趙賤清

（中南勘測設(shè)計(jì)研究院，湖南長沙410014）

0 前言

碾壓堆石體的壓縮模量能表征堆石體的壓實(shí)質(zhì)量并預(yù)測其變形大小。自1989年起，在龍灘水電站壩型比選時(shí)，中南勘測設(shè)計(jì)研究院為了研究堆石壩料的變形機(jī)制，在現(xiàn)場開展了碾壓堆石體壓縮試驗(yàn)和變形試驗(yàn)，其后，在水布埡、三板溪、潘口、溧陽、江坪河（監(jiān)理）開展了碾壓堆石體壓縮變形試驗(yàn)共70余點(diǎn)，試驗(yàn)料有軟巖、硬巖、超硬巖，涉及沉積巖（灰?guī)r、石英巖、泥巖）與變質(zhì)巖，最大應(yīng)力從3.5～5.05 MPa，積累了較豐富的資料。

1 堆石體的壓縮模量試驗(yàn)概況

目前，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)條件、單位財(cái)力、設(shè)備能力，壓縮模量試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅瘸咭话銥椋?/p>

D原型為原型級配最大粒徑（mm）；d試驗(yàn)為試驗(yàn)用料最大粒徑（mm）；R直徑為模量桶直徑（mm）。

堆石料最大粒徑一般為800 mm，故壓縮模量試驗(yàn)桶直徑一般為1300 mm左右，桶深一般為600～610 mm，d試驗(yàn)為200～300 mm。試驗(yàn)最大應(yīng)力根據(jù)壩高確定，加載設(shè)備最大出力目前為8000～10000 kN。

一般采用原型級配進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)需要選擇剔除法、等量替代法、相似級配法或混合法進(jìn)行縮尺處理，但縮尺后最大粒徑不應(yīng)小于原型級配最大粒徑的1/3。

由于要求試驗(yàn)設(shè)備有較大出力，故要求有較大的地錨或堆載提供足夠的反力，但往往由于條件限制，反力系統(tǒng)難以形成。一般在較完整的山體中開挖一個(gè)約10 m×6 m×4 m（長×寬×高）的試驗(yàn)洞，在洞底板內(nèi)安裝模量桶，由山體提供反力進(jìn)行試驗(yàn)。

在《碾壓堆石體壓縮模量試驗(yàn)規(guī)程》（送審稿）出版之前，采用的試驗(yàn)規(guī)程是土工壓縮試驗(yàn)規(guī)程與巖體變形試驗(yàn)規(guī)程的混合，即試驗(yàn)原理與成果計(jì)算依照土工壓縮試驗(yàn)規(guī)程，試驗(yàn)布置、試驗(yàn)程序與壓縮變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)遵循的是巖體變形試驗(yàn)的流程與標(biāo)準(zhǔn)。

壓縮試驗(yàn)直接量測各級應(yīng)力下桶內(nèi)堆石體的變形量，視堆石體母巖的力學(xué)特性、初始干密度、水環(huán)境、級配等影響程度，在試驗(yàn)的最大應(yīng)力下，累計(jì)變形為幾毫米到幾十毫米。為了便于橫向比較，人們引入了沉降變形率，一般簡稱“沉降率”，即某級應(yīng)力下的累計(jì)變形與堆石體的初始高度之比，以百分率表示。另一個(gè)直接量測得到的數(shù)據(jù)是試驗(yàn)后桶內(nèi)堆石的級配，通過計(jì)算可得到破碎率。通過壓縮系數(shù)、壓縮模量、體積模量計(jì)算式，可得到壓縮系數(shù)av、壓縮模量RS、體積壓縮系數(shù)mv。通過計(jì)算，還可以得到各級應(yīng)力末時(shí)的堆石干密度。

2 壓縮模量計(jì)算式中各參數(shù)對計(jì)算成果的影響

堆石體壓縮系數(shù)av及壓縮模量ES計(jì)算，采用土工壓縮試驗(yàn)規(guī)程的計(jì)算式：

在壓縮系數(shù)av、壓縮模量ES計(jì)算過程中，涉及GS（比重）、ρ0（試樣的初始密度）、∑△h（在某級應(yīng)力下試樣的總壓縮變形量）、h0（試樣的初始高度）與Pi（某級壓力）5個(gè)參數(shù)。壓縮系數(shù)av、壓縮模量ES是一次方計(jì)算式，但因子與結(jié)果變化的比例系數(shù)不是1，見表1。在GS（比重）、ρ0（試樣的初始密度）的正確取值范圍內(nèi)，無論取何值，壓縮模量ES不變。

表1 計(jì)算因子的變化率與av、ES變化率的關(guān)系Table 1:Relation between change rate of calculation factor and change rate of avand Es

3 堆石體壓縮變形特性

堆石體既不同于土體，也不同于巖體，故它的壓縮變形有其獨(dú)特的一面。

3.1 堆石體壓縮變形的速率

統(tǒng)計(jì)分析95個(gè)點(diǎn)級的變形首讀數(shù)得到：當(dāng)堆石母巖飽和抗壓強(qiáng)度大于100 MPa時(shí)，各級應(yīng)力下變形首讀數(shù)一般小于3.5 mm，平均值為2.97 mm；當(dāng)堆石母巖飽和抗壓強(qiáng)度在小于100 MPa時(shí)，各級應(yīng)力下變形首讀數(shù)一般為3～6 mm，最大為14 mm，平均值為4.24 mm。頻數(shù)分布見圖1。

圖1 首次變形讀數(shù)分布圖Fig.1 Distribution of first deformation reading

一般情況下，各級應(yīng)力下首次讀數(shù)的變形量占本級總變形量50%以上，堆石母巖的強(qiáng)度越低，所占比例越大，低應(yīng)力時(shí)甚至超過90%，當(dāng)應(yīng)力逐漸加大時(shí)，首次讀數(shù)的變形量占本級總變形量的比例逐漸降低，見表2。

表2 首次讀數(shù)變形占本級變形的百分?jǐn)?shù)Table 2:Percentage of deformation after fist reading

由于堆石料不存在孔隙水壓力，不存在滲透固結(jié)的問題，其壓縮變形是骨架壓縮及顆粒邊角破碎等引起的顆粒重新排列所致，因此壓縮變形速度較快。變形穩(wěn)定的時(shí)間既取決于堆石母巖的強(qiáng)度與水環(huán)境狀態(tài)，同時(shí)也受選定的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的影響。風(fēng)干狀態(tài)下，1～3 h內(nèi)變形穩(wěn)定，飽水狀態(tài)下2～4 h變形穩(wěn)定。圖2和圖3展示了堅(jiān)硬巖和硬巖的沉降變形速率。其實(shí)，隨著巖石強(qiáng)度的變化，堆石體壓縮變形的速率是有較大差異的，表2揭示了不同強(qiáng)度堆石在不同應(yīng)力下首次變形量與該級變形量的百分比。

3.2 堆石體壓縮變形的量級

干密度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的堆石體都具有較小的孔隙比，因而壓縮系數(shù)較低。分析已有現(xiàn)場壓縮試驗(yàn)資料，可得到如下資料，當(dāng)堆石母巖飽和抗壓強(qiáng)度大于100 MPa時(shí)，碾壓堆石體在3～5 MPa的壓應(yīng)力下，壓縮變形一般小于20 mm，壓縮變形率一般小于3%；當(dāng)堆石母巖飽和抗壓強(qiáng)度小于100 MPa時(shí)，壓縮變形一般為20～60 mm，壓縮變形率（∑△h/h0*100）一般為3%～11%（見圖4）。

圖2 堅(jiān)硬巖4 MPa時(shí)變形速率圖Fig.2 Deformation rate of hard rock under compressive stress of 4 MPa

圖3 硬巖2.8 MPa時(shí)沉降速率圖Fig.3 Settlement rate under compressive stress of 2.8 MPa

圖4 不同巖性的壓縮變形Fig.4 Compression deformation of different rocks

圖5顯示了水布埡茅口灰?guī)r變形試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)的變形結(jié)果。兩種試驗(yàn)的試驗(yàn)料、起始干密度、承壓板直徑（1300 mm）與穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)完全相同，變形試驗(yàn)的邊界條件也滿足，但由于試驗(yàn)的原理不一致，變形量相差較大：壓縮試驗(yàn)4 MPa時(shí)總變形量為14.59 mm，而變形試驗(yàn)4 MPa時(shí)總變形量為43.36 mm。說明壩體中不同部位堆石體的變形量相差懸殊。

3.3 堆石體壓縮時(shí)的回彈變形特性

抽水蓄能水庫大壩采用面板堆石壩型時(shí)，要考慮庫水位陡升陡降對面板與接縫的影響，要研究堆石體的變形特異性。做壓縮試驗(yàn)時(shí)，要做回彈變形試驗(yàn)。

圖5 茅口灰?guī)rρ0=2.15 MPa時(shí)壓縮、變形曲線Fig.5 Curves of compression and deformation of Maokou lime?stone withρ0=2.15 MPa

從表3可看出：（1）單軸飽和抗壓強(qiáng)度低的堆石的回彈比比單軸飽和抗壓強(qiáng)度高的堆石的回彈比?。唬?）在巖性相同時(shí)，初始干密度大的試點(diǎn)的回彈比略高。

從圖6和圖7可看出，單軸飽和抗壓強(qiáng)度高的堆石壓縮P-S曲線與堆石變形試驗(yàn)的P-W曲線較單軸飽和抗壓強(qiáng)度低的陡，單軸飽和抗壓強(qiáng)度低的堆石壓縮P-S曲線平緩。同時(shí)，無論堆石壓縮P-S曲線與堆石變形試驗(yàn)的P-W曲線，回彈線與再壓縮曲線形成回滯，即當(dāng)再壓縮到前級應(yīng)力時(shí)，其變形量大于前級穩(wěn)定時(shí)變形量。一般而言，應(yīng)力增大回滯量亦增大，其斜率隨堆石單軸飽和抗壓強(qiáng)度高低而變化。從兩個(gè)工程十多張P-S、P-W曲線圖中可見，原壓、回彈、再壓縮曲線是不同的，前級的回彈被后一級應(yīng)力下的塑性變形完全覆蓋，就是說堆石體的彈性變形不會(huì)疊加，這說明堆石體有較大的塑性變形，而彈性變形是很小的。

圖6 全過程P-S曲線圖Fig.6 Full-process P-S curve

圖7 水布埡灰?guī)r變形試驗(yàn)P-W曲線圖Fig.7 P-W curve in deformation test of Shuibuya limestone

表3 潘口各壓縮試驗(yàn)點(diǎn)各級應(yīng)力下的回彈變形Table 3:Rebound deformation of compression test points at Pankou under different levels of stresses

4 影響堆石體壓縮變形的因素

將堆石體壓縮變形試驗(yàn)資料齊全的69點(diǎn)成果進(jìn)行分類與綜合分析，影響堆石體壓縮變形的主要因素依次是：①堆石體母巖的力學(xué)特性，特別是飽和單軸抗壓強(qiáng)度與軟化系數(shù)；②堆石體起始干密度（孔隙率）；③堆石體級配；④堆石體的水環(huán)境；⑤堆石體的縮尺效應(yīng)；⑥應(yīng)力范圍等。

4.1 堆石體母巖的力學(xué)特性是影響堆石體壓縮變形的首要因素

將江坪河、三板溪、潘口33點(diǎn)壓縮變形沉降率曲線放到一張圖上比較，比較的基礎(chǔ)是：最大粒徑相同、水環(huán)境可比或相同，并已達(dá)到設(shè)計(jì)要求的密度。在相同應(yīng)力下，隨巖性的差異出現(xiàn)三個(gè)臺階見圖8。江坪河的堆石料母巖——冰磧礫巖的飽和抗壓強(qiáng)度為50.5～168 MPa，三板溪變余凝灰?guī)r的飽和抗壓強(qiáng)度為198～235 MPa，但都含有飽和抗壓強(qiáng)度為83.7MPa的強(qiáng)風(fēng)化料；潘口的變質(zhì)巖飽和抗壓強(qiáng)度為11.7～97.2 MPa；軟化系數(shù)更是相差懸殊。在最大粒徑相同、應(yīng)力、水環(huán)境可比或相同的基礎(chǔ)上再將孔隙率相同的各點(diǎn)進(jìn)行比較，這個(gè)結(jié)論依然成立，見圖9。

4.2 堆石體起始密度的影響

面板堆石壩的設(shè)計(jì)人員和試驗(yàn)工作者都知道堆石體的密度與其壓縮模量之間有直接關(guān)系，都希望建立堆石的干密度與變形或壓縮模量的關(guān)系曲線，用來判斷與預(yù)測壩體變形。反過頭來，在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)精心地將壩體分區(qū)與確定其相應(yīng)的干密度，確保面板與接縫止水的設(shè)計(jì)建立在可靠的基礎(chǔ)上，推進(jìn)即將到來的300 m級面板堆石壩的設(shè)計(jì)。

圖8 巖石強(qiáng)度的影響Fig.8 Influence of rock strength

圖10 飽水狀態(tài)相同孔隙率（20%）的各點(diǎn)沉降變形率圖Fig.10 Settlement deformation rate of saturated test points with same porosity(20%)

由于現(xiàn)場壓縮試驗(yàn)耗資太大，條件較差，要排除其它因素，單獨(dú)比選干密度與變形（壓縮系數(shù)、壓縮模量）的關(guān)系是比較困難的。在70余點(diǎn)現(xiàn)場壓縮試驗(yàn)中，單獨(dú)比選干密度與變形（壓縮系數(shù)、壓縮模量）的關(guān)系，一個(gè)系列有4個(gè)點(diǎn)的僅有水布埡，有3個(gè)點(diǎn)的有3個(gè)系列。但由于最多的也只有4個(gè)點(diǎn)，要建立相關(guān)關(guān)系式，還是有點(diǎn)勉強(qiáng)。

求得最大應(yīng)力下變形與起始干密度的關(guān)系式為：S=22.28+0.004724ρ0，求得最大應(yīng)力下（Pi-P1）壓縮模量與起始干密度的關(guān)系式為：ES=151.57-0.004724ρ0。

從表4和圖11可以看出，當(dāng)其它條件均相同時(shí)，堆石體干密度與其變形（壓縮系數(shù)、壓縮模量）有一一對應(yīng)的關(guān)系：干密度從2.1 g/cm3變化到2.18 g/cm3增加3.81%，累計(jì)變形降低20.77%～77.42%，壓縮模量從89.58 MPa增長到212.99 MPa，翻了一倍多。

圖11 茅口灰?guī)r不同ρ0的應(yīng)力-沉降率圖Fig.11 Graph of stress and settlement rate of Maokou lime?stone with different ρ0

4.3 堆石體最大粒徑的影響

2008年，利用潘口現(xiàn)場已經(jīng)做了硅質(zhì)巖原級配過渡料、縮尺堆石料壓縮試驗(yàn)的機(jī)會(huì)，增做了原級配墊層料現(xiàn)場壓縮試驗(yàn)。比選條件是，巖性、初始干密度、水狀態(tài)、應(yīng)力均相同，僅比選最大粒徑的差異。

從表5可看出，除了出現(xiàn)一個(gè)非正常數(shù)據(jù)外，其它數(shù)據(jù)呈一一對應(yīng)的關(guān)系，壓縮變形如此，壓縮模量亦如此。在相同應(yīng)力下，Dmax為100 mm的試驗(yàn)點(diǎn)的壓縮變形比Dmax為200 mm的試驗(yàn)點(diǎn)的壓縮變形大13%～32%，比Dmax為300 mm的試驗(yàn)點(diǎn)的壓縮變形大37%～45%。Dmax為300 mm試驗(yàn)點(diǎn)的壓縮模量比Dmax為200 mm的試驗(yàn)點(diǎn)的壓縮模量大18%～75%，比Dmax為100 mm的試驗(yàn)點(diǎn)的壓縮模量大33%～83%。

如果這是普遍規(guī)律的話，設(shè)計(jì)中可以在保證級配較好、密度較高的前提下,適當(dāng)將最大粒徑的尺寸加大，讓骨架作用得到充分的發(fā)揮，那面板壩的變形將變得更小，大壩面板與接縫將更加安全。

4.4 堆石體水狀態(tài)的影響

水對堆石體的壓縮變形有影響，這是公認(rèn)的，影響有多大，試驗(yàn)、檢驗(yàn)的資料不太多。所做的70余點(diǎn)能單獨(dú)比選（其它條件均相同）水的影響的對比試驗(yàn)點(diǎn)不到10組。圖12展示了飽和單軸抗壓強(qiáng)度為66.1 MPa的凝灰?guī)r的比選結(jié)果，在低應(yīng)力時(shí)兩者幾乎相等，2.16 MPa開始，差值越來越大，3.6 MPa時(shí)相差（19.56-11.49）/11.49×100=70.23%。

圖13中凝灰質(zhì)砂巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度高達(dá)196 MPa，盡管堆石料中含有低強(qiáng)度的強(qiáng)風(fēng)化料，水的影響仍十分清晰。在4 MPa的應(yīng)力下，室內(nèi)試驗(yàn)加水15%時(shí)，沉降變形率為0.96%，室內(nèi)試驗(yàn)飽水時(shí)，沉降變形率為1.18%；現(xiàn)場風(fēng)干狀態(tài)時(shí)，沉降變形率為2.46%，飽水狀態(tài)時(shí)，沉降變形率為3.18%。如果將現(xiàn)場風(fēng)干狀態(tài)時(shí)堆石料的壓縮變形率視為1，則飽水狀態(tài)時(shí)的壓縮變形率是現(xiàn)場風(fēng)干狀態(tài)時(shí)堆石料的壓縮變形率的1.48倍。該圖同時(shí)揭示了水狀態(tài)不同程度對壓縮變形的影響。

表4 堆石體起始干密度與壓縮變形的關(guān)系Table 4:Relation between initial dry density of filled rock and compression deformation

表9同樣說明了水對硬巖的影響程度，同時(shí)說明了起始干密度的影響大于級配的影響。Zd1、Zd2是按設(shè)計(jì)級配配制的試驗(yàn)料，Zd7～Zd10是按現(xiàn)場爆破料級配配制的試驗(yàn)料。在初始干密度相同時(shí)，飽水狀態(tài)與自然狀態(tài)的比值是相同的。

圖12 溧陽凝灰?guī)rρ0=2.12時(shí)不同水狀態(tài)壓縮變形圖Fig.12 Compression deformation of Liyang tuff withρ0=2.12 in different conditions

表5 潘口硅質(zhì)巖最大粒徑的影響Table 5:Influence of maximum grain size of Pankou siliceous rock

表6 潘口硅質(zhì)巖(弱～微風(fēng)化)飽水試驗(yàn)前后級配曲線（Dmax=300）Table 6:Gradation of Pankou siliceous rock with Dmax=300 before and after saturation test(weakly-weathered～slightly-weathered)

表7 潘口硅質(zhì)巖(弱～微風(fēng)化)飽水試驗(yàn)前后級配曲線（Dmax=200）Table 7:Gradation of Pankou siliceous rock with Dmax=200 before and after saturation test(weakly-weathered～slightly-weathered)

表8 潘口硅質(zhì)巖(弱～微風(fēng)化)飽水試驗(yàn)前后級配曲線（Dmax=100）Table 8:Gradation of Pankou siliceous rock with Dmax=100 before and after saturation test(weakly-weathered～slightly-weathered)

4.5 室內(nèi)壓縮變形與現(xiàn)場壓縮變形比較

圖13 三板溪凝灰質(zhì)砂巖ρ0=2.15時(shí)室內(nèi)外不同狀態(tài)應(yīng)力-沉降率圖Fig.13 Stress and settlement of Sanbanxi tuffaceous sand?stone withρ0=2.15 in different conditions

圖14展示了室內(nèi)與現(xiàn)場壓縮試驗(yàn)的成果，除試驗(yàn)條件有區(qū)別外，試驗(yàn)料與試驗(yàn)應(yīng)力均相同。室內(nèi)試驗(yàn)最大粒徑60 mm，現(xiàn)場壓縮試驗(yàn)的最大粒徑為200 mm，縮尺方法相同，最大試驗(yàn)應(yīng)力均為5 MPa。由于試驗(yàn)料的起始高度不一致，只能比較壓縮變形率。從圖中可看出，試驗(yàn)應(yīng)力＜2 MPa時(shí)，室內(nèi)與現(xiàn)場壓縮的壓縮變形率差值并不大，但隨后差值越來越大。當(dāng)應(yīng)力為5 MPa時(shí)，起始干密度為2.10 g/cm3的茅口灰?guī)r室內(nèi)試驗(yàn)壓縮變形率為2.67%，而現(xiàn)場試驗(yàn)的為5.83%，為室內(nèi)試驗(yàn)壓縮變形率的2.18倍；起始干密度為2.15 g/cm3的棲霞灰?guī)r室內(nèi)試驗(yàn)壓縮變形率為4.00%，而現(xiàn)場試驗(yàn)的為5.58%，為室內(nèi)試驗(yàn)壓縮變形率的1.40倍。

對于這種差異，都認(rèn)為這是尺寸效應(yīng)的影響。由于堆石料的顆粒形狀為多面體單粒結(jié)構(gòu)，顆粒之間通常為點(diǎn)接觸，顆粒較粗者更顯著，堆石的顆粒與試驗(yàn)承壓板的接觸形態(tài)也是影響堆石體壓縮變形的重要因素。在70余點(diǎn)現(xiàn)場壓縮變形試驗(yàn)中，最大應(yīng)力不過5.05 MPa，最軟弱的堆石料母巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度也有10 MPa，如果堆石的顆粒形狀方正，與試驗(yàn)承壓板的接觸形態(tài)疊加，且與承壓板全斷面接觸，不產(chǎn)生應(yīng)力集中，最軟弱的堆石料巖塊都不會(huì)產(chǎn)生破碎，單軸飽和抗壓強(qiáng)度達(dá)幾十、上百兆帕的硬巖更是如此。

室內(nèi)壓縮試驗(yàn)時(shí)，在振動(dòng)臺上，浮環(huán)式固結(jié)器連同試驗(yàn)料一同振動(dòng)到所需的干密度，細(xì)粒料上浮。現(xiàn)場用振動(dòng)碾或小型振動(dòng)機(jī)，填筑最大粒徑是室內(nèi)試驗(yàn)3倍的試驗(yàn)料，試驗(yàn)料與承壓板接觸程度比室內(nèi)試驗(yàn)自然要差。如果接觸面少于50%，對于接觸到的石塊來講，應(yīng)力不是5 MPa，可能是10 MPa、20 MPa甚至更高，應(yīng)力集中的機(jī)會(huì)與程度比室內(nèi)試驗(yàn)高，這就是92%的試驗(yàn)點(diǎn)最大變形并不出現(xiàn)在最大應(yīng)力下的原因（見圖15），也是在現(xiàn)場進(jìn)行斷層破碎帶的變形試驗(yàn)時(shí)，在同等應(yīng)力下尚有0.15～0.58 GPa的變形模量的原因——變形試件要求加工平整、鋪一層≯5 mm的高強(qiáng)度水泥漿后再鋪承壓板，保證試件與承壓板全斷面接觸。

表9 水狀態(tài)對硬巖（微～新鮮、冰磧礫巖）堆石體壓縮變形的影響Table 9:Influence of water condition to filled hard rock’s compression deformation

圖14 相同巖性與干密度時(shí)室內(nèi)與現(xiàn)場成果比較Fig.14 Comparison of indoor and outdoor test results of same rock and dry density

4.6 應(yīng)力大小與壓縮變形的關(guān)系

統(tǒng)計(jì)分析5個(gè)工程69點(diǎn)試驗(yàn)各級應(yīng)力下的變形，在試驗(yàn)應(yīng)力的范圍內(nèi)，看不出應(yīng)力的大小與各級變形有何線性關(guān)系，但可看出69點(diǎn)試驗(yàn)中，只有5點(diǎn)最大應(yīng)力下的變形大于以前各級應(yīng)力下的變形，占7.25%，其中三板溪、江坪河各2點(diǎn)。各級變形量體現(xiàn)的主要是巖性、密度、水狀態(tài)、級配的綜合關(guān)系與石料壓縮-破碎-壓縮的過程。例如圖15與圖16比較，在0.5～5 MPa范圍內(nèi)，冰磧礫巖單級應(yīng)力下最小變形出現(xiàn)在1 MPa，最大變形出現(xiàn)在2 MPa和4 MPa。而潘口的變質(zhì)巖，最小、最大變形更不規(guī)律。

圖15 69組試驗(yàn)各級應(yīng)力下的變形Fig.15 Deformation in 69 stress conditions

4.7 壓縮變形后堆石體的密度與其它成果

通過壓縮變形試驗(yàn)，得到了一個(gè)非常重要、直觀的數(shù)據(jù)——各級應(yīng)力下的壓縮變形。有了它，可以計(jì)算∑△h、沉降率、各級應(yīng)力末的干密度提升率和級末干密度，其中沉降率、各級應(yīng)力末干密度提升率的絕對值相等，符號相反。還可以計(jì)算壓縮系數(shù)av和用來預(yù)測面板變形與壩體位移量的重要參數(shù)——壓縮模量ES。表10就是三板溪工程8點(diǎn)現(xiàn)場壓縮試驗(yàn)的成果表，當(dāng)然，還可求得準(zhǔn)確的破碎率，這是碾壓試驗(yàn)難以準(zhǔn)確求得的數(shù)據(jù)。

圖16 江坪河冰磧礫巖各級應(yīng)力下的變形Fig.16 Deformation of Shapinghe moraine rock in different stress conditions

圖17 潘口變質(zhì)巖各級應(yīng)力下的變形Fig.17 Deformation of Pankou metamorphic rock in different stress conditions

5 堆石體壓縮系數(shù)與壓縮模量

目前，預(yù)測面板變形的參數(shù)之一是壓縮模量，而不是壓縮變形。而要計(jì)算壓縮模量首先得計(jì)算壓縮系數(shù)av。堆石體壓縮系數(shù)av的計(jì)算采用土工壓縮試驗(yàn)規(guī)程的計(jì)算式：

通過e0=GS/ρ0-1和ei=e0-（1+e0）*∑△h/h0及av=（ei-ei+1）（/Pi+1-P）i，可得到：

通過av=｛（1+e）0*（∑△hi+1-∑△h）i/h0｝（/Pi+1-P）i和ES=（1＋e0）/av，可得到：ES=（Pi+1-P）i*（∑△hi+1-∑△h）i)/h0?？吹皆撚?jì)算式，就不難理解GS、ρ0變化，壓縮系數(shù)av跟隨變化，而壓縮模量ES不變的道理了，也明白了壓縮模量的定義。

對于堆石體，初始孔隙比e0一般為0.1800～0.3000，數(shù)值上和巖體變形試驗(yàn)中的泊松比近似。

表10 三板溪壓縮變形試驗(yàn)成果表Table 10:Results of compression deformation test at Sanbanxi dam

表11 五個(gè)工程壓縮系數(shù)、壓縮模量統(tǒng)計(jì)表Table 11:Statistic of compression coefficient and compression modulus at 5 dams

統(tǒng)計(jì)5個(gè)工程70余點(diǎn)的壓縮系數(shù)與壓縮模量ES見表11。前后級應(yīng)力區(qū)間的壓縮系數(shù)av為0.0021～0.057213 MPa-1，381個(gè)av的平均值為0.010435 MPa-1；各級應(yīng)力到起始級（Pi－P0）的壓縮系數(shù)av為0.0021～0.05722 MPa-1，346個(gè)av的平均值為0.0103279 MPa-1。由于資料太少，不能劃分堆石料av的高、中、低數(shù)值區(qū)域。

從表11可看出，這5個(gè)工程堆石體的壓縮系數(shù)，無論P(yáng)i+1～Pi區(qū)間或是Pi～P首級區(qū)間，70%以上小于0.011 MPa-1，60%以上的壓縮模量為50～200 MPa之間，100～200 MPa的占45.95%，小于50 MPa的僅占5.2%，大于200 MPa的占31.8%。

第四節(jié)中，一一揭示分析了諸因素對壓縮變形的影響，在壓縮模量計(jì)算式ES=（Pi+1-P）i*（∑△hi+1-∑△h）i)/h0中，h0是定值，則諸因素對壓縮變形的影響也是對壓縮模量的影響，同樣存在一一對應(yīng)的關(guān)系。

6 結(jié)語

現(xiàn)場開展堆石體壓縮試驗(yàn)的主要目的是取得與原級配更近似的堆石體的變形特性指標(biāo)。

堆石體的壓縮變形速率，一般情況下，各級應(yīng)力下首次讀數(shù)的變形量占本級總變形量50%以上，堆石母巖的強(qiáng)度越低，所占比例越大，低應(yīng)力時(shí)甚至超過90%，當(dāng)應(yīng)力逐漸加大時(shí)，首次讀數(shù)的變形量占本級總變形量的比例逐漸降低。

關(guān)于堆石體的變形量級，分析已有現(xiàn)場壓縮試驗(yàn)資料可得到如下初步成果，當(dāng)堆石母巖飽和抗壓強(qiáng)度＞100 MPa時(shí)，碾壓堆石體在3～5 MPa壓應(yīng)力下，壓縮變形一般＜20 mm，壓縮變形率一般小于3%；當(dāng)堆石母巖飽和抗壓強(qiáng)度在＜100 MPa時(shí)，壓縮變形一般為20～60 mm，壓縮變形率（∑△h/h0×100%）一般為3%～11%。

根據(jù)堆石體壓縮變形69組試驗(yàn)資料的成果分類與綜合分析，影響堆石體壓縮變形的主要因素依次是：①堆石體母巖的力學(xué)特性，特別是飽和單軸抗壓強(qiáng)度與軟化系數(shù)，②堆石體起始干密度（孔隙率），③堆石體級配，④堆石體的水環(huán)境，⑤堆石體的縮尺效應(yīng)，⑥應(yīng)力范圍等。

統(tǒng)計(jì)水布埡等5個(gè)工程70余前后級應(yīng)力區(qū)間的壓縮系數(shù)av為0.0021～0.057213 MPa-1，381個(gè)av的平均值為0.010435 MPa-1；各級應(yīng)力到起始級（Pi-P0）的壓縮系數(shù)av為0.0021～0.05722 MPa-1，346個(gè)av的平均值為0.0103279 MPa-1。無論P(yáng)i+1～Pi區(qū)間或是Pi～P首級區(qū)間，70%以上小于0.011 MPa-1。60%以上的壓縮模量為50～200 MPa，100～200 MPa的占45.95%；＜50 MPa的僅占5.2%，＞200 MPa的占31.8%。■

[1]蔣國澄,傅志安,鳳家驥.混凝土面板壩工程[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社.1997.

[2]國家電力公司水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院,湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司.湖北清江水布埡高土石壩關(guān)鍵技術(shù)研究成果匯編[R].1999.

[3]中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院.超硬巖筑壩技術(shù)研究－超硬巖筑壩材料現(xiàn)場爆破與現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)研究[R].2006.

[4]中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院.江蘇省溧陽抽水蓄能電站上水庫面板堆石壩筑壩材料工程特性專題研究報(bào)告[R].2004.

[5]中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院.湖北省水江坪河水電站高混凝土面板堆石壩筑壩材料評價(jià)與應(yīng)用的研究[R].2005.

[6]中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院.湖北省堵河潘口水電站高混凝土面板堆石壩筑壩材料工程特性專題研究報(bào)告[R].2009.