灌漿凝結體強度參數(shù)的水—力耦合試驗研究及參數(shù)預測

楊昊天 王瑜鑫 王永翔

(中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

1 概述

丹巴水電站工程壩址區(qū)覆蓋層具有厚度大、結構及組成復雜、力學性質差等特點，對壩基處理總體方案為上部20 m采用回填石渣料并固結灌漿，這一層稱為回填層，下覆50 m(主要地層為崩坡積層，③-1層，③-2層)采用高壓旋噴灌漿。壩基加固處理后，其壩基加固材料的力學性能及閘壩的穩(wěn)定安全性是工程關心的核心問題。特別是在大壩長期運行過程中，壩基承受水壓力作用下其強度參數(shù)的弱化程度值得研究，可對工程加固措施的評價和優(yōu)化提供重要參考。

對現(xiàn)場取得的灌漿凝結體試樣進行應力—靜水壓力耦合試驗，并通過地質—力學分析、數(shù)理統(tǒng)計分析的方法定量揭示了凝結體的強度特性，并對大壩運行工況下壩基加固的灌漿凝結體強度參數(shù)做出了預測。

2 試驗方案及試驗儀器

為了確定加固壩基在不同圍壓、不同水壓作用下的強度參數(shù)，對現(xiàn)場采取的凝結體試樣進行了應力—水壓力耦合的三軸試驗，每個地層的試樣均進行4級水壓(0 MPa，0.4 MPa，0.8 MPa，1.2 MPa)，及每級水壓對應進行7級圍壓(2 MPa，3 MPa，4 MPa，5 MPa，6 MPa，7 MPa，8 MPa)下的三軸試驗。

本次試驗采用的儀器是美國產(chǎn)MTS815 Flex Test GT巖石力學試驗系統(tǒng)。試驗機具有地殼應力場、地下水滲流場、地溫溫度場、地震動力場多場耦合試驗功能，可測得試樣的圍壓、軸向偏應力、孔隙水壓、試樣兩端頭的孔隙水壓差及軸向變形、環(huán)向變形等參數(shù)。

3 成果分析

3.1 強度參數(shù)的圍壓效應

為了揭示抗剪參數(shù)與應力條件的關系，在試驗數(shù)據(jù)整理過程中，計算c,f值時以每相鄰的4個圍壓進行，所以7個圍壓可以分為4個級別，如圍壓2 MPa～5 MPa為第Ⅰ級別，以此類推。圍壓的范圍分級如表1所示。

表1 圍壓范圍分級 MPa

針對以上四個圍壓級別，對抗剪參數(shù)c，f值分別進行整理分析，取典型水壓下(0.4 MPa)每個地層的圍壓級別與c，f值的關系曲線，分析其結果和規(guī)律。

3.1.1 凝聚力c的圍壓效應

通過統(tǒng)計回填層、崩坡積層、③-1層、③-2層在各水壓下的不同級別圍壓的凝聚力c值，考察凝聚力c與圍壓的關系，c值與圍壓的關系曲線如圖1所示。

由各個地層在0.4 MPa水壓的計算結果可以看出，凝聚力c值有明顯的圍壓效應，線性擬合方程的斜率在15%～96%之間，即凝聚力c值在較低圍壓下計算結果小于在較高圍壓下的計算結果，這個現(xiàn)象從c值的物理意義來看可以解釋為，隨著試樣周圍圍壓的增大，使試樣被擠壓導致其內部物質分子之間的距離減小，從而使凝聚力增大。

3.1.2 摩擦系數(shù)f的圍壓效應

通過統(tǒng)計回填層、崩坡積層、③-1層、③-2層在各水壓下的不同級別圍壓的摩擦系數(shù)f的值，考察f與圍壓的關系，f與圍壓的關系曲線如圖2所示。

通過計算結果看出，f值與圍壓級別擬合線性關系的斜率較小，在-1%～-9%之間，說明雖然隨著圍壓級別的增大，f值表現(xiàn)為減小的趨勢，但f值的圍壓效應較不明顯。

對于以上討論強度的圍壓效應可以用非線性強度理論來解釋：莫爾圓的包絡線嚴格來說不是一條直線，而是一條曲線，該曲線的特點就是隨著應力水平的增大，包絡線的切線斜率逐漸減小，也就是說隨著應力水平的增大，包絡線切線在y軸的截距增大，而斜率減小，即c值增大，摩擦系數(shù)f減小。

3.2 強度參數(shù)的水壓效應

本次試驗在每級圍壓下設定了四級水壓：0 MPa(飽水狀態(tài))、0.4 MPa，0.8 MPa，1.2 MPa，試驗圍壓共有7級，在討論強度參數(shù)水壓效應時的c，f值是在7級圍壓下計算得到的，其結果和規(guī)律如下。

3.2.1 凝聚力c的水壓效應

各地層c—Pw的關系曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，各個地層的凝聚力c值都因水壓的增大而減小，并且凝聚力c值與壓力均呈現(xiàn)出較好的線性關系，相關系數(shù)的平方都達到了90%以上。其中回填層的c值在水壓為1.2 MPa時為0 MPa。

3.2.2 摩擦系數(shù)f的水壓效應

各地層f—Pw的關系曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，各個地層的摩擦系數(shù)f值隨水壓的變化規(guī)律并不一致，其中崩坡積層、③-1層和③-2層的f值隨著水壓的增大有減小的趨勢，但是減小的幅度很小，其擬合線性關系斜率在-2%～4%，線性趨勢線基本呈水平狀態(tài)，回填層的f值隨著水壓的增大有升高的趨勢，但增大幅度不是很大。綜合來看f值的水壓效應不甚明顯，在工程應用中可以忽略不計。

3.3 強度參數(shù)預測模型

3.3.1 凝聚力c值的預測

通過以上分析看出，凝聚力c值有明顯的圍壓效應、水壓效應，通過系列水—力耦合試驗得到相應凝聚力c值，則可以在水庫運行工況下強度參數(shù)c提出以下預測模型。

以水壓Pw為x軸，圍壓σ3為y軸，強度參數(shù)c為z軸，繪制了c—Pw—σ3的空間散點圖，并擬合一個空間曲面，擬合曲面精度較高，規(guī)律較好，滿足工程需要。各地層的c—Pw—σ3關系曲面圖如圖5～圖8所示。

從擬合的關系曲面中整理得到每個地層抗剪強度參數(shù)c值關于變量σ3，Pw的預測模型如表2所示。其中從R2(擬合方程的復相關系數(shù)的平方)的數(shù)值可以看出方程與試驗值擬合關系較好。

3.3.2 摩擦系數(shù)f值的預測

從上節(jié)的分析可以看出，各個地層的摩擦系數(shù)f值的圍壓效應、水壓效應均不甚明顯，所以認為在工程應用中摩擦系數(shù)f值的水壓效應和圍壓可以忽略不計。各地層f值的取值是由圍壓2 MPa～8 MPa的7級圍壓下計算得到，由于忽略水壓對f值的影響，所以可以把4級水壓力看成是4組平行試驗，即取4級水壓下f值的平均值作為工程建議值。各地層的f值如表3所示。

表2 強度參數(shù)c值預測模型 MPa

表3 強度參數(shù)f值預測模型

4 結語

回填層、崩坡積層、③-1層及③-2層灌漿凝結體的強度特性主要通過工程重點關注的抗剪強度參數(shù)c,f值表征，討論了各地層強度特性的圍壓效應和水壓效應，分析試驗結果主要得到以下幾點認識：

1)凝結體的強度特性有較為明顯的圍壓效應，其抗剪強度參數(shù)與試樣的應力條件有很大的關系：當試樣在較低圍壓級別下所計算得到的凝聚力c值較小，反之在較高圍壓級別下得到的凝聚力c值較大，摩擦系數(shù)f值受圍壓的影響不太明顯。

2)各地層的抗剪強度參數(shù)c具有明顯的水壓效應，其隨著水壓的增大而減小，并且有較好的線性關系；而水壓對抗剪強度參數(shù)f的影響很小，在工程應用中建議可以不考慮f值的水壓效應。

3)提出了試驗范圍內強度參數(shù)c值關于圍壓σ3和靜水壓力Pw兩個自變量的預測模型如表2所示，對參數(shù)f值的取值如表3所示；根據(jù)水—力耦合試驗所建立的預測模型，可計算得到各地層在其地應力、水壓力條件下的強度參數(shù)值，為工程設計提供參考。