滕州市截污導(dǎo)流工程橡膠壩壩基土體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究

郭慶華

山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，濟(jì)南 250013

劉文

山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，濟(jì)南 250013

滕州市截污導(dǎo)流工程位于山東省滕州市境內(nèi)，是南水北調(diào)東線第一期工程山東省截污導(dǎo)流工程的重要組成部分，包括城漷河、北沙河截污導(dǎo)流工程。工程主要內(nèi)容為建設(shè)城漷河、北沙河的梯級(jí)橡膠壩攔蓄中水，兩河共計(jì)新建、改建14座橡膠壩工程，攔蓄中水1506萬(wàn)m³。其中城漷河截污導(dǎo)流工程共改建、新建10座橡膠壩，設(shè)計(jì)總庫(kù)容為588.55萬(wàn)m³；北沙河截污導(dǎo)流工程共新建4座橡膠壩，設(shè)計(jì)總庫(kù)容為216.02萬(wàn)m³。目前，該工程已實(shí)施完畢并發(fā)揮效益，工程攔蓄功能及景觀效果良好。

滕州市截污導(dǎo)流工程橡膠壩工程具有建設(shè)數(shù)量多、分布范圍廣、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)。地質(zhì)工作中通過(guò)對(duì)滕州區(qū)域的第四系黏土、黏土夾姜石現(xiàn)場(chǎng)直接剪切試驗(yàn)研究，得出試驗(yàn)點(diǎn)黏性土的試驗(yàn)參數(shù)，為施工圖設(shè)計(jì)提供參數(shù)。

1 試驗(yàn)場(chǎng)地條件

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)踏勘，本次試驗(yàn)選取地質(zhì)條件復(fù)雜具有代表性的城漷河上楊崗橡膠壩、北沙河上趙坡橡膠壩2個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件，現(xiàn)場(chǎng)澆注混凝土與土體接觸面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)4組18件。

楊崗橡膠壩位于滕州市級(jí)索鎮(zhèn)前楊崗村南的城漷河上，設(shè)計(jì)底板底高程為41.20m；趙坡橡膠壩位于索鎮(zhèn)趙坡村西南向通往田橋村交通橋上游150m處的北沙河上，設(shè)計(jì)底板底高程為37.60m；最大擋水高度均為4.5m。壩址區(qū)地貌單元屬山前沖洪積平原，地形較為平坦、開(kāi)闊。勘探深度內(nèi)，壩基揭露地層自上而下依次有第四系全新統(tǒng)沖積洪積堆積（Q4al+pl）的壤土、黏土，第四系上更新統(tǒng)沖積洪積堆積（Q3al+pl）的黏土夾姜石、黏土、礫質(zhì)粗砂。壩基持力層為黏土夾姜石，褐黃色、褐黃夾淺蘭灰色條紋，可塑～硬塑，姜石含量10%～20%，φ0.5～4.0cm，見(jiàn)鐵錳結(jié)核及斑點(diǎn)，裂隙較發(fā)育。下臥層為礫質(zhì)粗砂，褐黃色，淺棕紅色，中密，顆粒不均勻，含礫約12%～18%，礫徑φ2.0～8.0mm，含土約5%～12%，局部膠結(jié)呈柱狀。

2 試樣與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)規(guī)范要求，每組土剪切試驗(yàn)不宜少于3個(gè)樣本點(diǎn)，剪切面積不宜小于0.3m²，高度不宜小于0.2m或?yàn)樽畲罅降?～8倍。現(xiàn)場(chǎng)直接剪切試驗(yàn)在橡膠壩翼墻位置進(jìn)行，開(kāi)挖至設(shè)計(jì)高程，澆注混凝土試件及反力墩。每組試驗(yàn)點(diǎn)澆注混凝土試件4件，另有1件備用。楊崗橡膠壩、趙坡橡膠壩分別澆注試件2組9件，合計(jì)4組18件，試件剪切面積為0.5m²。

現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)垂直壓力由反力平臺(tái)及重物提供，水平反力由澆注于試件后側(cè)的反力墩提供，采用油壓千斤頂施加，位移由精確到0.01mm的百分表測(cè)讀。

混凝土與地基土接觸面直剪試驗(yàn)采用平推直剪法，推動(dòng)方向與工程受力方向一致，在抗剪斷試驗(yàn)后，又進(jìn)行單點(diǎn)法抗剪（摩擦）試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)得出的各試樣的剪切荷載與剪切位移，得出不同試樣剪切應(yīng)力τ與剪切位移μ_s關(guān)系曲線。剪切應(yīng)力通過(guò)剪切荷載除以剪切面積A_s算得，按式（1）計(jì)算剪應(yīng)力。

式中：τ為剪應(yīng)力，kPa；F_s為剪切荷載，kN；A_s為剪切面積，m²。

繪制各試件試驗(yàn)τ—μ_s關(guān)系曲線，見(jiàn)圖1。各試驗(yàn)的τ—μ_s關(guān)系曲線特征正常，表現(xiàn)為塑性破壞。

3.2 抗壓強(qiáng)度—垂直應(yīng)力關(guān)系曲線

根據(jù)各場(chǎng)地試樣的剪切應(yīng)力τ與剪切位移μ_s關(guān)系曲線，取比例極限強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度分別繪制正應(yīng)力σ與剪應(yīng)力τ關(guān)系曲線。由每個(gè)試樣所施加的垂直荷載P，根據(jù)式（2）求得垂直正應(yīng)力σ。結(jié)果見(jiàn)表1。

式中：σ為正應(yīng)力，kPa。

由Mohr-Columb理論，剪切破壞面上的抗剪強(qiáng)度τ與其垂直法向正應(yīng)力σ關(guān)系如下：

τ=c+σtanφ

3.3 抗剪強(qiáng)度參數(shù)值

根據(jù)不同場(chǎng)地各試樣的抗剪強(qiáng)度τ與垂直正應(yīng)力σ，采用最小二乘法計(jì)算tanφ和c值。

計(jì)算得出各場(chǎng)地不能條件下tanφ和c值。

圖解法和最小二乘法綜合確定的各試驗(yàn)場(chǎng)地抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表2。

4 抗剪強(qiáng)度取值問(wèn)題研究與分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果選取接觸面抗剪強(qiáng)度地質(zhì)建議值時(shí)，應(yīng)考慮下述因素。

4.1 建基面開(kāi)挖平整度的影響

現(xiàn)場(chǎng)直接剪切試驗(yàn)建基面的凹凸起伏差異增大時(shí)，抗剪強(qiáng)度有增高的趨勢(shì)。橡膠壩接觸面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)是按照《水利水電巖石試驗(yàn)規(guī)程》（SL 264—2001）的規(guī)定進(jìn)行，試件澆注前，基巖面的起伏差為試件邊長(zhǎng)1%～2%（7～14mm）來(lái)控制，但由于姜石的影響，在實(shí)際起伏差略大于14mm，而壩基在施工時(shí)其凹凸程度較為容易控制，起伏較小。因此壩基提供的抗剪強(qiáng)度比試驗(yàn)值偏大。

4.2 壩基強(qiáng)度弱面

根據(jù)分析壩基強(qiáng)度弱面主要為土體與混凝土墊層接觸面，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混凝土-黏土夾姜石剪切破壞面發(fā)生的部位均位于黏土夾姜石中，楊崗橡膠壩9塊試件破裂面的下切深度多與姜石粒徑大小相關(guān)，一般3～5cm；趙坡橡膠壩9塊試件剪切面多呈中間深兩側(cè)淺的“凸”形，一般為試體下切5～15cm深度范圍不等。

4.3 抗剪強(qiáng)度參數(shù)的選用

通過(guò)試驗(yàn)，土的剪切破壞表現(xiàn)為典型的塑性破壞，可以確定比例極限強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度。《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487—2008）附錄E.0.4混凝土壩基礎(chǔ)與基巖間抗剪強(qiáng)度參數(shù)按殘余強(qiáng)度參數(shù)與比例極限強(qiáng)度參數(shù)兩者的小值作為標(biāo)準(zhǔn)值。《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）規(guī)定驗(yàn)算巖土體滑動(dòng)穩(wěn)定性，可以采用殘余強(qiáng)度的抗剪強(qiáng)度參數(shù)；因?yàn)樵诨瑒?dòng)面上破壞的發(fā)展是累進(jìn)的，發(fā)生峰值強(qiáng)度破壞后，破壞部分的強(qiáng)度降為殘余強(qiáng)度。因此本工程抗滑穩(wěn)定分析選用試驗(yàn)殘余強(qiáng)度。

綜合剪切面破壞形式、地基土特性等因素，抗剪強(qiáng)度參數(shù)采用地質(zhì)建議值采用殘余強(qiáng)度值0.65折，楊崗橡膠壩混凝土與黏土夾姜石現(xiàn)場(chǎng)直接剪切強(qiáng)度地質(zhì)建議值為0.30、趙坡橡膠壩混凝土與黏土現(xiàn)場(chǎng)直接剪切強(qiáng)度地質(zhì)建議值tanφ=0.31。

5 結(jié)論

（1）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最大限度地模擬了工程實(shí)際情況，試驗(yàn)破環(huán)機(jī)制反映了土體應(yīng)力分布規(guī)律，在確定試驗(yàn)指標(biāo)時(shí)考慮了工程實(shí)際運(yùn)行狀況，成果分析采用了圖解法和最小二乘法相互印證，得出試驗(yàn)指標(biāo)較好地反映了土體的實(shí)際力學(xué)特征。

（2）試驗(yàn)建議值用于工程設(shè)計(jì)和施工，節(jié)約了施工工期和資金，經(jīng)歷了多年高水位運(yùn)行的考驗(yàn)，運(yùn)行狀況良好。