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(1.廣西壯族自治區(qū)水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，南寧 530023；2.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

軟巖填料是指采用爆破、開(kāi)采手段將軟巖巖體破碎而得到的石料。我國(guó)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》將飽和單軸抗壓強(qiáng)度<30 MPa 的巖石作為軟巖[1]。利用當(dāng)?shù)剀泿r作為壩料進(jìn)行堆石壩填筑，不僅能降低工程造價(jià)，加快建設(shè)，而且也免于處理廢料，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，具有重大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。隨著筑壩技術(shù)的發(fā)展，軟巖料筑壩的應(yīng)用也越來(lái)越多，目前國(guó)內(nèi)外利用軟巖料筑壩的工程有：1969年建成的美國(guó)Cabin Creek壩(高76 m)；1987年建成的印度尼西亞Cirata壩(髙125 m)；以及我國(guó)的天生橋一級(jí)、大坳、魚(yú)跳、水布埡大壩等[2]。

軟巖巖類多樣且變異性大，在開(kāi)采和施工過(guò)程中巖塊易于破碎，級(jí)配較難控制[3]。與硬巖相比，軟巖具有壓縮模量低、抗壓強(qiáng)度低、滲透性較差、濕化和流變特性明顯等特點(diǎn)。因其特殊的工程力學(xué)特性，壩體的應(yīng)力變形、滲透規(guī)律、壩體分區(qū)和壩料填筑要求等均與硬巖堆石壩存在明顯不同。因此， 為能夠?qū)④泿r料作為壩體的填料，需要對(duì)軟巖料進(jìn)行試驗(yàn)研究，全面了解軟巖料的工程性質(zhì)。以往軟巖筑壩的成功經(jīng)驗(yàn)雖然具有重要的指導(dǎo)意義，但仍存在一些關(guān)鍵問(wèn)題亟需開(kāi)展研究：①軟巖壩體初期變形量大，加之后期的蠕動(dòng)變形可能導(dǎo)致局部擠壓破壞、壩體沉陷、面板開(kāi)裂；軟巖強(qiáng)度低，分層碾壓后，施工層面易形成光滑面，造成層面結(jié)合不良，排水效果差；②軟巖筑壩填料的劣化問(wèn)題，其表現(xiàn)形式主要有壩體結(jié)構(gòu)遭受風(fēng)化、侵蝕性化學(xué)物質(zhì)的腐蝕、淡水溶蝕等，近年來(lái)在多處水電工程中均有發(fā)現(xiàn)[2-5]。

廣西某供水水庫(kù)屬珠江流域西江水系，是一座以灌溉、供水為主，兼顧發(fā)電等綜合利用的大(2)型水庫(kù)。攔河壩采用瀝青混凝土心墻堆石壩壩型，最大壩高為73.8 m，采用當(dāng)?shù)貜?qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖作為主要填料，屬軟巖。本研究以該軟巖填料為對(duì)象，通過(guò)填料劣化前后力學(xué)行為的對(duì)比研究，以及不同壓實(shí)度條件下該軟巖填料的劣化規(guī)律研究，進(jìn)一步掌握軟巖堆石料的工程特性，對(duì)揭示大壩應(yīng)力變形規(guī)律與指導(dǎo)工程實(shí)踐具有較大意義。

2 試驗(yàn)土料和試驗(yàn)方案

2.1 土料的物理力學(xué)特性

圖1 填料原始級(jí)配與試驗(yàn)級(jí)配曲線Fig.1 Particle size distribution curves of original and test materials

圖2 試驗(yàn)所用軟巖填料Fig.2 Soft rock filling material used for the test

新鮮爆破開(kāi)挖的強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖級(jí)配變動(dòng)范圍較小，可用平均級(jí)配來(lái)代表原始級(jí)配，如圖1所示。參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)[6]，室內(nèi)力學(xué)特性試驗(yàn)的試驗(yàn)級(jí)配采用相似級(jí)配法，再采用等量替代法，用60～5 mm粒組等量替代>60 mm粒組；劣化試驗(yàn)的試驗(yàn)級(jí)配通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)的級(jí)配進(jìn)行最大粒徑20 mm的等量替代法得到。劣化試驗(yàn)前后軟巖填料對(duì)比見(jiàn)圖1。

對(duì)該強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖(圖2)進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，得到強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖最大干密度為1.79 g/cm3，最優(yōu)含水率為13.5%。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究參考水工混凝土骨料耐久性試驗(yàn)工藝[7]，通過(guò)硫酸鈉溶液的干濕循環(huán)來(lái)模擬劣化對(duì)軟巖填料的粉化影響。針對(duì)未劣化與劣化后的填料，在50，100，150 kPa共3級(jí)有效圍壓下進(jìn)行測(cè)試，研究強(qiáng)度、變形的劣化特性，確定軟巖填料的壓實(shí)度控制指標(biāo)，并針對(duì)軟巖填料的非線性強(qiáng)度尤其是低應(yīng)力強(qiáng)度特性開(kāi)展試驗(yàn)研究。

三軸試驗(yàn)設(shè)備選擇SY100-25C型應(yīng)變式中型三軸儀。劣化前堆石料力學(xué)特性的測(cè)試采用常規(guī)飽和固結(jié)排水試驗(yàn)。針對(duì)劣化后的力學(xué)特性，通過(guò)硫酸鈉溶液的干濕循環(huán)來(lái)模擬風(fēng)化對(duì)軟巖填料的粉化影響，實(shí)現(xiàn)三軸應(yīng)力狀態(tài)下的劣化作用的室內(nèi)模擬，即：對(duì)試樣底部施加硫酸鈉溶液反壓，圍壓同步增長(zhǎng)，保持增加的圍壓大于反壓20 kPa，該過(guò)程稱為“硫酸鈉溶液飽和”；對(duì)試樣底部進(jìn)熱氣、頂部抽排氣，實(shí)現(xiàn)干循環(huán)。

參考混凝土骨料中的耐久性試驗(yàn)工藝，劣化試驗(yàn)方法如下：①按照確定的級(jí)配、設(shè)計(jì)密度或壓實(shí)度(本項(xiàng)目采用95%壓實(shí)度)、最優(yōu)含水率制備三軸試樣，試樣不進(jìn)行抽真空飽和；②將試樣安裝到三軸儀上，施加預(yù)設(shè)圍壓進(jìn)行各向等壓固結(jié)；③固結(jié)完成后，保持有效圍壓不變，采用硫酸鈉溶液對(duì)試樣進(jìn)行反壓飽和，環(huán)境溫度與溶液溫度控制在20～25 ℃范圍；④第1次循環(huán)，用硫酸鈉溶液飽和20 h，通氣4 h；第2—5次循環(huán)，用硫酸鈉溶液飽和4 h，通氣4 h；第6次循環(huán)，清水飽和4 h，通氣4 h；⑤6次濕干循環(huán)后，進(jìn)行固結(jié)排水剪切。

3 軟巖填料的力學(xué)特性分析

3.1 劣化前后對(duì)比研究

軟巖填料未劣化的中型三軸試驗(yàn)成果如圖3所示。偏應(yīng)力(σ1-σ3)隨軸向應(yīng)變?chǔ)?發(fā)展而逐漸增大，直至達(dá)到峰值；體積應(yīng)變?chǔ)舦隨軸向應(yīng)變?chǔ)?減小至趨于穩(wěn)定；應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為硬化型，發(fā)生剪縮。

圖3填料未劣化的應(yīng)力、變形規(guī)律

Fig.3Curvesofstressanddeformationofthesoftrockfillingmaterialbeforedegradation

軟巖填料劣化后的三軸試驗(yàn)成果如圖4所示，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系也為硬化型，發(fā)生剪縮，但其模量明顯低于劣化之前。

圖4填料劣化后的應(yīng)力、變形規(guī)律

Fig.4Curvesofstressanddeformationofthesoftrockfillingmaterialafterdegradation

以有效圍壓σ3=100 kPa為例，對(duì)壓實(shí)度95%的軟巖填料進(jìn)行了劣化前后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的對(duì)比，如圖5所示?？梢钥闯?一方面，劣化引起填料強(qiáng)度降低；另一方面，劣化作用引起體積應(yīng)變減小。這是因?yàn)榉磸?fù)的干濕循環(huán)導(dǎo)致軟巖填料顆粒破碎的同時(shí)，初始應(yīng)力的作用引起了密度的增大，故劣化后體積應(yīng)變減小。

圖5填料劣化前后應(yīng)力、變形規(guī)律對(duì)比(σ3=100kPa)

Fig.5Comparisonofstressanddeformationcurvesofthematerialbeforeandafterdegradation(σ3=100kPa)

劣化作用對(duì)模量的影響遠(yuǎn)大于對(duì)強(qiáng)度的影響；劣化引起的強(qiáng)度衰減率為10.1%～13.8%，平均值11.9%；變形模量衰減率為57.4%～66.4%，平均值60.8%。

對(duì)劣化前后填料的峰值強(qiáng)度進(jìn)行線性擬合，可得劣化前軟巖填料的內(nèi)摩擦角、黏聚力分別為30°，18.9 kPa；劣化后軟巖填料的內(nèi)摩擦角、黏聚力分別為28.4°，15.5 kPa?？梢?jiàn)，劣化后的內(nèi)摩擦角、黏聚力均有所減小。同時(shí)，劣化后，軸向加載過(guò)程中所發(fā)揮的偏應(yīng)力減小，所引起的體積應(yīng)變亦減小，這是因?yàn)榱踊痤w粒破碎，使得顆粒架構(gòu)間的孔隙進(jìn)一步充填，導(dǎo)致試樣密度增大。

3.2 不同壓實(shí)度下的對(duì)比研究

在有效圍壓100 kPa條件下，對(duì)壓實(shí)度92%，95%，100%的軟巖填料劣化后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(圖6)進(jìn)行比較分析。在不同的壓實(shí)度下，軟巖填料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均為硬化型，發(fā)生剪縮變形；壓實(shí)度越大，同一軸向應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力越大，相應(yīng)峰值越大，而同一軸向應(yīng)變對(duì)應(yīng)的體積應(yīng)變?cè)叫　?/p>

圖6不同壓實(shí)度填料劣化后的應(yīng)力、變形規(guī)律

Fig.6Curvesofstressanddeformationofthematerialatdifferentdegreesofcompaction

4 討 論

4.1 不同壓實(shí)度下破壞偏應(yīng)力、變形模量的歸一化分析

軟巖劣化后的歸一化破壞偏應(yīng)力、歸一化變形模量與壓實(shí)度關(guān)系如圖7所示?？梢?jiàn)，壓實(shí)度越大，破壞偏應(yīng)力(強(qiáng)度)越大；壓實(shí)度>96%，歸一化的破壞偏應(yīng)力略>0.9。壓實(shí)度越大，變形模量越大；壓實(shí)度>96%，歸一化的變形模量約為0.8。

圖7 歸一化破壞偏應(yīng)力、變形模量與壓實(shí)度的關(guān)系Fig.7 Relationships between normalized deviator stress,normalized deformation modulus and degree of compaction

按照以上分析，96%的壓實(shí)度對(duì)于軟巖填料而言較為合理，既保證了歸一化的強(qiáng)度達(dá)到0.9，歸一化的變形模量達(dá)到0.8，同時(shí)也確保了壓實(shí)機(jī)械的效率?？煽紤]采用該壓實(shí)度開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，以更好地指導(dǎo)工程施工。

4.2 軟巖料非線性強(qiáng)度分析

軟巖填筑料由于顆粒強(qiáng)度低容易發(fā)生破碎，與硬巖相比其強(qiáng)度非線性特性更加顯著，且在低圍壓下顆粒咬合或剪脹的程度較低，其強(qiáng)度行為表現(xiàn)為整體非線性，通過(guò)常規(guī)的線性段外延得到的強(qiáng)度往往偏大。就目前的總體測(cè)試條件而言，在低圍壓下(如<5 kPa)有效開(kāi)展粗粒料三軸試驗(yàn)較為困難。

參考《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》[7]的相關(guān)試驗(yàn)分析方法，將50 kPa垂直壓力與強(qiáng)度包線的交點(diǎn)向原點(diǎn)引出直線，該直線的傾角為堆石料在低應(yīng)力狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于約束壓力小的堆石料表層部分，取黏聚力為0，只有內(nèi)摩擦角的貢獻(xiàn)。

(a)測(cè)試過(guò)程 (b)俯視圖

圖8軟巖填料水下休止角試驗(yàn)

Fig.8Underwaterreposeangletestsonsoftrockfillingmaterials

基于休止角原理，利用壓實(shí)制備的試樣開(kāi)展水下休止角試驗(yàn)(圖8)，獲得低應(yīng)力條件下的強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)合中高應(yīng)力下的強(qiáng)度關(guān)系，建立軟巖填筑料的整體非線性強(qiáng)度指標(biāo)。將擊實(shí)樣水下休止角試驗(yàn)獲得的低應(yīng)力狀態(tài)下軟巖填料的強(qiáng)度與三軸試驗(yàn)獲得的中高應(yīng)力狀態(tài)下軟巖填料的強(qiáng)度繪制在一張圖中，可得軟巖填料的非線性強(qiáng)度，如圖9所示。軟巖填料在低應(yīng)力狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角取5次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)值，95%的軟巖填料的內(nèi)摩擦角為40.6°，黏聚力取0。

圖9軟巖非線性強(qiáng)度試驗(yàn)成果

Fig.9Testresultsonthenonlinearstrengthofthesoftrockfillingmaterial

由圖9可知，擊實(shí)樣休止角得到的強(qiáng)度線與三軸應(yīng)力圓得到的強(qiáng)度線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的垂直壓力約為75 kPa。用中高應(yīng)力狀態(tài)的強(qiáng)度參數(shù)來(lái)計(jì)算低應(yīng)力狀態(tài)的強(qiáng)度，這種做法是偏危險(xiǎn)的，無(wú)法正確評(píng)價(jià)堆石壩表層滑動(dòng)問(wèn)題，應(yīng)采用非線性強(qiáng)度來(lái)表示不同應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度包線。

5 結(jié) 論

(1)劣化作用引起體積應(yīng)變減小，這是因?yàn)榉磸?fù)的干濕循環(huán)導(dǎo)致軟巖填料顆粒破碎的同時(shí)，初始應(yīng)力的作用引起了密度的增大而導(dǎo)致。劣化作用對(duì)模量的影響遠(yuǎn)大于對(duì)強(qiáng)度的影響：劣化引起的強(qiáng)度平均衰減率為11.9%；變形模量平均衰減率為60.8%。

(2)對(duì)于軟巖填料劣化后的力學(xué)性質(zhì)，相比強(qiáng)度而言，增大壓實(shí)度對(duì)變形模量的提高更有效率。96%的壓實(shí)度對(duì)于軟巖填料而言較為合理，既保證了歸一化的強(qiáng)度>0.9，歸一化的變形模量>0.8，同時(shí)也確保了壓實(shí)機(jī)械的效率。可考慮采用該壓實(shí)度開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，以更好地指導(dǎo)工程施工。

(3)對(duì)于軟巖填料，可采用擊實(shí)樣水下休止角試驗(yàn)來(lái)獲得低應(yīng)力狀態(tài)下軟巖填料強(qiáng)度參數(shù)，用三軸試驗(yàn)來(lái)獲得的中高應(yīng)力狀態(tài)下軟巖填料的強(qiáng)度得到軟巖填料的非線性強(qiáng)度。

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