪切強度參數(shù)和設(shè)計指標。

2) 圖2和圖3為線性抗剪強度試驗結(jié)果，表2給出了線性抗剪強度指標和非線性抗剪強度指標，可以直接供設(shè)計參考使用，對其他工程也有重要的參考價值。

3) 現(xiàn)場大型直接剪切試驗得到的實際壩料真實的剪切性能、剪切強度參數(shù)等，是進行尺寸效應(yīng)研究的寶貴資料和比較基礎(chǔ)。