软岩筑坝堆石料劣化特性研究

2018-03-17，，，，

长江科学院院报 2018年3期

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(1.广西壮族自治区水利电力勘测设计研究院，南宁 530023；2.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

软岩填料是指采用爆破、开采手段将软岩岩体破碎而得到的石料。我国《工程岩体分级标准》将饱和单轴抗压强度<30 MPa 的岩石作为软岩[1]。利用当地软岩作为坝料进行堆石坝填筑，不仅能降低工程造价，加快建设，而且也免于处理废料，保护生态环境，具有重大经济和社会效益。随着筑坝技术的发展，软岩料筑坝的应用也越来越多，目前国内外利用软岩料筑坝的工程有：1969年建成的美国Cabin Creek坝(高76 m)；1987年建成的印度尼西亚Cirata坝(髙125 m)；以及我国的天生桥一级、大坳、鱼跳、水布垭大坝等[2]。

软岩岩类多样且变异性大，在开采和施工过程中岩块易于破碎，级配较难控制[3]。与硬岩相比，软岩具有压缩模量低、抗压强度低、渗透性较差、湿化和流变特性明显等特点。因其特殊的工程力学特性，坝体的应力变形、渗透规律、坝体分区和坝料填筑要求等均与硬岩堆石坝存在明显不同。因此，为能够将软岩料作为坝体的填料，需要对软岩料进行试验研究，全面了解软岩料的工程性质。以往软岩筑坝的成功经验虽然具有重要的指导意义，但仍存在一些关键问题亟需开展研究：①软岩坝体初期变形量大，加之后期的蠕动变形可能导致局部挤压破坏、坝体沉陷、面板开裂；软岩强度低，分层碾压后，施工层面易形成光滑面，造成层面结合不良，排水效果差；②软岩筑坝填料的劣化问题，其表现形式主要有坝体结构遭受风化、侵蚀性化学物质的腐蚀、淡水溶蚀等，近年来在多处水电工程中均有发现[2-5]。

广西某供水水库属珠江流域西江水系，是一座以灌溉、供水为主，兼顾发电等综合利用的大(2)型水库。拦河坝采用沥青混凝土心墙堆石坝坝型，最大坝高为73.8 m，采用当地强风化粉砂质泥岩作为主要填料，属软岩。本研究以该软岩填料为对象，通过填料劣化前后力学行为的对比研究，以及不同压实度条件下该软岩填料的劣化规律研究，进一步掌握软岩堆石料的工程特性，对揭示大坝应力变形规律与指导工程实践具有较大意义。

2 试验土料和试验方案

2.1 土料的物理力学特性

图1 填料原始级配与试验级配曲线Fig.1 Particle size distribution curves of original and test materials

图2 试验所用软岩填料Fig.2 Soft rock filling material used for the test

新鲜爆破开挖的强风化粉砂质泥岩级配变动范围较小，可用平均级配来代表原始级配，如图1所示。参照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)[6]，室内力学特性试验的试验级配采用相似级配法，再采用等量替代法，用60～5 mm粒组等量替代>60 mm粒组；劣化试验的试验级配通过力学试验的级配进行最大粒径20 mm的等量替代法得到。劣化试验前后软岩填料对比见图1。

对该强风化粉砂质泥岩(图2)进行重型击实试验，得到强风化粉砂质泥岩最大干密度为1.79 g/cm3，最优含水率为13.5%。

2.2 试验设计

本研究参考水工混凝土骨料耐久性试验工艺[7]，通过硫酸钠溶液的干湿循环来模拟劣化对软岩填料的粉化影响。针对未劣化与劣化后的填料，在50，100，150 kPa共3级有效围压下进行测试，研究强度、变形的劣化特性，确定软岩填料的压实度控制指标，并针对软岩填料的非线性强度尤其是低应力强度特性开展试验研究。

三轴试验设备选择SY100-25C型应变式中型三轴仪。劣化前堆石料力学特性的测试采用常规饱和固结排水试验。针对劣化后的力学特性，通过硫酸钠溶液的干湿循环来模拟风化对软岩填料的粉化影响，实现三轴应力状态下的劣化作用的室内模拟，即：对试样底部施加硫酸钠溶液反压，围压同步增长，保持增加的围压大于反压20 kPa，该过程称为“硫酸钠溶液饱和”；对试样底部进热气、顶部抽排气，实现干循环。

参考混凝土骨料中的耐久性试验工艺，劣化试验方法如下：①按照确定的级配、设计密度或压实度(本项目采用95%压实度)、最优含水率制备三轴试样，试样不进行抽真空饱和；②将试样安装到三轴仪上，施加预设围压进行各向等压固结；③固结完成后，保持有效围压不变，采用硫酸钠溶液对试样进行反压饱和，环境温度与溶液温度控制在20～25 ℃范围；④第1次循环，用硫酸钠溶液饱和20 h，通气4 h；第2—5次循环，用硫酸钠溶液饱和4 h，通气4 h；第6次循环，清水饱和4 h，通气4 h；⑤6次湿干循环后，进行固结排水剪切。

3 软岩填料的力学特性分析

3.1 劣化前后对比研究

软岩填料未劣化的中型三轴试验成果如图3所示。偏应力(σ1-σ3)随轴向应变ε1发展而逐渐增大，直至达到峰值；体积应变εv随轴向应变ε1减小至趋于稳定；应力-应变关系为硬化型，发生剪缩。

图3填料未劣化的应力、变形规律

Fig.3Curvesofstressanddeformationofthesoftrockfillingmaterialbeforedegradation

软岩填料劣化后的三轴试验成果如图4所示，应力-应变关系也为硬化型，发生剪缩，但其模量明显低于劣化之前。

图4填料劣化后的应力、变形规律

Fig.4Curvesofstressanddeformationofthesoftrockfillingmaterialafterdegradation

以有效围压σ3=100 kPa为例，对压实度95%的软岩填料进行了劣化前后应力-应变关系曲线的对比，如图5所示。可以看出:一方面，劣化引起填料强度降低；另一方面，劣化作用引起体积应变减小。这是因为反复的干湿循环导致软岩填料颗粒破碎的同时，初始应力的作用引起了密度的增大，故劣化后体积应变减小。

图5填料劣化前后应力、变形规律对比(σ3=100kPa)

Fig.5Comparisonofstressanddeformationcurvesofthematerialbeforeandafterdegradation(σ3=100kPa)

劣化作用对模量的影响远大于对强度的影响；劣化引起的强度衰减率为10.1%～13.8%，平均值11.9%；变形模量衰减率为57.4%～66.4%，平均值60.8%。

对劣化前后填料的峰值强度进行线性拟合，可得劣化前软岩填料的内摩擦角、黏聚力分别为30°，18.9 kPa；劣化后软岩填料的内摩擦角、黏聚力分别为28.4°，15.5 kPa。可见，劣化后的内摩擦角、黏聚力均有所减小。同时，劣化后，轴向加载过程中所发挥的偏应力减小，所引起的体积应变亦减小，这是因为劣化引起颗粒破碎，使得颗粒架构间的孔隙进一步充填，导致试样密度增大。

3.2 不同压实度下的对比研究

在有效围压100 kPa条件下，对压实度92%，95%，100%的软岩填料劣化后的应力-应变关系(图6)进行比较分析。在不同的压实度下，软岩填料的应力-应变关系均为硬化型，发生剪缩变形；压实度越大，同一轴向应变对应的应力越大，相应峰值越大，而同一轴向应变对应的体积应变越小。

图6不同压实度填料劣化后的应力、变形规律

Fig.6Curvesofstressanddeformationofthematerialatdifferentdegreesofcompaction

4 讨论

4.1 不同压实度下破坏偏应力、变形模量的归一化分析

软岩劣化后的归一化破坏偏应力、归一化变形模量与压实度关系如图7所示。可见，压实度越大，破坏偏应力(强度)越大；压实度>96%，归一化的破坏偏应力略>0.9。压实度越大，变形模量越大；压实度>96%，归一化的变形模量约为0.8。

图7 归一化破坏偏应力、变形模量与压实度的关系Fig.7 Relationships between normalized deviator stress,normalized deformation modulus and degree of compaction

按照以上分析，96%的压实度对于软岩填料而言较为合理，既保证了归一化的强度达到0.9，归一化的变形模量达到0.8，同时也确保了压实机械的效率。可考虑采用该压实度开展现场碾压试验，以更好地指导工程施工。

4.2 软岩料非线性强度分析

软岩填筑料由于颗粒强度低容易发生破碎，与硬岩相比其强度非线性特性更加显著，且在低围压下颗粒咬合或剪胀的程度较低，其强度行为表现为整体非线性，通过常规的线性段外延得到的强度往往偏大。就目前的总体测试条件而言，在低围压下(如<5 kPa)有效开展粗粒料三轴试验较为困难。

参考《水工混凝土砂石骨料试验规程》[7]的相关试验分析方法，将50 kPa垂直压力与强度包线的交点向原点引出直线，该直线的倾角为堆石料在低应力状态下的内摩擦角。在实际应用中，对于约束压力小的堆石料表层部分，取黏聚力为0，只有内摩擦角的贡献。

(a)测试过程 (b)俯视图

图8软岩填料水下休止角试验

Fig.8Underwaterreposeangletestsonsoftrockfillingmaterials

基于休止角原理，利用压实制备的试样开展水下休止角试验(图8)，获得低应力条件下的强度参数，结合中高应力下的强度关系，建立软岩填筑料的整体非线性强度指标。将击实样水下休止角试验获得的低应力状态下软岩填料的强度与三轴试验获得的中高应力状态下软岩填料的强度绘制在一张图中，可得软岩填料的非线性强度，如图9所示。软岩填料在低应力状态下的内摩擦角取5次测量的标准值，95%的软岩填料的内摩擦角为40.6°，黏聚力取0。