砂岩与卵石混合骨料胶凝材料坝现场变形直剪试验研究

彭 明 亮 ， 胡 人 炭 ， 杨 小 奇

(四川省水利水电勘测设计研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

胶凝砂砾石坝简称CSG坝，其筑坝材料采用价格低廉且低强度的胶凝砂砾石材料，胶凝砂砾石坝介于土石坝和混凝土坝之间，兼有两种坝型的优点。坝体防渗由上游防渗面板来承担。

胶凝砂砾石是具有一定强度的胶结材料，在水压力和其他荷载作用下，胶凝砂砾石坝主要依靠自重产生的抗滑力来满足稳定要求，抗滑稳定通常是控制性因素。抗滑稳定计算可参照重力坝的计算分析方法，坝基面抗滑稳定计算应采用抗剪断强度公式或抗剪强度公式，碾压层的抗滑稳定计算应采用抗剪断强度公式，抗滑稳定安全系数不小于我国重力坝设计规范规定的控制指标值[1]。胶凝砂砾石与基岩、垫层接触面以及层面的抗剪参数无大量实际工程的经验值可供参考，需要进行试验测定，并根据工程重要性合理选用设计值。

中国有关碾压混凝土的原位直剪试验采用的试验装置与《水利水电工程岩石试验规程》中岩石直剪试验相同[2]。《水工混凝土试验规程》中规定：每块试件剪切面积应不小于500 mm×500 mm，试件数量4～5块。国内许多工程结合工程实际材料，进行室内、原位和芯样抗剪断试验。

目前，针对胶凝砂砾石的层面原位抗剪试验，中国仅山西守口堡水库[3]大坝在建设期间进行了河卵石富浆胶凝砂砾石垫层与坝基岩石接触面、垫层与垫层面的抗剪断和纯摩试验，尚未开展胶凝砂砾石层面、胶凝砂砾石与混凝土接触面等抗剪试验以及胶凝砂砾石坝体的变形试验等。

受限于砂砾石骨料供应，为适应四川实情，充分利用当地建材筑坝，使这项筑坝技术更具有推广性，金鸡沟水库创造性地提出了胶凝砂砾石坝骨料中掺入50%中硬砂岩块石，即提出了胶凝砂砾块石坝概念，并付诸实施。同时，还进行了60%、70%掺量配比试验研究，开展了包括砂岩骨料不同掺量配比胶凝砂砾石层面、与富浆胶凝砂砾石和与C15常态混凝土接触面、胶结堆石4种类型胶凝砂砾块石坝变形特性和抗剪特性试验研究。

1 试验布置及方法

1.1 试验场地

根据业主方推荐，胶凝砂砾块石坝现场试验选定大坝左岸尖哨嘴平台作为试验研究场地。场地长23 m，宽12 m，按砂岩骨料掺量划分为4个条带，分6层碾压，层厚0.5 m，底层为找平层，2～4层为胶凝砂砾块石，直剪试验剪切面为5～6层界面，变形试验布置在第6层。工作量见表1。

表1 现场试验研究工作量表

1.2 原材料

试验用水泥为渠县华新水泥厂生产的P·O42.5R水泥；掺合料为渠县长远煤灰综合利用有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰；外加剂为北京新慧水利建筑工程有限公司的胶凝砂砾石专用外加剂CSGR-a1；粗骨料为外购的卵石+砂岩破碎块石；细骨料为卵石破碎砂。

1.3 配合比

本次试验结合生产实际采用包括砂岩骨料50%、60%、70%掺量C1808配合比，胶结堆石配合比，M15砂浆配合比及60%掺量富浆(7%加浆振捣胶凝砂砾石)配合比[4]，见表2。

表2 胶凝砂砾块石配合比

注：1.砂岩为中硬岩～较软岩；砂岩破碎骨料最大粒径为150 mm，全部为一次破碎骨料；2.胶结堆石采用胶凝砂砾石+堆石+胶凝砂砾石分层摊铺后再行碾压。胶凝砂砾石砂岩骨料掺量为50%

1.4 试验方法

变形试验和直剪试验均参照《水利水电工程岩石试验规程》SL264-2001。

变形试验采用圆形刚性承压板法，试验面积为2 000 cm2；垂向加荷，加压方式采用逐级一次循环法，试验最大压力1 MPa，等分5级施加，每级试验应力0.2 MPa。

直剪试验采用平推法，人工浸水饱和条件下进行剪切，包括抗剪断和抗剪试验。同时，对部分试件进行单点摩擦试验。根据本工程大坝应力，剪切面最大法向应力为1.0 MPa。

2 变形特性研究

变形特性研究包括砂岩骨料50%、60%、70%掺量和胶结堆石4种坝体，每种坝体布置变形试验3点，共12点，变形试验点布置于第6层胶凝砂砾块石碾压坝体顶面。

采用GSSI公司的SIR-3 000地质雷达，分别采用900 Hz、1 600 Hz天线对4个不同砂岩骨料掺量条带沿碾压长边，并对所有变形试验点进行雷达扫描；同时，采用试坑密度等方法对试验坝体性状进行检测。变形试验测试完成后，对试点切槽表层密实厚度、骨料粗粒集中面积占比(粒径大于5 cm粗骨料占切槽面积百分比)、充填情况等进行统计。

2.1 变形特性研究成果

(1)砂岩骨料50%、60%、70%掺量和胶结堆石4种坝体，共计12组变形试验，根据曲线类型确定变形值，逐级分段计算胶凝砂砾块石坝体变形模量和弹性模量，取算术平均值。变形试验成果汇总见表3。

表3 试验坝体变形试验成果汇总表

(2) 砂岩骨料50%、60%、70%掺量和胶凝堆石4种试验坝体压力P与变形W关系曲线均为下凹型，即表征随压力增高变形增量增大，模量逐渐减小的变形特征，典型曲线见图1；变形模量平均值分别为4 770、4 212、5 099和13 327 MPa，弹性模量平均值分别为9 558、8 110、11 034和23 277 MPa，变形模量或弹性模量在同一数量级，其分布见图3。

图1 压力P～变形W关系典型曲线

2.2 变形特性主要影响因素

胶凝砂砾块石坝变形模量或弹性模量受试验点部位压实密度、骨料均匀性分布、粗粒集中程度及占比、表层密实厚度等控制。

2.2.1 砂石骨料掺量比

雷达扫描和切槽描述揭示，砂岩骨料50%掺配，总体密实，局部粗粒相对集中，无明显欠密实区域；砂岩骨料60%掺配大粒径骨料较集中；砂岩骨料70%掺配靠近层间结合面处局部欠密实；胶结堆石无明显欠密实或孔洞情况。随着砂岩骨料掺量增加，胶凝砂砾块石表层均匀性变差，骨料粗粒集中现象越明显，整个试件骨料粗粒集中面积占比增加。骨料粗粒集中面积占比统计见表4和图2。

表4 骨料粗粒集中面积占比统计

注：骨料粗粒集中面积占比(粒径大于5 cm粗骨料占切槽面积百分比)

图2 骨料粗粒集中面积占比统计图

2.2.2 压实度是模量值大小控制因素

随着砂岩骨料掺量增加，压实密度(干密度)减小，均匀性变差，模量值总体减小。压实密度(干密度)与模量关系见图3。

图3 压实密度(干密度)与模量关系图

2.2.3 密实表层厚度对模量值的影响

变形试验采用刚性承压板法，试验影响深度为承压板径的1～1.5倍，密实表层厚度对模量值的影响就更加明显。试验后切槽统计，试验坝体密实表层厚度一般为15～35 cm，其下部较为疏松。密实表层厚度大，模量值大。胶结堆石表现得更为明显，试验结束后开槽揭示，胶结堆石坝体埋在胶凝砂砾石体300～500 mm之下，胶结堆石体堆石之间胶凝材料较少，黏结不牢，局部呈松散状态。其变形或弹性模量主要受控表层胶凝砂砾石体，而不是其下部的胶结堆石体。其变化关系见图4。

综上所述，砂岩骨料掺量加大模量要降低。模量降低的主要因素是坝体中砂岩骨料块集中，而胶凝材料减少，造成不密实，压实密度减小。除了控制施工质量，降低坝体填筑不均匀性外，控制砂岩骨料掺量和采用合适的配合比[5]也是提高模量值的有效措施。

3 抗剪特性研究

胶凝砂砾块石直剪试验层面均为施工冷缝，剪切墩尺寸为500 mm×500 mm×500 mm。分为层面、与富浆胶凝石接触面、与C15混凝土接触面、胶结堆石直剪4类。

3.1 抗剪特性的研究成果

直剪试验采用平推法，包括抗剪断和抗剪试验。同时，对部分试件进行单点摩擦试验。试验结束后，翻转试体，测量实际剪切面积。对剪切面破坏型式、擦痕分布、方向及长度，起伏差，碎屑物质的分布和性质等进行了描述。

资料整理：首先绘制不同类型各法向应力σ下的剪应力τ与剪切位移μs曲线。根据关系曲线确定各法向应力σ下的抗剪断峰值、残余强度、抗剪峰值及单点峰值强度，再绘制法向应力σ与其对应的抗剪断峰值及抗剪峰值关系曲线。按库伦表达式用最小二乘法拟合确定相应的抗剪强度参数。抗剪特性研究成果归纳如下：

(1)直剪试验包括砂岩骨料50%、60%、70%掺量胶凝砂砾块石填筑层面3组；砂岩骨料60%、70%掺量胶凝砂砾块石与C15混凝土接触面2组；砂岩骨料60%掺量胶凝砂砾块石与富浆胶凝砂砾块石接触面1组；以及砂岩骨料50%掺量胶凝砂砾块石与胶结堆石面1组，合计7组。直剪试验成果汇总见表5。

(2) 胶凝砂砾块石坝体层面或接触面直接试验剪切破坏面以混合破坏型为主，呈塑性～脆性破坏，抗剪断峰值强度均高出残余强度、抗剪强度和单点摩擦强度约10%～30%，见表6。典型抗剪断σ～τ～μs关系曲线见图5。

表5 直剪试验成果汇总表

(3)从趋势上看，随着砂岩骨料掺量增加，层面及接触面抗剪断强度逐渐减小，f’由1.1 MPa减小到0.99 MPa，c’由0.53 MPa减小到0.26 MPa，C值均不高。残余强度、抗剪强度或单点摩擦抗剪强度变化不明显。f=0.72～1.02 MPa，c=0.05～0.3 MPa。变化趋势图见图6。

3.2 抗剪特性主要影响因素

(1)不同掺配比例层面或接触面抗剪强度主要受试件下部胶凝砂砾石密实程度等性质控制。试件揭示，试验坝体表层上部厚度约10～25 cm，较密实，下部欠密实，有些部位甚至砂岩块骨料集中，缺乏胶凝材料，出现孔洞。特别是胶结堆石体。抗剪强度主要受试件下部胶凝砂砾石密实程度等性质控制，试件剪切破坏型式以混合型破坏为主，几种掺配比例坝体抗剪强度为同一数量级，C值均不高。典型试件切槽剖面见图7。

图5 典型抗剪断σ～τ～μs关系曲线

表6 与抗剪断强度比值关系表

注：表中数据为残余强度、抗剪、单点摩擦强度与抗剪断强度百分比值

图6 直剪试验成果汇总图

(2)砂岩骨料掺配比例及配合比是影响抗剪强度的又一重要因素。抗剪试件四侧面、剪切面骨料粗粒集中统计揭示，砂岩骨料掺配超过60%，骨料粗粒集中面积占比超过20%，且骨料粗粒集中部位，砂岩骨料以扁平或不规则状为主。砂岩骨料掺配量、骨料粒形及排列方式进一步影响胶凝体的抗剪强度，导致抗剪强度总体不高，尤其是C值。骨料粗粒集中面积占比统计见表4及图2。

4 结 语

通过不同砂岩骨料掺量胶凝砂砾块石坝体的变形试验研究，获得了变形模量及弹性模值，揭示了其变形特征。除了控制施工质量，降低坝体填筑不均匀性外，控制砂岩骨料掺量和采用合适的配合比也是提高模量值的有效措施。

通过胶凝砂砾块石层面、与C15混凝土接触面，与富浆胶凝砂砾石接触面以及与胶结堆石面等直剪试验，获得了抗剪断或抗剪强度以及揭示层面或接触面的剪切特征。受试件下部胶凝砂砾石密实程度等性质控制，试件剪切破坏型式以混合型破坏为主，几种掺配比例坝体抗剪强度为同一数量级，而C值均不高。

砂岩与卵石混合骨料胶凝材料坝现场变形和抗剪强度试验研究揭示：胶凝砂砾块石坝，尤其是砂岩与卵石混合骨料胶凝材料坝抗剪和变形指标能满足中低坝应力应变及稳定之需，可以推广使用。

图7 典型试件切槽剖面

为保证胶凝砂砾石块坝均匀密实，一是要加强施工质量的控制，保证坝体施工铺填均匀，碾压得密实；二是控制砂岩骨料掺量。因为人工破碎砂岩骨料基本呈块状，掺量再增大，不易搅拌均匀，不易摊铺均匀，坝体施工质量难以得到保证。砂岩骨料加工方式、最优掺量，以及施工工艺等方面还有待进一步试验研究。