徐家槽料场天然筑坝材料抗剪强度尺寸效应研究

杨绍平，杨钻云，牟江天，李叶



徐家槽料场天然筑坝材料抗剪强度尺寸效应研究

杨绍平1，杨钻云2，牟江天1，李叶3

（1. 四川水利职业技术学院，成都 611231；2. 西华师范大学环境科学与工程学院，四川 南充 637002；3. 四川省水利水电勘测设计研究，成都 611072）

有关粗粒土强度方面的研究，一直以来都得到了许多研究者的关注。在揭示强度特性、获取强度指标、强度影响因素与剪切机理等方面取得了较多的成果。然而，受现场试验所限，鲜有考虑颗粒结构性对强度特性及强度尺寸效应影响方面的研究。本文以徐家槽料场为例，对天然筑坝材料堆石料、过渡料、垫层料等粗颗粒土进行抗剪强度试验，通过分析粒径大小、颗粒级配等指标对粗粒土强度指标的作用，进而研究结构特征对粗粒土抗剪强度特性的影响。

筑坝材料；粗粒土；颗粒结构；抗剪强度

天然筑坝材料来源于地球表面的松散类物质，广泛分布各类于阶地、平原和盆地等区域内。该松散堆积物以粗颗粒为骨架，具有承载力大、抗变形能力强、抗剪强度高等良好的力学特性，因而在水利水电工程中常利用这类天然松散类物质作为筑坝材料。然而，受粗颗粒骨架及骨架之间的孔隙或细粒充填物影响，天然筑坝材料结构效应和尺寸效应显著。其成因类型多、物质组成复杂，基于细粒土建立的经典土力学理论是否适用，是当前学术界和工程界十分关注的问题和研究热点。

随着基础建设的工程规模日益增大，如水电工程的土石坝坝高量级已达到300m，会遭受巨大的荷载，对作为坝基或坝体的粗粒土强度特性精确、可靠地描述提出了更高的要求。通过徐家槽料场天然筑坝材料堆石料、过渡料、垫层料等粗颗粒土抗剪强度尺寸效应试验，为评价库区填筑坝体、填方边坡等稳定性提供依据。

1 工程地质概况

拟建水库大坝采用砼面板堆石坝，最大坝高123.0m，坝顶宽12.0m，坝轴线全长373.0m。主要建筑包括挡水大坝、泄洪消能建筑物、引水发电和供水建筑物等。徐家槽料场整体地貌为陡坡山脊，南侧及东侧均为棕溪沟主沟，沟内常年有水；中部偏南侧发育棕溪沟小支沟。临沟侧一般形成陡崖或陡坡地形，两面临空。陡崖下为缓坡或平台地形，陡崖上为斜坡或平台地形。后缘西侧为条形山脊，局部为陡崖，沟槽发育。料场分布高程1 280～1 650m，属荒坡及林地。料场在后缘山脊及前缘临沟侧为50～100m高的陡坡或陡崖，基岩裸露。

在陡崖脚、顶斜坡、平台及沟槽一带分布有第四系崩坡积（Q4）褐黄～褐灰色孤块碎石夹粉质粘土。山顶崩坡积层厚度3～19m不等；坡脚一般较厚，达20～30m。该地区主要分布元古界黄水河群，上震旦统，志留系茂县群等。棕溪沟内分布有第四系坡洪积（Q4）褐灰色、黑色孤块碎石夹砂土层，厚度1～5m不等。以料场上部平台后缓为界，后缘山脊出露基岩为上三叠统须家河组上段（T3xj），由灰色中～厚层岩屑石英砂岩、深灰色泥质页岩不等厚互层夹炭质页岩、砂质页岩组成。缓坡平台及前缘陡崖出露基岩为须家河组中段（T3xj），由灰色中-厚层状岩屑石英砂岩夹泥质页岩、砂质页岩及炭质页岩薄层或透镜体组成。根据平硐、钻孔和平面地质测绘资料，料场区岩性组合从下到上共分为七层。

2 料场筑坝料级配控制

2.1 筑坝料试验研究试样的配制

根据徐家槽料场地层出露情况、岩层统计、开采及分区用料要求等，经与设计、地质商定，试验选取了以下组合进行了物理力学性质试验（表1）。

表1 徐家槽料场筑坝料试样配制

2.2 筑坝料试验级配

根据设计规范和已有工程经验，试验拟定级配控制要素为：取最大粒径400、600、800mm，相应控制小于5mm的百分含量分别为15%、10%、5%拟定堆石料上中下包线试验级配；取最大粒径200、250、300mm，相应控制小于5mm的百分含量分别为20%、15%、10%拟定过渡料上中下包线试验级配；取最大粒径80、100、100mm，相应控制小于5mm的百分含量为55%、45%、35%拟定垫层料上中下包线试验级配；大于5mm粒组部分按连续级配要求拟定，小于5mm粒组由室内实际测定，且过渡料、堆石料小于0.075mm的百分含量不超过5%，垫层料小于0.075mm的百分含量为4%~8%（图）。

受试验设备尺度限制，采用等量替代法，将大于60mm部分按比例等量替代到小于60mm部分，而保持小于5mm细料含量不变，调整确定试验替代级配，以最大限度地反映分区坝料工程性质。

3 筑坝料抗剪强度尺寸效应试验

3.1 堆石料抗剪强度试验

徐家槽料场六种组合堆石料，按最大干密度乘以0.98作为控制干密度的条件下制样进行三轴试验，结果表明：⑥层砂岩∶页岩=9∶1，混合堆石料，Ccd0.095~0.114MPa，Φcd37.1°~37.5°；Ccu0.101~0.118MPa，Φcu35.0°~35.9°。④层弱风化砂岩和新鲜砂岩，Ccd0.152~0.189MPa，Φcd=37.5°~38.3°；Ccu0.172~0.202MPa，Φcu=35.4°~36.3°。②层弱风化砂岩（夹煤线）和新鲜砂岩（夹页岩），Ccd0.084~0.129MPa，Φcd=36.5°~38.2°；Ccu0.095~0.140MPa，Φcu34.7°~36.0°。其均具有较高抗剪强度。五种组合堆石料平均值Ccd0.131MPa，Φcd37.5°；Ccu0.143MPa，Φcu35.6°。小值平均值Ccd0.104MPa，Φcd37.1°，Ccu0.115MPa、Φcu35.2°；⑤层砂岩：页岩=5∶5混合堆石料，Ccd0.087MPa、Φcd36.5°，Ccu0.112MPa、Φcu34.8°（表2）。

筑坝料试验级配曲线图

（1-⑥层砂岩：页岩=9:1堆石料级配曲线；2-②④⑥层砂岩：页岩=9:1过渡料级配曲线；3-②④⑥层砂岩：页岩=9:1垫层级配曲线）

综上所述，六种组合堆石料试验成果，按上中下线级配压实后，均具有较高抗剪强度。在相同<5mm粒径含量条件下，砂页岩按9∶1混合的抗剪强度较新鲜砂岩，略有减小，抗剪强度随页岩占比的增大而减小，当砂页岩按5∶5混合时抗剪强度最低。新鲜砂岩、弱风化砂岩在相同<5mm粒径含量条件下，压实后，弱风化砂岩的抗剪强度较新鲜砂岩差别不大。新鲜砂岩（夹页岩）和弱风化砂岩（夹煤线）压实后，在相同<5mm粒径含量条件下，弱风化砂岩（夹煤线）的抗剪强度较新鲜砂岩（夹页岩）略高，夹少量煤线对抗剪强度的影响比夹少量页岩要小。⑤层砂岩∶页岩=5∶5混合堆石料，其抗剪强度小于②④⑥层砂页岩混合料抗剪强度小值平均值。

3.2 过渡料抗剪强度试验

徐家槽料场砂页岩混合过渡料，按最大干密度乘以0.98作为控制干密度的条件下制样进行三轴试验，结果表明，砂岩∶页岩=9∶1混合过渡料，Ccd0.155~0.163MPa、Φcd37.4~37.5°，Ccu0.147~0.171MPa、Φcu35.5°~35.7°，均具有较高抗剪强度（表3）。

表2 徐家槽料场砂岩堆石料抗剪强度

表3 徐家槽料场过渡料抗剪强度

3.3 垫层料抗剪强度试验

徐家槽料场砂页岩混合垫层料，按最大干密度乘以0.98作为控制干密度的条件下制样进行三轴试验，结果表明，砂岩∶页岩=9∶1混合垫层料，Ccd0.091~0.133MPa、Φcd37.0°~38.1°，Ccu0.126~0.156MPa、Φcu35.8°~36.3°，具有较高抗剪强度（表4）。

表4 徐家槽料场垫层料抗剪强度

4 结论与建议

通过对徐家槽料场的砂岩、砂页岩混合筑坝料抗剪强度试验等资料综合分析，其结论及建议如下：

1）堆石料：按照料场出露地层比例，可用层②④⑥层中均含有5%~10%的页岩夹层。砂页岩混合堆石料中，当页岩比例小于10%，压实前控制小于5mm含量小于10%，压实后小于0.075mm含量不大于5%，均满足堆石料自由排水、低压缩性、较高抗剪强度的要求。

②④⑥层新鲜砂岩、新鲜砂岩（夹少量页岩）、弱风化砂岩和弱风化砂岩（夹煤线）的堆石料，压实前控制小于5mm含量不大于15%时，压实后小于0.075mm含量不大于5%，均满足堆石料自由排水、低压缩性、较高抗剪强度的要求。

⑤层砂岩和页岩按5∶5混合，仅当压实前小于5mm含量小于5%，压实后小于0.075mm含量不大于5%，满足堆石料自由排水要求，属低压缩性，具有一定抗剪强度。建议页岩含量为15%~50%时，可用于面板堆石坝下游堆石区下游水位以上的干燥区。

2）过渡料：宜采用徐家槽料场新鲜砂岩，其中页岩含量应控制在10%以内。压实前控制小于5mm含量10%~15%，压实后小于0.075mm含量不大于5%，满足过渡料自由排水，低压缩性，较高抗剪强度的要求。

3）垫层料：宜采用徐家槽料场新鲜砂岩，其中页岩含量应控制在10%以内。压实前控制小于5mm含量35%~45%，压实后小于0.075mm含量为4%~8%，满足垫层料透水性要求，与过渡层有良好的水力过渡且具有低压缩性，较高抗剪强度。

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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

四川省教育厅自然科学重点科研项目(17ZA0334)

杨绍平（1963-），四川剑阁人，教授级高级工程师，主要从事水文地质、工程地质、环境地质等方面教学与科研工作

杨钻云（1981-），男，博士，高级工程师，主要从事资源勘查与环境、环境地质等方面的教学与科研工作

P642.1

A

1006-0995（2019）01-0123-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.01.029