鄭 星,楊文超,魏偉瓊,敖大華,張 勝,徐永旺

(1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴陽(yáng) 550081; 2.貴州省巖土力學(xué)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴陽(yáng) 550081)

0 引 言

隨著西藏地區(qū)水電開(kāi)發(fā)的深入,土石壩因?qū)Φ鼗A(chǔ)條件具有良好的適應(yīng)性、能就地取材及充分利用建筑物開(kāi)挖渣料、造價(jià)較低、水泥用量較少等優(yōu)點(diǎn),是壩工建設(shè)中非常有發(fā)展前景的壩型之一[1-2]。隨著兩河口、雙江口等300 m級(jí)特高土石壩相繼投入建設(shè),我國(guó)現(xiàn)在已進(jìn)入大規(guī)模特高土石壩建設(shè)階段。對(duì)于高心墻堆石壩,由于壩高的增加,心墻土體將承受較大的應(yīng)力,單純采用黏性土作為心墻防滲土料將無(wú)法滿足強(qiáng)度和壓縮性的要求[3-4]。寬級(jí)配礫石土在自然界廣泛分布,因其在壓實(shí)后具有抗?jié)B性能好、抗剪強(qiáng)度高、壓縮變形低等特性,被認(rèn)為是良好的特高土石壩防滲心墻填筑材料[4-6]。

天然賦存的寬級(jí)配具有級(jí)配分布不均的特點(diǎn),而作為防滲土料的礫石土,其級(jí)配指標(biāo)、特別是土中5 mm以上顆粒的含量(P5含量)顯著影響礫石土的壓實(shí)性能,從而對(duì)其強(qiáng)度、變形、滲透等特性影響巨大。為了研究P5含量對(duì)礫石土工程特性的影響,很多學(xué)者開(kāi)展了研究工作。謝正明[7]、保華富等[8]、張東明等[9]研究了P5含量對(duì)礫石土擊實(shí)特性的影響,得到了隨著P5含量增加,最大干密度逐漸增加和最優(yōu)含水率逐漸降低的結(jié)論,并且觀察到了P5含量增加到一定值后最大干密度不再增加甚至降低的現(xiàn)象。P5含量對(duì)礫石土力學(xué)特性和滲透特性的影響研究較少,李忠洪[10]采用直剪試驗(yàn)方式研究了寬級(jí)配殘坡積礫石土礫石含量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響,在P5含量在20%～45%范圍內(nèi),隨著P5含量增加,內(nèi)摩擦角增加,黏聚力降低。

某300 m級(jí)特高土石壩防滲土料設(shè)計(jì)指標(biāo)如下:最大粒徑60 mm,P5含量在30%～50%之間,<0.075 mm含量≥15%,<0.005 mm顆粒含量≥6%。該工程防滲土料5 mm以上顆粒組成主要為細(xì)砂巖、礫巖風(fēng)化碎礫石,為掌握P5含量對(duì)該工程土料工程特性影響,配制了P5含量為0%～80%區(qū)間范圍內(nèi)的土料,采用大型重型擊實(shí)試驗(yàn)研究了P5含量對(duì)擊實(shí)特性的影響,采用大型固結(jié)儀(直徑500 mm)、大型三軸儀(直徑300 mm)、大型滲透儀(直徑300 mm)分別研究了P5含量對(duì)礫石土擊實(shí)特性、壓縮特性、強(qiáng)度特性、滲透特性的影響,并總結(jié)了影響規(guī)律,給出了影響趨勢(shì)的擬合關(guān)系式,以供后續(xù)施工過(guò)程參考,對(duì)土料質(zhì)量進(jìn)行控制。

1 P5含量對(duì)礫石土擊實(shí)特性的影響

在某特高土石壩防滲土料料場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了不同P5含量的礫石土大型擊實(shí)試驗(yàn)研究。大型擊實(shí)儀擊實(shí)筒直徑為300 mm,高度為288 mm,擊實(shí)功能為2 684.9 kJ/m3。擊實(shí)試驗(yàn)所用的土料采用現(xiàn)場(chǎng)篩分的不同粒組顆粒進(jìn)行配制,配制所依據(jù)的級(jí)配曲線來(lái)自料場(chǎng)土料剔除60 mm后的成品土料級(jí)配,從中選取不同P5含量的級(jí)配曲線作為試驗(yàn)級(jí)配,以保證級(jí)配在料場(chǎng)范圍內(nèi)的代表性。本次擊實(shí)試驗(yàn)配制的P5含量范圍從11.5%～80.0%,具體級(jí)配數(shù)據(jù)見(jiàn)表1,相應(yīng)級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。

圖1 不同P5含量土料擊實(shí)試驗(yàn)顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Grading curves of soil with varying P5 content for compaction test

不同P5含量大型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2,表中給出了不同P5含量對(duì)應(yīng)的礫石土料最大干密度與最優(yōu)含水率。根據(jù)試驗(yàn)成果可以繪制P5含量同最大干密度關(guān)系曲線、P5含量同最優(yōu)含水率關(guān)系曲線,見(jiàn)圖2。從關(guān)系曲線圖可見(jiàn),P5含量從0%～60%范圍內(nèi),隨著P5含量增加,最大干密度不斷增大,最優(yōu)含水率不斷降低,符合礫石土料的一般擊實(shí)特性規(guī)律。P5含量在60%、70%、75%時(shí),最大干密度基本維持

圖2 不同P5含量土料擊實(shí)試驗(yàn)成果Fig.2 Compaction test result of soil with varying P5 content

表2 不同P5含量土料擊實(shí)試驗(yàn)成果Table 2 Compaction test result of soil with varying P5 content

最大值,進(jìn)一步增加P5含量至80%,最大干密度才有所降低,而最優(yōu)含水率則單調(diào)降低。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]的相關(guān)論述,當(dāng)土中的細(xì)料被完全擊實(shí)時(shí),土體全料中細(xì)料的干密度可以通過(guò)下式計(jì)算,即

(1)

式中:ρs為細(xì)料干密度;ρd為全料干密度;Gs為顆粒相對(duì)密度。采用式(1),相應(yīng)的細(xì)料干密度和壓實(shí)度計(jì)算值見(jiàn)表3。

表3 不同P5含量土料擊實(shí)試驗(yàn)細(xì)料密實(shí)度計(jì)算成果Table 3 Calculation results of compactness of fine soil for compaction test with varying P5 content

圖3 側(cè)限壓縮參數(shù)隨P5含量變化關(guān)系Fig.3 Variation of confined compression modulus with P5 content

2 P5含量對(duì)礫石土壓縮特性的影響

采用大型固結(jié)儀對(duì)不同P5含量對(duì)礫石土壓縮特性的影響開(kāi)展了試驗(yàn)研究。大型壓縮試驗(yàn)試樣尺寸為Φ500 mm×300 mm,最大粒徑60 mm。考慮到本工程壩高達(dá)300 m級(jí),壓縮試驗(yàn)的最大壓力為3.2 MPa。仍然按擊實(shí)試驗(yàn)所采用的級(jí)配配制不同P5含量土料進(jìn)行試驗(yàn),采用擊實(shí)試驗(yàn)得到的最大干密度和最優(yōu)含水率進(jìn)行制樣。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4、圖3。隨P5含量增加,礫石土料壓縮系數(shù)逐漸減小,壓縮模量逐漸增大,P5含量變化范圍為11.5%～80%,壓縮系數(shù)變化范圍為0.081～0.015 MPa-1,壓縮模量變化范圍為15.5～88.3 MPa?？梢?jiàn),隨P5含量增加,礫石土的壓縮性能逐漸從細(xì)顆?？刂?過(guò)渡到主要由礫石控制,其表現(xiàn)出來(lái)的壓縮模量在數(shù)值上逐漸從細(xì)粒土量級(jí)過(guò)渡到堆石壩殼料量級(jí),前者在數(shù)值上一般不超過(guò)10 MPa量級(jí),后者多在102MPa量級(jí),如本工程的過(guò)渡料到堆石I區(qū)料的壓縮模量即在94～184 MPa之間。

表4 不同P5含量下的側(cè)限壓縮試驗(yàn)參數(shù)Table 4 Confined compression test parameters of soil with varying P5 content

根據(jù)壓縮參數(shù)隨P5含量的變化趨勢(shì),分別采用對(duì)數(shù)函數(shù)和指數(shù)函數(shù)對(duì)壓縮系數(shù)av0.1-0.2和壓縮模量Es0.1-0.2隨P5含量的變化關(guān)系進(jìn)行擬合,擬合關(guān)系式為:

av0.1-0.2=0.034lnP5+0.164 ;

(2)

Es0.1-0.2=12.611e0.024P5。

(3)

3 P5含量對(duì)礫石土強(qiáng)度特性的影響

對(duì)P5含量對(duì)礫石土強(qiáng)度特性的影響開(kāi)展了試驗(yàn)研究。采用大型三軸試驗(yàn)獲取礫石土料的抗剪強(qiáng)度及鄧肯-張模型參數(shù)。大型三軸試驗(yàn)試樣尺寸為Φ300 mm×600 mm,最大粒徑60 mm。本工程壩高達(dá)300 m級(jí),為考慮該高度下壩體內(nèi)部土體側(cè)向應(yīng)力對(duì)變形參數(shù)的影響,最大試驗(yàn)圍壓為3.0 MPa。仍然按擊實(shí)試驗(yàn)所采用的級(jí)配配制不同P5含量土料進(jìn)行試驗(yàn),采用擊實(shí)試驗(yàn)得到的最大干密度和最優(yōu)含水率進(jìn)行制樣。試驗(yàn)類型為固結(jié)排水剪切(CD)試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5、圖4。在固結(jié)排水剪切條件下,隨著P5含量增加,礫石土料的抗剪強(qiáng)度不斷增加。隨著P5含量從11.5%變化到80%,內(nèi)摩擦角φd值變化范圍為27.9°～39.2°,黏聚力Cd變化范圍為93.2～198.3 kPa。鄧肯-張模型參數(shù)K變化范圍為238～682,n值變化范圍為0.49～0.33。可見(jiàn),P5含量變化對(duì)土料的強(qiáng)度參數(shù)和變性參數(shù)有顯著影響。

圖4 強(qiáng)度參數(shù)和變形參數(shù)隨P5含量變化關(guān)系Fig.4 Variations of strength parameters and deformation parameters with P5 content

表5 不同P5含量下的強(qiáng)度及變形試驗(yàn)參數(shù)Table 5 Strength and deformation parameters of soil with varying P5 content

根據(jù)強(qiáng)度參數(shù)隨P5含量的變化趨勢(shì),采用線性函數(shù)關(guān)系對(duì)內(nèi)摩擦角φd、黏聚力Cd、K、n隨P5含量的變化關(guān)系進(jìn)行擬合,對(duì)內(nèi)摩擦角φd、Cd,擬合關(guān)系式為:

φd=0.144P5+27.6 ;

(4)

Cd=1.585P5+72.5 。

(5)

對(duì)變形參數(shù)K、n,擬合關(guān)系式為:

K=6.23P5+187 ;

(6)

n=-0.002P5+0.498 。

(7)

4 P5含量對(duì)礫石土滲透特性的影響

對(duì)P5含量對(duì)礫石土滲透特性的影響開(kāi)展了試驗(yàn)研究。采用大型滲透儀進(jìn)行試驗(yàn),試樣尺寸為Φ300 mm×300 mm,最大粒徑60 mm,仍然按擊實(shí)試驗(yàn)所采用的級(jí)配配制不同P5含量土料進(jìn)行試驗(yàn),采用擊實(shí)試驗(yàn)得到的最大干密度和最優(yōu)含水率進(jìn)行制樣。通過(guò)試驗(yàn)可獲得礫石土的滲透系數(shù)及臨界坡降、破壞坡降等參數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6、圖5。從試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn),隨著P5含量增加,礫石土滲透系數(shù)逐漸增大,同時(shí)其臨界坡降和破壞坡降逐漸降低。當(dāng)P5含量增加至70%時(shí),已經(jīng)不滿足規(guī)范(列出來(lái))對(duì)于心墻防滲土料滲透系數(shù)<1×10-5cm/s的防滲要求。當(dāng)P5含量增加至80%時(shí),土料的破壞形式從流土模式過(guò)渡到管涌模式,表明此時(shí)土體中存在大量空隙,土中結(jié)構(gòu)主要以礫石顆粒相互搭接為主,細(xì)粒料在水流作用下從空隙中被帶出流失。

圖5 滲透系數(shù)和滲透特征坡降隨P5含量變化關(guān)系Fig.5 Variations of permeability coefficient and characteristic hydraulic gradient with P5 content

根據(jù)滲透系數(shù)及特征坡降隨P5含量的變化趨勢(shì),采用二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系對(duì)滲透系數(shù)k、臨界坡降ic、破壞坡降if隨P5含量的變化關(guān)系進(jìn)行擬合,擬合關(guān)系式為:

k=1.53e0.03P5;

(8)

(9)

(10)

5 結(jié) 論

(1)隨著P5含量增加,土料的最大干密度增加,最優(yōu)含水率降低,符合一般礫石土料的擊實(shí)規(guī)律。根據(jù)擊實(shí)結(jié)果可以判斷,本工程礫石土料的第一含礫量特征值為37%,第二含礫量特征值為60%。

(2)一般而言,當(dāng)P5含量超過(guò)第二含礫量特征值時(shí),最大干密度會(huì)降低。但對(duì)本工程礫石土料,當(dāng)P5含量>60%時(shí),最大干密度并未立即降低,當(dāng)P5含量達(dá)到80%時(shí)最大干密度才開(kāi)始降低。經(jīng)過(guò)分析,最大干密度在P5含量在60%～75%之間持平,可能與擊實(shí)過(guò)程的顆粒破碎情況有關(guān),尚需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

(3)隨P5含量增加,土料的側(cè)限壓縮系數(shù)降低,壓縮模量提高,分別采用對(duì)數(shù)關(guān)系式和指數(shù)關(guān)系式能較好的擬合壓縮系數(shù)和壓縮模量隨P5含量的變化關(guān)系。

(4)隨著P5含量增加,土料的內(nèi)摩擦角和黏聚力都相應(yīng)增加,內(nèi)摩擦角和黏聚力與P5含量均呈現(xiàn)良好的線性變化關(guān)系。隨著P5含量增加,土料的變形參數(shù)K值增加,n值降低,表明土料抵抗變形的能力在增加,剛度增強(qiáng)。變形參數(shù)K值和n值均與P5含量呈現(xiàn)良好的線性變化關(guān)系。

(5)隨著P5含量增加,土料的滲透系數(shù)不斷增加,相應(yīng)的臨界迫降和破壞坡降不斷降低。當(dāng)P5含量超過(guò)70%后,滲透系數(shù)出現(xiàn)大幅增加,滲透破壞模式也由流土模式向管涌模式過(guò)渡。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)控制P5含量、從而控制施工質(zhì)量、保證防滲體滲透性能有一定的指導(dǎo)意義。