李針龍

（吐魯番地區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 吐魯番 838000）

0 前言

煤窯溝水庫是新疆吐魯番市煤窯溝河上的一座攔河式?。ㄒ唬┬退畮欤瑝涡蜑榛炷撩姘宥焉暗[石壩，采用全庫盤復合土工膜防滲。大壩呈“U”型，壩軸線長度為3120 m，最大壩高44.8 m，壩體結(jié)構(gòu)自上游向下游依次為混凝土面板、過渡區(qū)、墊層區(qū)和砂礫石壩體，前后壩坡坡比均為1∶1.6。壩體填筑總量為160萬m3，為了解壩殼料的物理、力學特性、滲透特性，須對大壩筑壩壩殼料進行試驗分析。

1 試驗材料特性及制備

1.1 材料特性

壩殼料C4料場卵礫石成份主要為砂巖、礫巖、凝灰?guī)r、花崗巖等，該料場巖性分布穩(wěn)定，有用層儲量為340萬m3。要求壩殼料Dmax≤500mm，含泥量＜8%，滲透系數(shù)≥10-2cm/s～10-3cm/s，填筑要求Dr≥0.80，填筑層厚度80cm。C4料場級配情況與同類工程對比見圖1，可以看出壩殼料級配情況較好，考慮采用平均線進行試驗。

圖1 煤窯溝水庫壩殼料場平均線與同類工程對照表

1.2 試料制備

粗粒土的試樣制備按《土工試驗規(guī)程》SL237-053-1999方法進行。根據(jù)壩料填筑要求，壩殼料試驗級配曲線通過對C4料場砂礫料原級配進行超粒徑處理，處理后40 mm～60 mm含量為16.3%，20 mm～40 mm含量為25.6%，10 cm～20 cm含量為18.9%，5 cm～10 cm含量為15.5%，小于5 mm含量為23.7%。

2 試驗內(nèi)容

對煤窯溝水庫工程筑壩壩殼料進行常規(guī)大三軸試驗。以便進行壩體穩(wěn)定和變形計算工作，試驗結(jié)果應(yīng)滿足鄧肯E～μ、E～B模型參數(shù)要求。筑壩壩殼料試驗研究主要內(nèi)容包括以下幾個方面:

1）常規(guī)物理試驗，包括壩殼砂礫料的最大干密度、最小干密度、壓縮、滲透及比重試驗。

2）筑壩材料靜力三軸試驗，包括壩殼砂礫料靜三軸固結(jié)排水剪切試驗，提供E～B和E～μ模型參數(shù)。

3 試驗方法及結(jié)果分析

3.1 相對密度試驗

壩殼料進行了兩次平行試驗。試驗采用風干土料，試樣筒尺寸為φ300 mm×360 mm。最小干密度試驗采用固定體積法，試驗按《土工試驗規(guī)程》SL237-054-1999方法進行；最大干密度試驗采用振動擊實法，以模擬堆石壩現(xiàn)場施工振動碾振動壓實，試驗采用粗粒料相對密度儀，試樣頂部靜載14 kPa，振動頻率為20 Hz，振動歷時8 min，最大干密度2.32 g/m3，最小干密度1.91 g/m3，試驗干密度2.25 g/m3。

3.2 三軸壓縮試驗

3.2.1 試驗儀器及試驗方法

采用粗粒土三軸儀進行靜三軸試驗。對C4料場壩殼料進行飽和狀態(tài)下的固結(jié)排水試驗，試驗方法及參數(shù)整理均按《土工試驗規(guī)程》SL237-060-1999方法進行。大型三軸試驗試樣尺寸為φ300mm×600mm，每組試料四個圍壓，最大圍壓為800kPa。按試驗控制干密度進行裝樣，試樣分6層裝入成型筒內(nèi)，每層厚度10 cm，用振搗器夯實。試樣飽和采用頂部抽氣，試樣內(nèi)形成負壓，測計進水量管水位讀數(shù)后，打開進水閥。試樣在負壓作用下，水由下而上逐漸飽和試樣。待試樣上部出水后，停止抽氣，用水頭飽和法進行飽和，直至進出水量平衡時，認為試樣完全飽和，方可進行剪切試驗。試樣飽和完成后關(guān)閉排水閥，施加圍壓，記錄孔隙水壓力變化情況，孔壓穩(wěn)定后，打開排水閥進行固結(jié)，記錄排水管體積隨時間的變化，試驗中固結(jié)時間1 h～1.5 h基本固結(jié)穩(wěn)定，記錄固結(jié)排水量及固結(jié)下沉量。然后進行剪切試驗，剪切速率為1.0 mm/min。剪切過程中記錄試驗軸向荷載（采用500 kN壓力傳感器進行量測），軸向變形（采用10 cm百分表量測）、剪切排水量（采用量筒量測），直至試驗破壞。破壞點的確定方法為:當應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線有峰值時，取峰值點為破壞點；當應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線無峰值時，則取應(yīng)變15%所對應(yīng)的點為破壞點。

3.2.2 試驗成果

試驗得到試樣的主應(yīng)力差(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變ε1及體應(yīng)變εv與ε1之間關(guān)系試驗結(jié)果分別見圖2、圖3，試樣在不同應(yīng)力條件下的摩爾圓及強度包線，見圖4。

圖2 主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線（飽和CD）

圖3 體應(yīng)變與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

圖4 固結(jié)排水剪總應(yīng)力強度包線

根據(jù)摩爾-庫倫強度定律，四組破壞應(yīng)力圓的公切線即為土的抗剪強度線，可以得到線性強度指標。然而根據(jù)粗粒土三軸試驗結(jié)果表明，在壓力較大的應(yīng)力范圍內(nèi)，無粘性土的強度和法向應(yīng)力的關(guān)系并不是一個常數(shù)，而是隨著圍壓的增大而有所降低的，材料強度包線表現(xiàn)出明顯的非線性特征，為準確表達壩料在不同應(yīng)力條件下的φ值，采用如下公式進行計算，計算結(jié)果見表1。

式中:φ為某應(yīng)力圓切線與橫坐標的夾角；φ0壓力為一個大氣壓時的內(nèi)摩擦角某應(yīng)力，為試驗值；Δφ為試驗值；σ3為周圍壓力；Pa為標準大氣壓。

表1 三軸試驗（排水剪）強度指標

壩殼料飽和狀態(tài)下三軸試驗E～μ模型參數(shù)見表2，E～B模型參數(shù)見表3。

表2 E～μ模型參數(shù)（固結(jié)排水剪）參數(shù)表

表3 E～B模型參數(shù)（固結(jié)排水剪）參數(shù)表

3.2.3 試驗結(jié)果修正

整理試驗結(jié)果得到鄧肯E～μ雙曲線模型參數(shù)K、n、Rf、C、φ、G、F、D，將模型參數(shù)代入 E～μ 雙曲線理論公式，可得到主應(yīng)力差(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變ε1理論關(guān)系曲線及體應(yīng)變εv與軸向應(yīng)變ε1理論關(guān)系曲線，通過對比發(fā)現(xiàn)理論關(guān)系曲線與試驗關(guān)系曲線偏離較大，因此須對模型參數(shù)進行修正。

具體方法是以試驗曲線為真值，通過微調(diào)模型參數(shù)使理論曲線逐漸逼近試驗曲線，二者擬合較好時所對應(yīng)的一組模型參數(shù)即為修正模型參數(shù)，并將試驗結(jié)果與近期試驗室做的同類工程進行比較，見表4?？梢钥闯雒焊G溝水庫壩料修正后E～μ模型參數(shù)（固結(jié)排水剪）與同類工程比較相似，試驗結(jié)果是可信的。

表4 同類工程壩殼料E～μ模型參數(shù)（固結(jié)排水剪）對照表

修正后E～μ模型主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線及體應(yīng)變與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線見圖5、圖6。

圖5 修正后E～μ模型主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線（C4料場）

圖6 修正后E～μ模型體應(yīng)變與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線（C4料場）

將模型參數(shù)中 K、n、Rf、φ0、Δφ 代入 E～B雙曲線模型中，同樣可得到理論主應(yīng)力差(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變ε1關(guān)系曲線，同時將參數(shù)中Kb、m代入理論公式計算出相應(yīng)的體應(yīng)變εv，將試驗曲線與理論曲線進行對比，并對上述試驗參數(shù)進行修正，得到修正后E～B模型參數(shù)（固結(jié)排水剪）參數(shù)，并將試驗結(jié)果與同類工程進行比較，見表5?？梢钥闯雒焊G溝水庫壩料修正后E～B模型參數(shù)（固結(jié)排水剪）與同類工程比較相似，試驗結(jié)果是可信的。

表5 同類工程E～B模型參數(shù)（固結(jié)排水剪）對照表

修正后主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線及體應(yīng)變與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線，見圖7、圖8。

圖7 修正后E～B模型應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲（C4料場）

圖8 修正后E～B模型體應(yīng)變與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線（C4料場）

3.3 比重及壓縮試驗

小于5 mm細粒土的比重采用比重瓶法測定，大于5 mm粗粒土采用虹吸筒法測定，試驗比重為2.74。壓縮試驗儀器采用粗粒土壓縮儀，壓縮儀容器的直徑為500 mm，高為400 mm，最大垂直壓力為2.0 MPa。壓縮試驗結(jié)果顯示，在100 kPa～200 kPa范圍內(nèi)，煤窯溝水庫C4料場壩殼料干燥狀態(tài)下壓縮系數(shù)為0.007 MPa-1，壓縮模量為186.1 MPa，飽和狀態(tài)下壓縮系數(shù)為0.007 MPa-1，壓縮模量為 174.7 MPa。

3.4 滲透試驗

試驗設(shè)備采用直徑30 cm垂直滲透儀，從底部先使試樣飽和并排氣，保持水頭不變，出水30 min后開始記錄，按體積法測定滲透流量3次，改變水頭后重復上述試驗，計算得出平均滲透系數(shù)1.85×10-2cm/s。滲透實驗成果表明所選用的壩殼料均具有自由排水性能，滿足填筑堆石壩體的有求。

4 結(jié)論

1）煤窯溝水庫壩殼料場（C4料場）試料經(jīng)過超徑處理后最大干密度為2.32 g/cm3，最小干密度為1.91 g/cm3，相對密度控制在0.85，對應(yīng)干密度為2.25 g/cm3。

2）通過對試驗參數(shù)進行修正，可看出煤窯溝水庫壩料修正后與同類工程比較相似，試驗結(jié)果是可信的，E～μ、E～B試驗參數(shù)滿足大壩應(yīng)力應(yīng)變計算要求。

3）在100 kPa～200 kPa范圍內(nèi)，可看出C4料場壩殼料浸水飽和后壓縮性變化不大。

4）從滲透試驗成果可以看出:C4料場壩殼料滲透系數(shù)在10-2cm/s數(shù)量級以上，可以滿足自由排水要求。