某特高土石坝防渗砾石土料P5含量对其工程特性的影响试验研究

郑 星,杨文超,魏伟琼,敖大华,张 胜,徐永旺

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵阳 550081; 2.贵州省岩土力学与工程安全重点实验室,贵阳 550081)

0 引 言

随着西藏地区水电开发的深入,土石坝因对地基基础条件具有良好的适应性、能就地取材及充分利用建筑物开挖渣料、造价较低、水泥用量较少等优点,是坝工建设中非常有发展前景的坝型之一[1-2]。随着两河口、双江口等300 m级特高土石坝相继投入建设,我国现在已进入大规模特高土石坝建设阶段。对于高心墙堆石坝,由于坝高的增加,心墙土体将承受较大的应力,单纯采用黏性土作为心墙防渗土料将无法满足强度和压缩性的要求[3-4]。宽级配砾石土在自然界广泛分布,因其在压实后具有抗渗性能好、抗剪强度高、压缩变形低等特性,被认为是良好的特高土石坝防渗心墙填筑材料[4-6]。

天然赋存的宽级配具有级配分布不均的特点,而作为防渗土料的砾石土,其级配指标、特别是土中5 mm以上颗粒的含量(P5含量)显著影响砾石土的压实性能,从而对其强度、变形、渗透等特性影响巨大。为了研究P5含量对砾石土工程特性的影响,很多学者开展了研究工作。谢正明[7]、保华富等[8]、张东明等[9]研究了P5含量对砾石土击实特性的影响,得到了随着P5含量增加,最大干密度逐渐增加和最优含水率逐渐降低的结论,并且观察到了P5含量增加到一定值后最大干密度不再增加甚至降低的现象。P5含量对砾石土力学特性和渗透特性的影响研究较少,李忠洪[10]采用直剪试验方式研究了宽级配残坡积砾石土砾石含量对抗剪强度的影响,在P5含量在20%～45%范围内,随着P5含量增加,内摩擦角增加,黏聚力降低。

某300 m级特高土石坝防渗土料设计指标如下:最大粒径60 mm,P5含量在30%～50%之间,<0.075 mm含量≥15%,<0.005 mm颗粒含量≥6%。该工程防渗土料5 mm以上颗粒组成主要为细砂岩、砾岩风化碎砾石,为掌握P5含量对该工程土料工程特性影响,配制了P5含量为0%～80%区间范围内的土料,采用大型重型击实试验研究了P5含量对击实特性的影响,采用大型固结仪(直径500 mm)、大型三轴仪(直径300 mm)、大型渗透仪(直径300 mm)分别研究了P5含量对砾石土击实特性、压缩特性、强度特性、渗透特性的影响,并总结了影响规律,给出了影响趋势的拟合关系式,以供后续施工过程参考,对土料质量进行控制。

1 P5含量对砾石土击实特性的影响

在某特高土石坝防渗土料料场现场开展了不同P5含量的砾石土大型击实试验研究。大型击实仪击实筒直径为300 mm,高度为288 mm,击实功能为2 684.9 kJ/m3。击实试验所用的土料采用现场筛分的不同粒组颗粒进行配制,配制所依据的级配曲线来自料场土料剔除60 mm后的成品土料级配,从中选取不同P5含量的级配曲线作为试验级配,以保证级配在料场范围内的代表性。本次击实试验配制的P5含量范围从11.5%～80.0%,具体级配数据见表1,相应级配曲线见图1。

图1 不同P5含量土料击实试验颗粒级配曲线Fig.1 Grading curves of soil with varying P5 content for compaction test

不同P5含量大型击实试验结果见表2,表中给出了不同P5含量对应的砾石土料最大干密度与最优含水率。根据试验成果可以绘制P5含量同最大干密度关系曲线、P5含量同最优含水率关系曲线,见图2。从关系曲线图可见,P5含量从0%～60%范围内,随着P5含量增加,最大干密度不断增大,最优含水率不断降低,符合砾石土料的一般击实特性规律。P5含量在60%、70%、75%时,最大干密度基本维持

图2 不同P5含量土料击实试验成果Fig.2 Compaction test result of soil with varying P5 content

表2 不同P5含量土料击实试验成果Table 2 Compaction test result of soil with varying P5 content

最大值,进一步增加P5含量至80%,最大干密度才有所降低,而最优含水率则单调降低。

根据文献[8]的相关论述,当土中的细料被完全击实时,土体全料中细料的干密度可以通过下式计算,即

(1)

式中:ρs为细料干密度;ρd为全料干密度;Gs为颗粒相对密度。采用式(1),相应的细料干密度和压实度计算值见表3。

表3 不同P5含量土料击实试验细料密实度计算成果Table 3 Calculation results of compactness of fine soil for compaction test with varying P5 content

图3 侧限压缩参数随P5含量变化关系Fig.3 Variation of confined compression modulus with P5 content

2 P5含量对砾石土压缩特性的影响

采用大型固结仪对不同P5含量对砾石土压缩特性的影响开展了试验研究。大型压缩试验试样尺寸为Φ500 mm×300 mm,最大粒径60 mm。考虑到本工程坝高达300 m级,压缩试验的最大压力为3.2 MPa。仍然按击实试验所采用的级配配制不同P5含量土料进行试验,采用击实试验得到的最大干密度和最优含水率进行制样。

试验结果见表4、图3。随P5含量增加,砾石土料压缩系数逐渐减小,压缩模量逐渐增大,P5含量变化范围为11.5%～80%,压缩系数变化范围为0.081～0.015 MPa-1,压缩模量变化范围为15.5～88.3 MPa。可见,随P5含量增加,砾石土的压缩性能逐渐从细颗粒控制,过渡到主要由砾石控制,其表现出来的压缩模量在数值上逐渐从细粒土量级过渡到堆石坝壳料量级,前者在数值上一般不超过10 MPa量级,后者多在102MPa量级,如本工程的过渡料到堆石I区料的压缩模量即在94～184 MPa之间。

表4 不同P5含量下的侧限压缩试验参数Table 4 Confined compression test parameters of soil with varying P5 content

根据压缩参数随P5含量的变化趋势,分别采用对数函数和指数函数对压缩系数av0.1-0.2和压缩模量Es0.1-0.2随P5含量的变化关系进行拟合,拟合关系式为:

av0.1-0.2=0.034lnP5+0.164 ;

(2)

Es0.1-0.2=12.611e0.024P5。

(3)

3 P5含量对砾石土强度特性的影响

对P5含量对砾石土强度特性的影响开展了试验研究。采用大型三轴试验获取砾石土料的抗剪强度及邓肯-张模型参数。大型三轴试验试样尺寸为Φ300 mm×600 mm,最大粒径60 mm。本工程坝高达300 m级,为考虑该高度下坝体内部土体侧向应力对变形参数的影响,最大试验围压为3.0 MPa。仍然按击实试验所采用的级配配制不同P5含量土料进行试验,采用击实试验得到的最大干密度和最优含水率进行制样。试验类型为固结排水剪切(CD)试验。

试验结果见表5、图4。在固结排水剪切条件下,随着P5含量增加,砾石土料的抗剪强度不断增加。随着P5含量从11.5%变化到80%,内摩擦角φd值变化范围为27.9°～39.2°,黏聚力Cd变化范围为93.2～198.3 kPa。邓肯-张模型参数K变化范围为238～682,n值变化范围为0.49～0.33。可见,P5含量变化对土料的强度参数和变性参数有显著影响。

图4 强度参数和变形参数随P5含量变化关系Fig.4 Variations of strength parameters and deformation parameters with P5 content

表5 不同P5含量下的强度及变形试验参数Table 5 Strength and deformation parameters of soil with varying P5 content

根据强度参数随P5含量的变化趋势,采用线性函数关系对内摩擦角φd、黏聚力Cd、K、n随P5含量的变化关系进行拟合,对内摩擦角φd、Cd,拟合关系式为:

φd=0.144P5+27.6 ;

(4)

Cd=1.585P5+72.5 。

(5)

对变形参数K、n,拟合关系式为:

K=6.23P5+187 ;

(6)

n=-0.002P5+0.498 。

(7)

4 P5含量对砾石土渗透特性的影响

对P5含量对砾石土渗透特性的影响开展了试验研究。采用大型渗透仪进行试验,试样尺寸为Φ300 mm×300 mm,最大粒径60 mm,仍然按击实试验所采用的级配配制不同P5含量土料进行试验,采用击实试验得到的最大干密度和最优含水率进行制样。通过试验可获得砾石土的渗透系数及临界坡降、破坏坡降等参数。

试验结果见表6、图5。从试验结果可见,随着P5含量增加,砾石土渗透系数逐渐增大,同时其临界坡降和破坏坡降逐渐降低。当P5含量增加至70%时,已经不满足规范(列出来)对于心墙防渗土料渗透系数<1×10-5cm/s的防渗要求。当P5含量增加至80%时,土料的破坏形式从流土模式过渡到管涌模式,表明此时土体中存在大量空隙,土中结构主要以砾石颗粒相互搭接为主,细粒料在水流作用下从空隙中被带出流失。

图5 渗透系数和渗透特征坡降随P5含量变化关系Fig.5 Variations of permeability coefficient and characteristic hydraulic gradient with P5 content

根据渗透系数及特征坡降随P5含量的变化趋势,采用二次多项式函数关系对渗透系数k、临界坡降ic、破坏坡降if随P5含量的变化关系进行拟合,拟合关系式为:

k=1.53e0.03P5;

(8)

(9)

(10)

5 结 论

(1)随着P5含量增加,土料的最大干密度增加,最优含水率降低,符合一般砾石土料的击实规律。根据击实结果可以判断,本工程砾石土料的第一含砾量特征值为37%,第二含砾量特征值为60%。

(2)一般而言,当P5含量超过第二含砾量特征值时,最大干密度会降低。但对本工程砾石土料,当P5含量>60%时,最大干密度并未立即降低,当P5含量达到80%时最大干密度才开始降低。经过分析,最大干密度在P5含量在60%～75%之间持平,可能与击实过程的颗粒破碎情况有关,尚需要进一步试验研究。

(3)随P5含量增加,土料的侧限压缩系数降低,压缩模量提高,分别采用对数关系式和指数关系式能较好的拟合压缩系数和压缩模量随P5含量的变化关系。

(4)随着P5含量增加,土料的内摩擦角和黏聚力都相应增加,内摩擦角和黏聚力与P5含量均呈现良好的线性变化关系。随着P5含量增加,土料的变形参数K值增加,n值降低,表明土料抵抗变形的能力在增加,刚度增强。变形参数K值和n值均与P5含量呈现良好的线性变化关系。

(5)随着P5含量增加,土料的渗透系数不断增加,相应的临界迫降和破坏坡降不断降低。当P5含量超过70%后,渗透系数出现大幅增加,渗透破坏模式也由流土模式向管涌模式过渡。试验结果对于施工现场控制P5含量、从而控制施工质量、保证防渗体渗透性能有一定的指导意义。