水泥灌漿膠結砂礫石抗剪特性試驗研究

2023-11-28 02:14:14田巍巍努爾哈斯木穆哈買提汗李文濤李青山

水利水電科技進展 2023年6期

田巍巍,努爾哈斯木·穆哈買提汗,李文濤,李青山

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司,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用較為普遍,但是砂礫石屬于散粒體,抗剪強度遠低于混凝土,并且表現出較高的離散性,使得壩體填筑層抗剪強度成為影響壩體穩定的關鍵因素[1]。在砂礫石和混凝土之間存在一種人工膠結填筑材料,隨著膠凝顆粒料筑壩技術的發展,這種新型材料得到了實踐應用,目前我國已有山西守口堡水庫膠結砂礫石壩、四川金雞溝膠結壩、貴州西江水庫膠結砂礫石壩等實踐案例。

目前對水泥灌漿膠結砂礫石的研究主要集中于膠凝砂礫石(CSG)壩填筑材料應用及其力學行為分析。賈保振等[1-2]對CSG進行了抗剪強度試驗研究,得到了抗剪強度參數均滿足大壩穩定要求的結論;賈金生等[3-4]對CSG圍堰堰體的應力、穩定性、滲流和滲透溶蝕性能進行了研究,得到CSG特性參數要求的結論;尚延杰[5]對沙坪一級水電站膠結砂筑壩進行研究,認為CSG可以節省成本和便于施工;馮煒等[6]對三峽工程大壩的混凝土界面強度進行研究,發現通過優化配合比改善混凝土細觀界面強度,使界面強度更加接近砂漿本體的強度,可提高混凝土的宏觀力學性能;樊海柱[7]通過室內剪切試驗對西域礫巖的力學性質進行研究,得到了礫巖抗剪強度參數及應力與位移的相關性;Wu等[8]對硬質填料的應力應變行為進行了研究,發現其強度和應力-應變關系表現為摩擦機制和黏聚機制。此外,馮煒等[9-13]對CSG進行了抗壓強度、抗折強度、加卸載試驗以及三軸剪切試驗等,研究了CSG強度及應力應變的特性;王建有等[14-15]利用Abaqus與Ansys有限元分析軟件對膠結砂礫石大壩的應力穩定性進行了模擬分析;明宇等[16]通過動三軸試驗研究了CSG料的動力特性,認為CSG料的動應力及動應變受圍壓的影響較大。CSG作為筑壩材料和筑壩技術已經有了相當成熟的研究,它主要是在前期和施工期應用,在大壩運行時能否作為大壩除險、抗震加固等措施應用,相關研究還很少。

新疆卡拉貝利水利樞紐工程原設計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%的地震動參數值進行設計,相應基巖地震動峰值加速度為3.75m/s2,采用100年超越概率2%的地震動參數值對大壩變形進行復核,相應基巖地震動峰值加速度為4.24m/s2[17]。2012年,鄧銘江等[18]對卡拉貝利水利樞紐工程地震安全評價及抗震結構設計進行了研究,提出大壩抗震安全措施;2016年,鄧理想[19]結合抗震措施對卡拉貝利水利樞紐工程大壩進行抗震性能計算分析,認為混凝土面板砂礫石壩在技術上是可行的。但是隨著GB18306—2015《中國地震動參數區劃圖》的實施,工程場址地震基本烈度提高為Ⅸ度,因此該工程原設計大壩不能夠滿足現有地震安全性評價的要求,需對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行加固處理。目前參照CSG筑壩技術的研究思路,為提高新疆卡拉貝利水利樞紐工程壩體砂礫石的抗震穩定性,通過建立與原大壩施工參數一致的實體模型試驗區,采用水泥灌漿的方式形成膠結砂礫石進而進行室內抗剪特性試驗研究。該試驗研究主要解決了新疆卡拉貝利水利樞紐工程大壩抗震穩定性問題,為大壩抗震加固設計提供理論支撐,同時將為今后碾壓式土石壩抗震加固處理提供重要參考。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料來源與試樣制備

為了解水泥灌漿膠結砂礫石的抗剪特性,建立與原大壩碾壓施工參數一致的試驗區。試驗區利用原大壩筑壩材料進行現場分層填筑,然后在試驗區進行水泥灌漿處理,孔位布置見圖1。在現場灌漿效果較好的套閥管法灌漿區(T4-1)制取試樣進行室內抗剪強度特性試驗研究。

圖1 試驗區孔位布置(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,終止漿液水灰比為1∶1～3∶1,實際灌漿壓力在0.19～0.51MPa之間,具體灌漿工藝參數見表1。灌漿14d后,在灌漿影響范圍大于500mm的水泥灌漿膠結砂礫石體內,從膠結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刀法,采用內徑為300mm較厚管壁的PE管,人工向下開挖的同時將PE管向下推進,使得膠結砂礫石逐步裝入PE管內,取樣高度不小于300mm。制樣完畢后,將筒內縫隙用砂和泡沫塑料等填充,試驗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。每組試樣制取5塊質地均勻的試件(4塊試驗用,1塊備用),如圖2所示。

圖2 膠結砂礫石取樣與封裝

表1 套閥管法灌漿實測工藝參數

為適應試驗儀器尺寸要求,擬制備直徑為300mm的樣品,成品試樣實際直徑為290mm。由于試樣極不規則,難以進行抗剪強度試驗,因此在抗剪強度試驗前對試樣進行二次制模,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,使得膠結砂礫石體包裹在砂漿內部中央,并在試樣中間位置預留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,中間使用細沙或者粉土作為墊層,澆筑完成后養護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 膠結砂礫石試樣

1.2 試驗儀器與試驗方法

試驗儀器采用四川大學華西巖土儀器研究所研制的粗粒土剪切儀,試驗過程中自動采集數據。試樣在干燥狀態下裝入剪力儀,根據試樣截面的大小預先設定法向壓力,剪損后測量實際斷面面積,反算施加的法向應力。為了更好地觀察試樣應力和變形的關系,試驗控制最大位移在30mm左右。當剪應力達到穩定或者顯著后退時,停止試驗。在試驗過程中將預留的剪切縫放置在剪切盒中間,使剪切面在剪切縫處發生破壞,確保能夠準確獲得水泥膠結砂石抗剪強度參數。

對剪損后的試件斷面進行拍照,利用AutoCAD統計斷面面積。基于4個試樣在不同法向應力下的抗剪強度極限值,利用最小二乘法原理擬合出抗剪強度線性回歸方程。為了方便快捷地處理數據,應用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砂礫石的抗剪強度參數。

2 填筑料顆粒分析及物理力學性質

為了更好地模擬壩體實際狀況,對試驗區填筑料進行顆粒分析,以滿足設計所要求粒徑級配。采用篩分法進行顆粒分析,5mm及以上的粒徑篩分在室外進行,篩分粒徑分別為100、60、40、20、10、5mm,其中大于100mm的粒石直接量測篩分,5mm以下的土樣待取樣后在室內進行顆粒分析。試驗區砂礫石料的顆粒級配結果見表2,不均勻系數Cu為117.6～142.4,曲率系數Cc為3.3～6.2,有效粒徑d10在 0.34～0.37mm之間,將試驗區砂礫石料定名為卵石混合土(SICb)。

表2 砂礫石料顆粒級配結果

模型試驗區分層碾壓完成后,對各層指標進行取樣試驗,結果見表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%,相對密度為0.85～0.92,滿足設計要求。砂礫石料直剪試驗干燥狀態下內摩擦角為42.0°～43.5°,黏聚力為6.00～15.0kPa,滲透系數為3.4×10-3～3.6×10-2cm/s。另外,由表2可知,3個樣品大于5mm礫石占比均值為75.7%,因此試驗區碾壓過后砂礫石料可以形成骨架作用,且細顆粒能夠較好地填充骨架內,形成“密實-骨架”結構[20-21]。

表3 試驗區碾壓后砂礫石料物理力學性質指標

3 水泥灌漿膠結砂礫石抗剪強度試驗結果與分析

3.1 膠結砂礫石物理性質

抗剪強度試驗前,對不同深度的兩組試樣進行物理性質指標檢驗。由水泥灌漿膠結砂礫石物理性質指標試驗結果(表4)可知,灌漿后水泥灌漿膠結砂礫石的干密度在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灌漿效果較為一致。

表4 水泥灌漿膠結砂礫石物理性質指標試驗結果

3.2 法向應力與抗剪強度關系

在不同法向應力下對兩組試樣進行抗剪強度試驗,得到了不同的抗剪強度試驗結果,見表5。由試驗結果可知,抗剪強度隨著法向應力的增大而增大,且兩者相關系數R2為0.98,可見抗剪強度與法向應力具有很強的相關性,試驗結果可靠性高。殘余強度隨著法向應力的增大也表現出增大的趨勢,但是殘余強度與峰值強度的差值逐步擴大。表6為兩組試樣峰值強度和殘余強度的對比。由表6可知,水泥灌漿后膠結砂礫石抗剪強度明顯高于水泥灌漿處理前的抗剪強度,尤其是黏聚力提高很大。對比峰值強度,破壞后的水泥灌漿膠結砂礫石殘余內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 試驗區膠結砂礫石抗剪強度試驗結果

表6 試驗區膠結砂礫石峰值強度與殘余強度的對比

為了更好地分析試樣破壞的情況,將試驗完畢的試樣打開觀測。在剪損后發現試樣上部破壞斷面凹凸不平,下部剪切面較為破碎,有些呈現出鋸齒狀破壞面,如圖4所示。下部試樣在切向應力下,粗顆粒滾動擠壓導致水泥膠結物出現粉碎和斷裂的現象,但除少量片狀或者軟弱的顆粒被剪斷外,剪切破壞多發生在膠結物、膠結物和粗顆粒黏結面處,粗顆粒未發現剪損,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,膠結砂礫石在剪切過程中,抗剪強度主要受膠結物強度、礫石與膠結物間的黏結強度以及法向應力的影響。水平應力在達到一定程度后,剪切面附近砂漿膠結體開始出現微裂紋,隨著水平應力的增長,微裂紋逐步擴大,在達到峰值強度后,試樣內部出現貫通裂隙,抗剪強度發生緩慢下降甚至平緩波動,此時試樣內部膠結物與粗粒黏結處發生破壞,顆粒間發生擠壓錯動,貫通裂隙繼續擴張。隨著抗剪強度下降速度的增大,在法向應力作用下試樣內部應力重分布,此時抵御水平應力的抗剪強度主要為粗顆粒間的摩擦力,同時剪切面中薄弱的顆粒被擠壓成棱角狀顆粒,使殘余強度穩定在某一水平上。

受到試樣內部粗顆粒的影響,剪切破壞的過程還存在著剪漲效應,該效應主要表現在剪應力達到峰值前,在較低法向應力下貫通的破裂面開度會變得更大,另外,破壞后粗顆粒間水平擠壓錯動也會產生剪漲效應。由于剪切面附近剪損后粗顆粒間的錯動咬合作用以及剪漲效應的發生使得試樣殘余黏聚力仍然保持著較高的水平。

3.3 剪應力與位移關系

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

出現這種情況主要是由于水泥灌漿膠結砂礫石粒徑大小不一,粒徑的咬合能力存在差異,在剪損時試樣不是突然整體破壞,而是膠結薄弱的位置首先發生斷裂,進而發展到水泥膠結物與砂礫石界面發生破壞,堅硬的砂礫石在剪應力作用下發生錯動、咬合,使得剪應力出現平緩的趨勢。本文的水泥灌漿膠結砂礫石抗剪特性試驗結果和吳平安[13]對CSG材料應力與應變關系分析結果一致。

4 討論

a.CSG筑壩技術是在碾壓混凝土筑壩技術和面板堆石筑壩技術上發展起來的新型筑壩技術[22],《膠結顆粒料筑壩技術導則》中將CSG定義為“利用膠凝材料和砂礫石料,經拌和、攤鋪、振動碾壓形成的具有一定強度和抗剪性能的材料”,可以看出CSG技術是將膠凝材料與砂石相結合應用到大壩填筑的一項新技術,它在施工工藝上與本文研究的水泥灌漿膠結砂礫石加固應用技術有一定的區別。卡拉貝利水利樞紐工程擬處理壩體利用灌漿技術等將水泥漿壓入砂礫石壩中,水泥漿液在砂礫石孔隙中擴散形成膠結物,從而顯著提升大壩建筑物的強度和抗剪性能。水泥灌漿膠結砂礫石加固應用技術是對CSG技術的延伸和發展,為壩體施工完成后或者后期加固處理時所應用的一項新技術,目前所進行的研究尚處于初始階段。

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