胶结坝胶结砂砾石层面原位剪切试验研究

贾保振，贾金生，郑璀莹，李曙光，丁廉营

（中国水利水电科学研究院，流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038）

1 研究背景

在目前已有胶结砂砾石工程中，我国山西守口堡水库胶结砂砾石大坝在建设期间进行了河卵石富浆胶结砂砾石垫层与坝基岩石接触面、垫层层间的原位抗剪断和纯摩试验，探究了实际工程中胶结砂砾石坝抗剪特性，取得了一定的研究成果［1-2］；四川金鸡沟胶结坝开展了原位抗剪试验，进行了天然河卵石掺加不同比例砂岩后的抗剪性能研究，为红层地区胶结砂砾石抗剪提供了工程经验［3-4］。

西江胶结坝是我国首座采用公路弃料、风化料等当地材料建设的胶结坝，根据西江水库工程地质补勘后的成果，总的来看，坝区地质条件较差，原砼重力坝设计方案已不再适应实际地质条件；景区规划对工程建设的限制，无法就近找到合适的建筑材料开采地，特别是砼骨料和数量庞大的堆石料，导致原方案已不经济，甚至无法实施［5］。西江胶结坝充分利用工程弃渣料作为筑坝砂砾石料。有基坑开挖弃渣料和旅游公路弃渣料两料源。弱风化料和强风化料均作为筑坝材料。胶结砂砾石坝采用碾压工艺进行快速施工，碾压层间处理工艺、层间的抗滑（剪）参数、层间的抗滑稳定、抗渗安全成为大坝设计的关键［6-10］。

由于筑坝材料的抗剪强度等远低于混凝土，且并表现出较高的离散性，坝体碾压层间抗剪能力成为影响坝体稳定的关键因素，坝体的抗剪断能力评估是胶结砂砾石安全评估的重要方面。为研究风化料胶结坝抗滑稳定相关参数，并进一步明确风化料在新坝型中的应用特性，现场开展原位抗剪试验，并为类似工程提供参考。

2 工程概况

雷山县西江水库工程位于黔东南州雷山县西江镇境内，坝址距西江镇1.2 km，距雷山县城36 km，距凯里市城区44 km。

挡水建筑物为胶结砂砾石坝，坝顶高程900.5 m，最大坝高为49.5 m，坝顶宽6 m，坝轴线长198.5 m。西江胶结坝河床段标准剖面见图1。

图1 西江胶结坝河床段标准剖面图

3 胶结砂砾石原材料及配合比

原位抗剪试验胶结砂砾石配合比见表1。水泥为贵州凯里瑞安建材有限公司生产的P·O42.5水泥，粉煤灰为黔东电厂Ⅱ级粉煤灰，胶结砂砾石专用外加剂为北京新慧水利建筑有限公司生产。基坑开挖料为下江群乌叶组第二段（Pt3wy2）薄层、极薄层夹少量中厚层深灰、灰黑色千枚状绢云母板岩夹少量灰色变余粉-细砂岩，见照片1，外观如千层饼，破碎后多呈片状，绢云母含量较高，夜晚施工时明显可见金黄色绢云母，依据《水工混凝土施工规范》（SL677），该骨料不得作为混凝土建筑材料；强风化上带千枚状绢云母板岩能成块岩石饱和抗压强度2.6～6.4 MPa，弱风化至微风化板岩饱和抗压强度34.0～83.0 MPa；旅游公路弃料岩性为清水江组第二段（Pt3q2）灰色薄层至中厚层状变余层凝灰岩为主，夹变余砂岩及板岩，见照片2，岩体外观节理裂隙明显，原岩取芯率低，骨料成块性差，300mm边长以上大块石少见；强风化岩体节理裂隙较为发育，裂隙张开夹泥，隐节理发育，呈散体-碎裂结构，饱和抗压强度9～35 MPa，弱风化岩体带色泽新鲜，无夹泥现象，隐节理发育，呈碎裂结构，饱和抗压强度 55.0～60.0 MPa［5］。

表1 原位抗剪试验胶结砂砾石配合比

照片1 坝址区千枚状绢云母板岩

照片2 旅游公路弃料

4 胶结砂砾石层间原位抗剪试验

准确确定剪切面的位置和设计制作好锚地反力架，是碾压混凝土原位抗剪强度试验中常易被忽视的两个重要问题［11-12］，胶结砂砾石进行原位抗剪试验同样需要重视上述两个问题；本次试验地锚钢筋提供法向反力，水平推力反力由试验段开挖槽面（砂浆找平）提供。

4.1 试件制备

（1）胶结砂砾石施工。原位抗剪试验在生产性工艺试验段的最顶部一层（高程863.0～863.5 m）开展，本层与下层层间为冷缝，冷缝经高压水冲毛后，铺垫层砂浆（M18015）10～15 mm。胶结砂砾石采用JZL200B专用拌和设备拌和，拌和后经皮带机、溜管至自卸汽车，自卸汽车运输入仓，挖机平仓，振动碾碾压，碾压参数为静2+动8+静2，压实厚度50 cm。配合比B条带宽8 m，长22 m，配合比A条带宽8 m，长17 m。为模拟实际，原位抗剪试验与大坝施工养护技术要求相同，胶结砂砾石终凝后即开始保湿养护，养护时间不少于28天。至设计龄期180天，配合比B胶结砂砾石抗压强度11.0 MPa，配合比A胶结砂砾石抗压强度8.6 MPa。

（2）试件制作。共进行两组试验，一组为配合比B胶结砂砾石层间剪切，另一组为配合比A胶结砂砾石层间剪切，试验采用平推法，每组6块试件，其中1块试件备用。

先用切割机切割，后人工用电镐开凿，开凿完成后，推力面和试件顶面抹砂浆找平，推力面垂直于剪切面，试件顶面平行于剪切面。每块试件的剪切面积不小于500 mm×500 mm，试件间距约1500 mm。在剪切面周边留约10 mm宽的剪切缝。配合比A试件制备完成后见照片3。

4.2 试验设备安装 试验设备安装完成后的情况见照片4。

（1）法向荷载系统安装。先安装法向载荷系统：试件顶部铺石英砂后放上钢垫板，钢垫板用水平尺找平，在钢垫板上依次安装滚轴排、垫板、千斤顶、垫板、传立柱及顶部垫板，顶部垫板连接地锚钢筋。

（2）水平荷载系统安装。再安装水平载荷系统：依次由反力座、砂浆找平层、钢垫板、千斤顶、传力块和垫板组成；水平推力中心线平行剪切面，且与剪切面距离20 mm。

（3）位移测量系统安装。槽钢作为测量支架，安装在试件变形影响范围以外，支架上安装测量表架和百分表，对称安装4支水平位移测量百分表和4支法向位移测量百分表。

4.3 试验方法 试验依据《水工混凝土试验规程》（SL352）［13］，试验方法依据《水利水电工程岩石试验规程》（SL264）［14］。

本工程主体大坝最大法向应力小于0.8 MPa，本次试验取最大法向应力0.8 MPa，均分为5级：0.16 MPa、0.32 MPa、0.48 MPa、0.64 MPa、0.8 MPa。均分10级加载剪切荷载，当剪切位移增量为前级位移增量的1.5倍时，将级差减半，在试件剪断前不少于10组读数；剪切载荷施加采用时间控制，每隔5 min加载一级。

照片3 配合比A试件制备完成

照片4 法向载荷系统、水平载荷系统和测量系统安装完成后

5 试验结果及分析

剪切峰值强度作为试件破坏的标准。根据库仑公式τ=f′σ+c′，采用最小二乘法拟合求得抗剪断和抗剪参数。试验结果见表2，两组胶结砂砾石的层间抗剪断摩擦系数f′和黏聚力c′，经复核计算，大坝均是稳定的。配合比B抗剪断摩擦系数f′较大，黏聚力c′较小。

表2 胶结砂砾石层间原位抗剪试验结果

5.1 剪切面特征 由表3可知，B-4试件为层面剪断，剪切面见照片5，其余试件为本体和层面混合剪断，典型剪切面见照片6；A-1试件剪切面见照片7，剪切面本体约占80%，层面约占20%，剪切面骨料堆积，配合比A其余试件均为层面剪断，典型剪切面见照片8。配合比B试件剪切面的起伏差均不小于配合比A试件。

表3 胶结砂砾石层间原位抗剪试验数据

B1料为强风化料，呈散体-碎裂结构，而A1料为弱风化料，呈碎裂结构。从试件剪切面的特征来看，在抵抗剪应力时，配合比B胶结砂砾石为混合剪切面（层间薄弱结合面及试体底部B1料散体面）；配合比A胶结砂砾石为层面剪断（A-1试件剪切面骨料堆积，才会出现本体和层面混合剪断），受剪应力试体沿层面整体位移；剪断总是发生在最薄弱面。配合比B剪切面，因为B1料的散体结构，内摩擦角f′较大；抗剪断黏聚力c′较小。

照片5 B-4试件剪切面

照片6 B-1试件剪切面

照片7 A-1试件剪切面

照片8 A-2试件剪切面

5.2 剪应力与正应力关系曲线 配合比B胶结砂砾石层间剪切强度与正应力关系曲线见图2，可见抗剪断强度与正应力关系趋势线R2=0.9563，当趋势线的R2等于1或接近1时，其可靠性最高，反之则可靠性较低），抗剪强度与正应力关系趋势线R2=0.96。配合比A胶结砂砾石层间剪切强度与正应力关系曲线见图3，可见抗剪断强度与正应力关系趋势线R2=0.8162，可靠性偏低，原因在于A-1试件剪切面骨料堆积，A-6与A-5试件两级压应力的剪应力接近，本组胶结砂砾石抗剪断试验有一定的离散性；抗剪强度与正应力关系趋势线R2=0.9628。

图2 配合比B胶结砂砾石层间剪切强度与正应力关系曲线

图3 配合比A胶结砂砾石层间剪切强度与正应力关系曲线

5.3 剪应力与水平位移变化特性 配合比B胶结砂砾石层间抗剪断试验剪应力与水平位移关系曲线见图4，配合比A胶结砂砾石层间抗剪断试验剪应力与水平位移关系曲线见图5，由图4、图5可见，两组胶结砂砾石，每块试件均有明显的极限抗剪断荷载，大部分曲线在峰值以后下降段较平缓，原因在于胶结砂砾石最大骨料粒径在150 mm以上，骨料粒径范围大，层面不同位置骨料啮合差异大，试件剪断时，不是骤然同时破坏，而是破裂首先在薄弱部位发生，随后扩展到水泥石-集料界面以及强度较低的骨料中；一些质量较好的骨料不会被剪断，产生啮合顶托作用，故而形成这种曲线，造成剪切面的凹凸、倾斜和擦痕。剪切变形属于脆性材料特性。

图4 配合比B胶结砂砾石层间抗剪断剪应力与水平位移曲线

图5 配合比A胶结砂砾石层间抗剪断剪应力与水平位移曲线

6 结论

（1）配合比B胶结砂砾石抗剪断摩擦系数1.66，黏聚力0.23 MPa，抗剪摩擦系数1.00，黏聚力0.11 MPa；配合比A胶结砂砾石抗剪断摩擦系数1.09，黏聚力0.57 MPa，抗剪摩擦系数0.86，黏聚力0.19 MPa；两组胶结砂砾石层间抗剪断摩擦系数f′和黏聚力c′。经复核计算，大坝稳定性满足设计要求。

（2）剪断发生在最薄弱面，配合比A胶结砂砾石多为层面剪断；配合比B试件多为混合剪切面，配合比B剪切面源于B1料的散体结构，内摩擦角f′较大，抗剪断黏聚力c′较小。

（3）配合比B抗剪断试验剪应力与正应力关系趋势线R2=0.9563，抗剪试验剪应力与正应力关系趋势线R2=0.96。配合比A胶结砂砾石层间抗剪断试验剪应力与正应力关系趋势线R2=0.8162，可靠性偏低，有一定的离散性；抗剪试验剪应力与正应力关系趋势线R2=0.9628。

（4）两组胶结砂砾石，每块试件均有明显的极限抗剪断荷载，大部分曲线在峰值以后下降段较平缓，剪切变形属于脆性材料特性。