楊紹平，楊鉆云，牟江天，李葉

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徐家槽料場天然筑壩材料抗剪強(qiáng)度尺寸效應(yīng)研究

楊紹平1，楊鉆云2，牟江天1，李葉3

（1. 四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 611231；2. 西華師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，四川 南充 637002；3. 四川省水利水電勘測設(shè)計研究，成都 611072）

有關(guān)粗粒土強(qiáng)度方面的研究，一直以來都得到了許多研究者的關(guān)注。在揭示強(qiáng)度特性、獲取強(qiáng)度指標(biāo)、強(qiáng)度影響因素與剪切機(jī)理等方面取得了較多的成果。然而，受現(xiàn)場試驗(yàn)所限，鮮有考慮顆粒結(jié)構(gòu)性對強(qiáng)度特性及強(qiáng)度尺寸效應(yīng)影響方面的研究。本文以徐家槽料場為例，對天然筑壩材料堆石料、過渡料、墊層料等粗顆粒土進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，通過分析粒徑大小、顆粒級配等指標(biāo)對粗粒土強(qiáng)度指標(biāo)的作用，進(jìn)而研究結(jié)構(gòu)特征對粗粒土抗剪強(qiáng)度特性的影響。

筑壩材料；粗粒土；顆粒結(jié)構(gòu)；抗剪強(qiáng)度

天然筑壩材料來源于地球表面的松散類物質(zhì)，廣泛分布各類于階地、平原和盆地等區(qū)域內(nèi)。該松散堆積物以粗顆粒為骨架，具有承載力大、抗變形能力強(qiáng)、抗剪強(qiáng)度高等良好的力學(xué)特性，因而在水利水電工程中常利用這類天然松散類物質(zhì)作為筑壩材料。然而，受粗顆粒骨架及骨架之間的孔隙或細(xì)粒充填物影響，天然筑壩材料結(jié)構(gòu)效應(yīng)和尺寸效應(yīng)顯著。其成因類型多、物質(zhì)組成復(fù)雜，基于細(xì)粒土建立的經(jīng)典土力學(xué)理論是否適用，是當(dāng)前學(xué)術(shù)界和工程界十分關(guān)注的問題和研究熱點(diǎn)。

隨著基礎(chǔ)建設(shè)的工程規(guī)模日益增大，如水電工程的土石壩壩高量級已達(dá)到300m，會遭受巨大的荷載，對作為壩基或壩體的粗粒土強(qiáng)度特性精確、可靠地描述提出了更高的要求。通過徐家槽料場天然筑壩材料堆石料、過渡料、墊層料等粗顆粒土抗剪強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試驗(yàn)，為評價庫區(qū)填筑壩體、填方邊坡等穩(wěn)定性提供依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

擬建水庫大壩采用砼面板堆石壩，最大壩高123.0m，壩頂寬12.0m，壩軸線全長373.0m。主要建筑包括擋水大壩、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電和供水建筑物等。徐家槽料場整體地貌為陡坡山脊，南側(cè)及東側(cè)均為棕溪溝主溝，溝內(nèi)常年有水；中部偏南側(cè)發(fā)育棕溪溝小支溝。臨溝側(cè)一般形成陡崖或陡坡地形，兩面臨空。陡崖下為緩坡或平臺地形，陡崖上為斜坡或平臺地形。后緣西側(cè)為條形山脊，局部為陡崖，溝槽發(fā)育。料場分布高程1 280～1 650m，屬荒坡及林地。料場在后緣山脊及前緣臨溝側(cè)為50～100m高的陡坡或陡崖，基巖裸露。

在陡崖腳、頂斜坡、平臺及溝槽一帶分布有第四系崩坡積（Q4）褐黃～褐灰色孤塊碎石夾粉質(zhì)粘土。山頂崩坡積層厚度3～19m不等；坡腳一般較厚，達(dá)20～30m。該地區(qū)主要分布元古界黃水河群，上震旦統(tǒng)，志留系茂縣群等。棕溪溝內(nèi)分布有第四系坡洪積（Q4）褐灰色、黑色孤塊碎石夾砂土層，厚度1～5m不等。以料場上部平臺后緩為界，后緣山脊出露基巖為上三疊統(tǒng)須家河組上段（T3xj），由灰色中～厚層巖屑石英砂巖、深灰色泥質(zhì)頁巖不等厚互層夾炭質(zhì)頁巖、砂質(zhì)頁巖組成。緩坡平臺及前緣陡崖出露基巖為須家河組中段（T3xj），由灰色中-厚層狀巖屑石英砂巖夾泥質(zhì)頁巖、砂質(zhì)頁巖及炭質(zhì)頁巖薄層或透鏡體組成。根據(jù)平硐、鉆孔和平面地質(zhì)測繪資料，料場區(qū)巖性組合從下到上共分為七層。

2 料場筑壩料級配控制

2.1 筑壩料試驗(yàn)研究試樣的配制

根據(jù)徐家槽料場地層出露情況、巖層統(tǒng)計、開采及分區(qū)用料要求等，經(jīng)與設(shè)計、地質(zhì)商定，試驗(yàn)選取了以下組合進(jìn)行了物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)（表1）。

表1 徐家槽料場筑壩料試樣配制

2.2 筑壩料試驗(yàn)級配

根據(jù)設(shè)計規(guī)范和已有工程經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)擬定級配控制要素為：取最大粒徑400、600、800mm，相應(yīng)控制小于5mm的百分含量分別為15%、10%、5%擬定堆石料上中下包線試驗(yàn)級配；取最大粒徑200、250、300mm，相應(yīng)控制小于5mm的百分含量分別為20%、15%、10%擬定過渡料上中下包線試驗(yàn)級配；取最大粒徑80、100、100mm，相應(yīng)控制小于5mm的百分含量為55%、45%、35%擬定墊層料上中下包線試驗(yàn)級配；大于5mm粒組部分按連續(xù)級配要求擬定，小于5mm粒組由室內(nèi)實(shí)際測定，且過渡料、堆石料小于0.075mm的百分含量不超過5%，墊層料小于0.075mm的百分含量為4%~8%（圖）。

受試驗(yàn)設(shè)備尺度限制，采用等量替代法，將大于60mm部分按比例等量替代到小于60mm部分，而保持小于5mm細(xì)料含量不變，調(diào)整確定試驗(yàn)替代級配，以最大限度地反映分區(qū)壩料工程性質(zhì)。

3 筑壩料抗剪強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試驗(yàn)

3.1 堆石料抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

徐家槽料場六種組合堆石料，按最大干密度乘以0.98作為控制干密度的條件下制樣進(jìn)行三軸試驗(yàn)，結(jié)果表明：⑥層砂巖∶頁巖=9∶1，混合堆石料，Ccd0.095~0.114MPa，Φcd37.1°~37.5°；Ccu0.101~0.118MPa，Φcu35.0°~35.9°。④層弱風(fēng)化砂巖和新鮮砂巖，Ccd0.152~0.189MPa，Φcd=37.5°~38.3°；Ccu0.172~0.202MPa，Φcu=35.4°~36.3°。②層弱風(fēng)化砂巖（夾煤線）和新鮮砂巖（夾頁巖），Ccd0.084~0.129MPa，Φcd=36.5°~38.2°；Ccu0.095~0.140MPa，Φcu34.7°~36.0°。其均具有較高抗剪強(qiáng)度。五種組合堆石料平均值Ccd0.131MPa，Φcd37.5°；Ccu0.143MPa，Φcu35.6°。小值平均值Ccd0.104MPa，Φcd37.1°，Ccu0.115MPa、Φcu35.2°；⑤層砂巖：頁巖=5∶5混合堆石料，Ccd0.087MPa、Φcd36.5°，Ccu0.112MPa、Φcu34.8°（表2）。

筑壩料試驗(yàn)級配曲線圖

（1-⑥層砂巖：頁巖=9:1堆石料級配曲線；2-②④⑥層砂巖：頁巖=9:1過渡料級配曲線；3-②④⑥層砂巖：頁巖=9:1墊層級配曲線）

綜上所述，六種組合堆石料試驗(yàn)成果，按上中下線級配壓實(shí)后，均具有較高抗剪強(qiáng)度。在相同<5mm粒徑含量條件下，砂頁巖按9∶1混合的抗剪強(qiáng)度較新鮮砂巖，略有減小，抗剪強(qiáng)度隨頁巖占比的增大而減小，當(dāng)砂頁巖按5∶5混合時抗剪強(qiáng)度最低。新鮮砂巖、弱風(fēng)化砂巖在相同<5mm粒徑含量條件下，壓實(shí)后，弱風(fēng)化砂巖的抗剪強(qiáng)度較新鮮砂巖差別不大。新鮮砂巖（夾頁巖）和弱風(fēng)化砂巖（夾煤線）壓實(shí)后，在相同<5mm粒徑含量條件下，弱風(fēng)化砂巖（夾煤線）的抗剪強(qiáng)度較新鮮砂巖（夾頁巖）略高，夾少量煤線對抗剪強(qiáng)度的影響比夾少量頁巖要小。⑤層砂巖∶頁巖=5∶5混合堆石料，其抗剪強(qiáng)度小于②④⑥層砂頁巖混合料抗剪強(qiáng)度小值平均值。

3.2 過渡料抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

徐家槽料場砂頁巖混合過渡料，按最大干密度乘以0.98作為控制干密度的條件下制樣進(jìn)行三軸試驗(yàn)，結(jié)果表明，砂巖∶頁巖=9∶1混合過渡料，Ccd0.155~0.163MPa、Φcd37.4~37.5°，Ccu0.147~0.171MPa、Φcu35.5°~35.7°，均具有較高抗剪強(qiáng)度（表3）。

表2 徐家槽料場砂巖堆石料抗剪強(qiáng)度

表3 徐家槽料場過渡料抗剪強(qiáng)度

3.3 墊層料抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

徐家槽料場砂頁巖混合墊層料，按最大干密度乘以0.98作為控制干密度的條件下制樣進(jìn)行三軸試驗(yàn)，結(jié)果表明，砂巖∶頁巖=9∶1混合墊層料，Ccd0.091~0.133MPa、Φcd37.0°~38.1°，Ccu0.126~0.156MPa、Φcu35.8°~36.3°，具有較高抗剪強(qiáng)度（表4）。

表4 徐家槽料場墊層料抗剪強(qiáng)度

4 結(jié)論與建議

通過對徐家槽料場的砂巖、砂頁巖混合筑壩料抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)等資料綜合分析，其結(jié)論及建議如下：

1）堆石料：按照料場出露地層比例，可用層②④⑥層中均含有5%~10%的頁巖夾層。砂頁巖混合堆石料中，當(dāng)頁巖比例小于10%，壓實(shí)前控制小于5mm含量小于10%，壓實(shí)后小于0.075mm含量不大于5%，均滿足堆石料自由排水、低壓縮性、較高抗剪強(qiáng)度的要求。

②④⑥層新鮮砂巖、新鮮砂巖（夾少量頁巖）、弱風(fēng)化砂巖和弱風(fēng)化砂巖（夾煤線）的堆石料，壓實(shí)前控制小于5mm含量不大于15%時，壓實(shí)后小于0.075mm含量不大于5%，均滿足堆石料自由排水、低壓縮性、較高抗剪強(qiáng)度的要求。

⑤層砂巖和頁巖按5∶5混合，僅當(dāng)壓實(shí)前小于5mm含量小于5%，壓實(shí)后小于0.075mm含量不大于5%，滿足堆石料自由排水要求，屬低壓縮性，具有一定抗剪強(qiáng)度。建議頁巖含量為15%~50%時，可用于面板堆石壩下游堆石區(qū)下游水位以上的干燥區(qū)。

2）過渡料：宜采用徐家槽料場新鮮砂巖，其中頁巖含量應(yīng)控制在10%以內(nèi)。壓實(shí)前控制小于5mm含量10%~15%，壓實(shí)后小于0.075mm含量不大于5%，滿足過渡料自由排水，低壓縮性，較高抗剪強(qiáng)度的要求。

3）墊層料：宜采用徐家槽料場新鮮砂巖，其中頁巖含量應(yīng)控制在10%以內(nèi)。壓實(shí)前控制小于5mm含量35%~45%，壓實(shí)后小于0.075mm含量為4%~8%，滿足墊層料透水性要求，與過渡層有良好的水力過渡且具有低壓縮性，較高抗剪強(qiáng)度。

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Research on the Size Effect on Shear Strength of Earth and Stone Materials from the Xujiacao Earth and Stone Field

YANG Shao-ping1YANG Zuan-yun2MOU Jiang-tian1LI Ye3

(1-Sichuan Vocational and Technical College of Water Resources, Chengdu 611231; 2-School of Environmental Science and Engineering, West China Normal University, Nanchong, Sichuan 637023; 3- Sichuan Design and Research Institute of Hydraulic and Hydroelectric Exploration, Chengdu 611702)

This paper has a discussion on shear strength test results of coarse grained soil of natural damming materials such as stony material, transition material and cushion material, and influence of structural characteristics of earth and stone material on shear strength of coarse grained soil by the example of earth and stone materials in the Xujiacao earth and stone field.

damming material; coarse grained soil; granular structure; shear strength

2018-10-10

四川省教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)科研項(xiàng)目(17ZA0334)

楊紹平（1963-），四川劍閣人，教授級高級工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等方面教學(xué)與科研工作

楊鉆云（1981-），男，博士，高級工程師，主要從事資源勘查與環(huán)境、環(huán)境地質(zhì)等方面的教學(xué)與科研工作

P642.1

A

1006-0995（2019）01-0123-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.01.029