砂巖與卵石混合骨料膠凝材料壩現場變形直剪試驗研究

彭 明 亮 ， 胡 人 炭 ， 楊 小 奇

(四川省水利水電勘測設計研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

膠凝砂礫石壩簡稱CSG壩，其筑壩材料采用價格低廉且低強度的膠凝砂礫石材料，膠凝砂礫石壩介于土石壩和混凝土壩之間，兼有兩種壩型的優點。壩體防滲由上游防滲面板來承擔。

膠凝砂礫石是具有一定強度的膠結材料，在水壓力和其他荷載作用下，膠凝砂礫石壩主要依靠自重產生的抗滑力來滿足穩定要求，抗滑穩定通常是控制性因素。抗滑穩定計算可參照重力壩的計算分析方法，壩基面抗滑穩定計算應采用抗剪斷強度公式或抗剪強度公式，碾壓層的抗滑穩定計算應采用抗剪斷強度公式，抗滑穩定安全系數不小于我國重力壩設計規范規定的控制指標值[1]。膠凝砂礫石與基巖、墊層接觸面以及層面的抗剪參數無大量實際工程的經驗值可供參考，需要進行試驗測定，并根據工程重要性合理選用設計值。

中國有關碾壓混凝土的原位直剪試驗采用的試驗裝置與《水利水電工程巖石試驗規程》中巖石直剪試驗相同[2]。《水工混凝土試驗規程》中規定：每塊試件剪切面積應不小于500 mm×500 mm，試件數量4～5塊。國內許多工程結合工程實際材料，進行室內、原位和芯樣抗剪斷試驗。

目前，針對膠凝砂礫石的層面原位抗剪試驗，中國僅山西守口堡水庫[3]大壩在建設期間進行了河卵石富漿膠凝砂礫石墊層與壩基巖石接觸面、墊層與墊層面的抗剪斷和純摩試驗，尚未開展膠凝砂礫石層面、膠凝砂礫石與混凝土接觸面等抗剪試驗以及膠凝砂礫石壩體的變形試驗等。

受限于砂礫石骨料供應，為適應四川實情，充分利用當地建材筑壩，使這項筑壩技術更具有推廣性，金雞溝水庫創造性地提出了膠凝砂礫石壩骨料中摻入50%中硬砂巖塊石，即提出了膠凝砂礫塊石壩概念，并付諸實施。同時，還進行了60%、70%摻量配比試驗研究，開展了包括砂巖骨料不同摻量配比膠凝砂礫石層面、與富漿膠凝砂礫石和與C15常態混凝土接觸面、膠結堆石4種類型膠凝砂礫塊石壩變形特性和抗剪特性試驗研究。

1 試驗布置及方法

1.1 試驗場地

根據業主方推薦，膠凝砂礫塊石壩現場試驗選定大壩左岸尖哨嘴平臺作為試驗研究場地。場地長23 m，寬12 m，按砂巖骨料摻量劃分為4個條帶，分6層碾壓，層厚0.5 m，底層為找平層，2～4層為膠凝砂礫塊石，直剪試驗剪切面為5～6層界面，變形試驗布置在第6層。工作量見表1。

表1 現場試驗研究工作量表

1.2 原材料

試驗用水泥為渠縣華新水泥廠生產的P·O42.5R水泥；摻合料為渠縣長遠煤灰綜合利用有限公司生產的Ⅱ級粉煤灰；外加劑為北京新慧水利建筑工程有限公司的膠凝砂礫石專用外加劑CSGR-a1；粗骨料為外購的卵石+砂巖破碎塊石；細骨料為卵石破碎砂。

1.3 配合比

本次試驗結合生產實際采用包括砂巖骨料50%、60%、70%摻量C1808配合比，膠結堆石配合比，M15砂漿配合比及60%摻量富漿(7%加漿振搗膠凝砂礫石)配合比[4]，見表2。

表2 膠凝砂礫塊石配合比

注：1.砂巖為中硬巖～較軟巖；砂巖破碎骨料最大粒徑為150 mm，全部為一次破碎骨料；2.膠結堆石采用膠凝砂礫石+堆石+膠凝砂礫石分層攤鋪后再行碾壓。膠凝砂礫石砂巖骨料摻量為50%

1.4 試驗方法

變形試驗和直剪試驗均參照《水利水電工程巖石試驗規程》SL264-2001。

變形試驗采用圓形剛性承壓板法，試驗面積為2 000 cm2；垂向加荷，加壓方式采用逐級一次循環法，試驗最大壓力1 MPa，等分5級施加，每級試驗應力0.2 MPa。

直剪試驗采用平推法，人工浸水飽和條件下進行剪切，包括抗剪斷和抗剪試驗。同時，對部分試件進行單點摩擦試驗。根據本工程大壩應力，剪切面最大法向應力為1.0 MPa。

2 變形特性研究

變形特性研究包括砂巖骨料50%、60%、70%摻量和膠結堆石4種壩體，每種壩體布置變形試驗3點，共12點，變形試驗點布置于第6層膠凝砂礫塊石碾壓壩體頂面。

采用GSSI公司的SIR-3 000地質雷達，分別采用900 Hz、1 600 Hz天線對4個不同砂巖骨料摻量條帶沿碾壓長邊，并對所有變形試驗點進行雷達掃描；同時，采用試坑密度等方法對試驗壩體性狀進行檢測。變形試驗測試完成后，對試點切槽表層密實厚度、骨料粗粒集中面積占比(粒徑大于5 cm粗骨料占切槽面積百分比)、充填情況等進行統計。

2.1 變形特性研究成果

(1)砂巖骨料50%、60%、70%摻量和膠結堆石4種壩體，共計12組變形試驗，根據曲線類型確定變形值，逐級分段計算膠凝砂礫塊石壩體變形模量和彈性模量，取算術平均值。變形試驗成果匯總見表3。

表3 試驗壩體變形試驗成果匯總表

(2) 砂巖骨料50%、60%、70%摻量和膠凝堆石4種試驗壩體壓力P與變形W關系曲線均為下凹型，即表征隨壓力增高變形增量增大，模量逐漸減小的變形特征，典型曲線見圖1；變形模量平均值分別為4 770、4 212、5 099和13 327 MPa，彈性模量平均值分別為9 558、8 110、11 034和23 277 MPa，變形模量或彈性模量在同一數量級，其分布見圖3。

圖1 壓力P～變形W關系典型曲線

2.2 變形特性主要影響因素

膠凝砂礫塊石壩變形模量或彈性模量受試驗點部位壓實密度、骨料均勻性分布、粗粒集中程度及占比、表層密實厚度等控制。

2.2.1 砂石骨料摻量比

雷達掃描和切槽描述揭示，砂巖骨料50%摻配，總體密實，局部粗粒相對集中，無明顯欠密實區域；砂巖骨料60%摻配大粒徑骨料較集中；砂巖骨料70%摻配靠近層間結合面處局部欠密實；膠結堆石無明顯欠密實或孔洞情況。隨著砂巖骨料摻量增加，膠凝砂礫塊石表層均勻性變差，骨料粗粒集中現象越明顯，整個試件骨料粗粒集中面積占比增加。骨料粗粒集中面積占比統計見表4和圖2。

表4 骨料粗粒集中面積占比統計

注：骨料粗粒集中面積占比(粒徑大于5 cm粗骨料占切槽面積百分比)

圖2 骨料粗粒集中面積占比統計圖

2.2.2 壓實度是模量值大小控制因素

隨著砂巖骨料摻量增加，壓實密度(干密度)減小，均勻性變差，模量值總體減小。壓實密度(干密度)與模量關系見圖3。

圖3 壓實密度(干密度)與模量關系圖

2.2.3 密實表層厚度對模量值的影響

變形試驗采用剛性承壓板法，試驗影響深度為承壓板徑的1～1.5倍，密實表層厚度對模量值的影響就更加明顯。試驗后切槽統計，試驗壩體密實表層厚度一般為15～35 cm，其下部較為疏松。密實表層厚度大，模量值大。膠結堆石表現得更為明顯，試驗結束后開槽揭示，膠結堆石壩體埋在膠凝砂礫石體300～500 mm之下，膠結堆石體堆石之間膠凝材料較少，黏結不牢，局部呈松散狀態。其變形或彈性模量主要受控表層膠凝砂礫石體，而不是其下部的膠結堆石體。其變化關系見圖4。

綜上所述，砂巖骨料摻量加大模量要降低。模量降低的主要因素是壩體中砂巖骨料塊集中，而膠凝材料減少，造成不密實，壓實密度減小。除了控制施工質量，降低壩體填筑不均勻性外，控制砂巖骨料摻量和采用合適的配合比[5]也是提高模量值的有效措施。

3 抗剪特性研究

膠凝砂礫塊石直剪試驗層面均為施工冷縫，剪切墩尺寸為500 mm×500 mm×500 mm。分為層面、與富漿膠凝石接觸面、與C15混凝土接觸面、膠結堆石直剪4類。

3.1 抗剪特性的研究成果

直剪試驗采用平推法，包括抗剪斷和抗剪試驗。同時，對部分試件進行單點摩擦試驗。試驗結束后，翻轉試體，測量實際剪切面積。對剪切面破壞型式、擦痕分布、方向及長度，起伏差，碎屑物質的分布和性質等進行了描述。

資料整理：首先繪制不同類型各法向應力σ下的剪應力τ與剪切位移μs曲線。根據關系曲線確定各法向應力σ下的抗剪斷峰值、殘余強度、抗剪峰值及單點峰值強度，再繪制法向應力σ與其對應的抗剪斷峰值及抗剪峰值關系曲線。按庫倫表達式用最小二乘法擬合確定相應的抗剪強度參數。抗剪特性研究成果歸納如下：

(1)直剪試驗包括砂巖骨料50%、60%、70%摻量膠凝砂礫塊石填筑層面3組；砂巖骨料60%、70%摻量膠凝砂礫塊石與C15混凝土接觸面2組；砂巖骨料60%摻量膠凝砂礫塊石與富漿膠凝砂礫塊石接觸面1組；以及砂巖骨料50%摻量膠凝砂礫塊石與膠結堆石面1組，合計7組。直剪試驗成果匯總見表5。

(2) 膠凝砂礫塊石壩體層面或接觸面直接試驗剪切破壞面以混合破壞型為主，呈塑性～脆性破壞，抗剪斷峰值強度均高出殘余強度、抗剪強度和單點摩擦強度約10%～30%，見表6。典型抗剪斷σ～τ～μs關系曲線見圖5。

表5 直剪試驗成果匯總表

(3)從趨勢上看，隨著砂巖骨料摻量增加，層面及接觸面抗剪斷強度逐漸減小，f’由1.1 MPa減小到0.99 MPa，c’由0.53 MPa減小到0.26 MPa，C值均不高。殘余強度、抗剪強度或單點摩擦抗剪強度變化不明顯。f=0.72～1.02 MPa，c=0.05～0.3 MPa。變化趨勢圖見圖6。

3.2 抗剪特性主要影響因素

(1)不同摻配比例層面或接觸面抗剪強度主要受試件下部膠凝砂礫石密實程度等性質控制。試件揭示，試驗壩體表層上部厚度約10～25 cm，較密實，下部欠密實，有些部位甚至砂巖塊骨料集中，缺乏膠凝材料，出現孔洞。特別是膠結堆石體。抗剪強度主要受試件下部膠凝砂礫石密實程度等性質控制，試件剪切破壞型式以混合型破壞為主，幾種摻配比例壩體抗剪強度為同一數量級，C值均不高。典型試件切槽剖面見圖7。

圖5 典型抗剪斷σ～τ～μs關系曲線

表6 與抗剪斷強度比值關系表

注：表中數據為殘余強度、抗剪、單點摩擦強度與抗剪斷強度百分比值

圖6 直剪試驗成果匯總圖

(2)砂巖骨料摻配比例及配合比是影響抗剪強度的又一重要因素。抗剪試件四側面、剪切面骨料粗粒集中統計揭示，砂巖骨料摻配超過60%，骨料粗粒集中面積占比超過20%，且骨料粗粒集中部位，砂巖骨料以扁平或不規則狀為主。砂巖骨料摻配量、骨料粒形及排列方式進一步影響膠凝體的抗剪強度，導致抗剪強度總體不高，尤其是C值。骨料粗粒集中面積占比統計見表4及圖2。

4 結 語

通過不同砂巖骨料摻量膠凝砂礫塊石壩體的變形試驗研究，獲得了變形模量及彈性模值，揭示了其變形特征。除了控制施工質量，降低壩體填筑不均勻性外，控制砂巖骨料摻量和采用合適的配合比也是提高模量值的有效措施。

通過膠凝砂礫塊石層面、與C15混凝土接觸面，與富漿膠凝砂礫石接觸面以及與膠結堆石面等直剪試驗，獲得了抗剪斷或抗剪強度以及揭示層面或接觸面的剪切特征。受試件下部膠凝砂礫石密實程度等性質控制，試件剪切破壞型式以混合型破壞為主，幾種摻配比例壩體抗剪強度為同一數量級，而C值均不高。

砂巖與卵石混合骨料膠凝材料壩現場變形和抗剪強度試驗研究揭示：膠凝砂礫塊石壩，尤其是砂巖與卵石混合骨料膠凝材料壩抗剪和變形指標能滿足中低壩應力應變及穩定之需，可以推廣使用。

圖7 典型試件切槽剖面

為保證膠凝砂礫石塊壩均勻密實，一是要加強施工質量的控制，保證壩體施工鋪填均勻，碾壓得密實；二是控制砂巖骨料摻量。因為人工破碎砂巖骨料基本呈塊狀，摻量再增大，不易攪拌均勻，不易攤鋪均勻，壩體施工質量難以得到保證。砂巖骨料加工方式、最優摻量，以及施工工藝等方面還有待進一步試驗研究。