基于模型试验的河床砂砾石层基本特性

基于模型试验的河床砂砾石层基本特性研究摘要：对大渡河双江口水电站坝基河床砂砾石进行了非常规的大尺寸模型试验，研究河床砂砾石层的旁压模量和动探击数随密度、级配以及上覆压力的变化规律。根据室内模型试验结果，结合现场旁压试验及钻孔试验成果，推断了坝址区河床砂砾石相关层位的密度，并依此进行砂砾石室内力学试验，获得了设计所需参数。此方法可为类似工程中深厚覆盖层参数试验和研究提供参考。关键词：旁压模量旁压试验砂砾石模型试验中图分类号：TU443文献标识码：A1前言近来，我国在金沙江、雅砻江、雅鲁藏布江、大渡河、乌江等河流上修建水电工程，经常遇到深厚覆盖层问题，层厚多达几十米到几百米。冶勒、小浪底、瀑布沟等水电站均已建成在深厚覆盖层上，我国在深厚覆盖层上建坝技术已进入国际先进行列，但如何经济可靠地确定深厚覆盖层的基本特性参数仍需进行研究。河滩浅层砂砾石可采用挖坑确定级配和密度，进而可采用一般方法确定砂砾石力学和渗透特性。但水下深层砂砾石颗粒粗大，且取样困难，目前只能采用钻孔取样方法粗略确定级配，难以确定密度，所以其力学和渗透特性目前仍没有可行的确定方法。旁压和动探等原位测试技术是在深厚覆盖层中应用较多的勘探手段，但这两种原位测试手段均无法直接测试砂砾石层的级配和密度参数，间接推断又缺乏系统的研究和可靠的经验，因此河床深厚覆盖层的密度和级配尚没有一套合理的确定方法。如何合理确定深厚覆盖层的力学及渗透特性仍是深厚覆盖层上修建高土石坝及围堰工程的关键技术问题之一。本文以双江口水电站坝基覆盖层为例，在室内用大尺寸模型模拟深厚覆盖层砂砾石的级配、密度以及应力状态，利用旁压和动探原位测试技术，得到各覆盖层砂砾石料的级配、上覆压力、密度与旁压模量和动探击数之间的相关关系。结合现场旁压、动探试验及钻孔级配试验成果，推断相应坝址区河床砂砾石层的密度，以此为依据进行室内大型三轴试验和渗透试验，得出相应层位砂砾石料的基本力学和渗透特性参数。试验研究成果为类似工程河床覆盖层的参数试验和研究提供了参考。2确定砂砾石层现场密度试验方法2.1模型试验系统模型试验系统由模型箱、加压系统、位移测试系统以及原位测试仪组成。模型箱材料采用60mm厚钢板，加工成内尺寸为0.84m×0.86m×1.20m（长×宽×高）的方形无盖桶。模型加压系统采用4个75t千斤顶的自反力系统，反力架在加压盖上对称布置，加压盖对角设置位移测量系统，在加压盖的几何中心预留试验孔，如图1所示。根据黄熙龄试验研究结果[1]，由于试验中体积压缩率小于0.15％，因此可认为模型侧璧对旁压模型试验没有影响，满足模型试验要求。图1模型箱剖面图Fig.1ModelBoxprofile2.2模型制作及试验根据现场钻孔取得的级配包络线及密度估算值，选取不同的密度配制成一组模型试样，其密度范围涵盖现场砂砾石层的估算密度分布。将模型总的砂砾石量分成6～8层（视装样密度而定），每层按照选取级配和控制密度进行配制和装样，逐层夯实。然后加水排气饱和，并盖上加压盖，进行分级加压，加压至模拟砂砾石层的埋藏深度所受的应力，并等待变形稳定。2.3模型原位测试模型分级加压过程中，记录压力和沉降位移值，计算砂砾石的压缩模量、压实后的密度和相对密度。然后进行旁压试验[3]，得到旁压试验曲线，计算旁压模量。进行一系列旁压模型试验，可得到在同一级配砂砾石材料，不同密度下的旁压模量，建立旁压模量（MPa）～密度（g/cm3）关系曲线；改变级配条件和上覆应力条件，可得到不同土层的旁压模量（MPa）～密度（g/cm3）关系曲线。同样可进行一系列动探模型试验[3]，可得到同一级配砂砾石材料，不同密度的动探击数，建立动探击数（击）～密度（g/cm3）关系曲线。改变级配条件和上覆应力条件，可得到不同土层的动探击数（击）～密度（g/cm3）关系曲线。2.4密度推算啊覆盖层砂主砾石料的滥密度是取趟得其三轴德试验及渗睬透试验可照靠成果的触关键参数诱，试验中夫应根据现鄙场密度来刃配制试样嫂。但是覆迫盖层通过好现场钻孔允无法取取恼得砂砾石尺层的原状驻样，无法杯准确地确辈定砂砾石勿层密度参蜡数。基于果室内模型范中的旁压给及动探试呆验与现场金旁压及动注探试验的围测试条件蜓相同，可押以根据室势内模型试前验所得旁佣压模量或坝动探击数牺与密度的架关系成果酿，推测覆蹲盖层砂砾太石的密度寇参数。叙3海滑工程应用壶3.笨1或地质条件丈本文试验趁模拟的地圈质条件为连双江口水看电站覆盖捕层砂砾石备，其覆盖饱层为允第四系松也散堆积物给，孔主要分布转于现代河乔床及谷坡偷中下部坡另脚地带，叔成因类型膀有冲洪积半堆积和崩纸坡积堆积羊。钻孔揭馒示枝[2]钢，河床冲刘积层最大尘厚捷度秩67.8局m哈，根据其脾物质组成做、从下至鼻上掩，踢由老至新指，番总体结构胡可分肺为柴3侍层：剑第哀①副层为漂卵葡砾石，挤第妖②球层为（砂稠）卵砾石弓层，既第卫③献层为漂卵给砾石层，菜其稿钻孔试验拒得到的活基本梦力学指标跳见后表绿1源。躁表肠1梨正双江口坝讽区覆盖层光钻孔所得皱物理力学勺指标值伟Tabl雷e1茎Dam蜓cov欲erv盗alue汇sof枯phy种sica办lan拆dme校chan罗ical完pro谷pert仿ies苗层位艇名称猛天然密度解干密度个允许承载野力辅变形模量帝抗剪强度可指标腥ρ摩ρ依d预［范R歌］耽E愧0援φ呜c其g/cm关3御g/cm色3健MPa龟MPa裁°偏MPa罗①玩漂卵砾石叹2.18钻~更2.29弱2.14蛙~价2.22毒0.5均~若0.6躺50且~饿60监30总~锤32盏0稳②钉砂卵砾石给2.1愉~督2.2哥2.0麦~保2.1贵0.4皂~伟0.45议30于~健35构26沟~腐28随0聚③此中细砂层赔透镜体肌1.7园~舟1.9吵1.6郑~查1.8泛0.2萍~昼0.25壶20喝~滴25迹21态~斗23键0坊3.叠2隶砂砾石级锄配英根据地质术勘探资料星，涂第肚②辈、米③优层砂砾石甚料的级配侍线如闷图商2镇所示，本验文重点研负究箩第盏②欺、漫③酒层级配的奴平均线。熄肝移前解疏伐额桶杏模型砂砾立石料的密探度选取是前基于对双绝江口河床堪覆盖层天乘然密度的表估计，根青据现场密宫度可能涵蔬盖的范围嗽，筝第鹊②谜层平均线歪砂砾石料陶选饭取育1.95珠0g/效cm齿3薪、摔2.00顺0g/得cm叛3蛙、喉2.06倚0g/午cm微3溉、播2.15网0g/签cm业3吗四种密度凉，言第败③街层平均线偿砂砾石料活选命取吗1.97悦2g/喷cm饼3其,2.0独12g辞/cm氏3锁、畜2.07肺3g/螺cm斑3难、纤2.16仇3g/默cm灰3少四种密度东。钓图跳2遗衣双江口水垂电站坝址骆区覆盖层背砂砾石级涝配曲线辜Fig.姓2Sh步uang毙jian翠gkou丝Hyd输ropo劫wer慰Stat延ion婶Dam宇Area贴ove际rlay竿san滴dan慕dgr西avel证gra臣ding笔cur昨ve逗3.3片竭上覆压力沟模型试验连的上覆压配力基本等兰于现场原帅位测试点饼的砂砾石痰层所处的安深度所受业的应力，马其数值为宣模拟深度迫乘以浮容交重，满第丢②酷层砂砾石僻料模型试督验模拟深的度非为果25.3将m栋和畜50.0别m悬，上覆压付力堵取梢300k漆P高a红和医600k员P菜a呈；域第散③狭层砂砾石送料模型试片验模拟深辱度齿为抗8.8斗m珠和滴18.3薪m左，上覆压凤力异取微110k稀P夺a撞和凝220k咱P肠a嗓。财3.4铁漠模型试验戚成果失改变上覆维压力，等第效②吗、萝③束层砂砾石渡料模型试绿验成果详泥见奉表极2键和忽表畅3估。损表惑2律蓄笋第容②幕层平均线节模型试验敞成果表利Tabl臣e2示撒Firs已t维络②悬lay借era堤vera带gem浪odel苍tes赤tre斗sult帆sta爱ble挺压力及密喘度记级配曲线置上覆兼压力抢1.95与0导g/cm染3能2.00虫0略g/cm择3旧2.06掀0插g/cm社3课2.15亿0隐g/cm陕3蚀旁压模吩量临(汇MPa)甜300k尿Pa能7.0耻9.8双17.2为29.4学600k言Pa沫11.2洋16.2环26.0铸46.7秋动探击数锹（击）勿300k狸Pa后6.9歼9.4厉17.3恨32.5乘600k误Pa告－巨－痰28.3蒸55.7脆表重3肉蛮怀挂第钓③欢层平均线题模型试验盯成果表礼Tabl无e3径连Firs恭t钳误③国lay伙era圆vera纯gem罢odel摄tes郊tre脊sult撕sta升ble样压力及密翁度脉级配曲线抄上覆副压力轰1.97贩2幕g/cm餐3传2.01限2疫g/cm艇3肠2.07猛3驶g/cm卵3年2.16置3枯g/cm婶3泉旁压模靠量亚(豪MPa)底110k概Pa患6.0颜8.5基12.0柿20.1授动探击数瓶（击）陕110k她Pa黄7.3殿10.0字14.9惰21.6形砂砾石料桐的密度越既大，旁压倒模量和动呼探击数越浊大。上覆量压力越大扩，旁压模惹量和动探拦击数越大好。途改变试样闭级配，宝即霜P篇5佩含量发生恋变化，在蛇上覆压力搅和密度不滥变情况下画，旁压模距量乓和唱P鸡5凝含量的关腊系详见波图太3麻。级配粗未颗粒含量芹越大，旁蓬压模量值守越大。定图饥3井忌不同级配葡材料状的怖P里5很含量与旁敏压模量关装系曲线否Fig.晌3绢Amu搅lti-坊leve倍ldi各stri擦buti浙ono隆fma意teri椒als古next杀to怎die遗cont斤ent盈and童the眉amou盟nto咱fP5朴cur阿ve泳3.4会闻现场试验已成果晴对大渡河航双江口水浴电站轮坝停址烤区内河床悄覆盖层共匠进行采了供现场驾旁压试验而[4]脾，颈选取与模花型试验模瓶拟深度相柴当的测点蜘，其旁压钱试验成果灰列于沾表炼4雀。鹊表里4首途双江口河剖床砂砾石嗓料现场旁育压试验成朴果统计表谜Tabl储e4喂sh牧uang莲jian牵gkou评riv卷erbe辉dgr骨avel非sto声nef弦ield加nex君tto蓬the厘pre屯ssur只ete肚str事esul团tso宵fTa尤bles卧分层序号慧试验深度绒范围鹅试验统计同点数训旁压模量跌（号MP率a炮）傅最小值卧最大值复平均值都③既5.柱6检～跃13.4之m银11渣10.0恐20.3屿15.0废②影24.清0盟～岩28.9悄m嫂14剪10.2猾21.1甲14.2亡在双江口娇现场进行拆的是超重政型动力触瓣探试验，拨但是模型耻试验采用庸的是重型初动力触探链，根据铁济道部《动佛力触探技兔术规定》窗（芹TBJ1看8朗－双8苹7步）将现场叨测试成果摔进行换算董[5]载，公式为妈：室N风63.5蒸＝灯3N拿120乌－奶0.巨5闲。选取与显模型试验最模拟深度滚相当的测壁点，其测母试深度范劈围的换算辛重型动力脸触探击数盗详见床表康5卡。堤表寨5问醋双江口河怪床砂砾石闭料现场动侍探试验成勉果统计表热Tabl滥e5志sh男uang颈jian祖gkou假riv忘erbe荐dgr苹avel围sto热nef堪ield腿nex狼tto盏the泼Hea担vyd计ynam疼icp仆enet资rati释onr俗esul血tso歇fTa址bles颗分层序号圣试验深度辣范围棚试验统计烈点数监动探击植数维N线63.5抹（击）哨最小值回最大值转平均值僻③杠9.猎7秒～谈14.5术m国4趴9.8丈18.9绸14.2喷②耀21.流0挥～钩28.5价m耳8横10.2图21.1鞭14.2崭3.5益屿推测密度零参数如由于现场贩砂砾石的友级配范围昼比较宽，区因此可采荣用平均级饭配线来体胜现艺第脂②哲、仗③虾层砂砾石窃的级配，位根据镇第疮②束、松③脊层砂砾石贿层旁压模互量范围值渔，利用室国内旁压试蓝验密度与寨旁压模量驰关系曲线佩来推求现笼场旁压模绒量范围值冷对应的砂头砾石平均钻密度的范沿围值。如缸图危3末所示，可蜻以推测冻第榨②发层砂砾石谁密度的范乏围涌为毫(2.0倦0兆～圆2.09圆)g/c值m金3穗；撇第老③漏层砂砾石著密度的范浓围丛为眨(2.0妙4佳～昏2.16冲)g/厉cm沃3劲。芳图育3克滚利用室内舒旁压试验距成果推求锁现场砂砾饼石密度参洁数示意图救Figu首re3剃a老djac轧ent港top所ress幸ure驱test截res惯ults饥of麦indo活orE浙stim炸atin度gth鲜ede撒nsit碧ypa宁rame炊ter化diag莫ram贵ofs劝and尸and誓grav的els绵ite财根据场第映②耻、锻③券层砂砾石价层重型动舞探击数范蛾围值，利忌用室内动绪探试验密差度与动探辣击数关系苹曲线来推讲求现场动堵探击数范喉围值对应跪的砂砾石乏平均密度野的范围值饶。如欠图果4霜所示，可闭以推测浇第风②胡层砂砾石表密度的范烘围过为械(2.0泛1户～冻2.14躁)g/c晃m针3标；锹第同③瞧层砂砾石暖密度的范景围拼为久(2.0符7阶～招2.15听)g/光cm切3尺。米图吃4睬遮利用室内竿动探试验滩成果推求帜现场砂砾泻石密度参尝数示意图忍Figu醒re4推In社door币dyn晶amic芦pen狡etra啊tion钳tes烘tre灾sult狐sus喜ing蛮live遮san绸dan托dgr撒avel销Est需imat茧ing恭the跟dens挠ity眨para脾mete挺rdi要agra痛m梳3.6惭羊覆盖层砂拣砾石料力深学性试验贼根据室内访与现场试吐验成果比艰较分犬析扯,鞋块确定河床壶覆盖层的俭第莲②宪层和欲第卡③艰层进行压料缩、渗透软和三轴鸡试验的干押密度分别姥为芒2.05态g/cm养3售；茫2.14为g/cm幕3尾。盖试验成果茂为，换第天②厅层平均级瓶配料的渗肯透系盼数杂K掀20望为约i×10晋-3塑cm/s针,烛第菠③钩层平均级碧配料的渗踩透系胃数佣K扩20捉在漫i×10笼-2糊cm/留s扑～使i×10绳-3钢cm/负s吐之间。汪覆盖层钟第事②典层砂砾石欲料平均级摇配，密纯度馆2.05晌g/cm捏3确的抗剪强柄度指节标笛C熊值帅为挽148k复P音a敞，躁j模值著为顶40.3弃°轿。覆盖层好第帅③惜层砂砾石潜料平均级统配，密蛇度漏2.14复g/cm竟3恰的抗剪强陈度指覆标深C表值侨为巾194k唤P个a议，遇j莲篮值袄为曾39.9所°澡。4小结据本文依托抽双江口水惑电站覆盖饼层，对河擦床覆盖层散基本力学轻与渗透特号性参数新泽的测试方视法进行了牙系统研究狐，得出如甲下结论：妹（尼1嫁）提出了浪推求河床彻深厚覆盖腾层砂砾石孕料现场密翠度的试验显方法。即予先在覆盖领层现场进偏行原位测摔试获取不别同层位的工旁压模量察或者动探叼击数，再漏取样配制畏不同层位爆级配的砂自砾石料，卡依据现场看应力条件卷制作砂砾模石层模型胳，进行室戏内旁压、糖动探模型蜡试验，获零得砂砾石奔料的密度揭、级配、女上覆压力垂和旁压模翼量、动探愿击数之间咬的关系，承利用室内丰模型试验毙成果与现劫场原位测宗试成果对别应关系，暑推求现场框砂砾石料久的密度。伸（败2驳）研发了酬室内旁压辩和动探测夜试的模型闲试验系统仅，社由模型箱故、加压系着统、位移遭测试系统宪以及原位丧测试仪等甲组成，能动够模拟河克床覆盖层吼不同上覆色压力（最陈大压衣力丛4.2M尺P幼a链），砂砾原石料最大圣粒径驶为救150m未m反。锋（慢3敌）模型试您验成果表吗明：覆盖涂层砂砾石提的密度、唇级配、上据覆压力和讽旁压模量购、动探击表数之间具米有很好的援相关性。筹密度越大菌，旁压模词量与动探屠击数越大祖；砂砾石爹料颗粒越摇粗，即粗存颗粒所占孙比例越大软，旁压模懂量与动探胆击数越大葡；砂砾石馒层上覆压动力越大，烧旁压模量爬与动探击科数越大。顺（调4紧）根据本圆文的研究偏思路，确讽定了双江和口水电站捆覆盖层的事密度，为灵室内力学压特性试验类提供了依锹据，得到培了相应层温位的力学萍参数。恒参辩沉考外送文献趣[1]乘黄熙组龄样.绒旁压试验搜及粘性土港形变模量蓬的测敞定仰.拌第一届土秀力学及基商础工程学员术会议论典文选集扫，仰196炸4稼：江4朴～凳6衣.面[2]药寺中国水电走顾问集团攻成都勘测灰设计研究哭院，双江艳口旋300勇m腰心墙堆石贸坝地质勘肝察报靠告拥[R健]躬，传200务5蹦年电8削月旬.户[3]诉怪《工程地爱质手册》鹿编委遵会幻.洲工程地质置手册（第笨四版影）嚼.栽中国建筑写工业出版变社猪，幸200营7脊年跨2奏月应.教[4]天晕胡胜刚，酱邵青骡等仿.班大渡河双烈江口电站初大坝基础膜砂卵石旁疮压试验成块果报勇告喉[R小]敏，长江水然利委员会底长江科学走院荐，踏20寿7丛年忌6粱月烟.锁[5]某愧铁道部第凝二勘察设业计蛇院否.朵动力触探朵技术规定腿（凳TBJ1裁8动－眠8枝7融），中国棚铁道出版扭社杀，什198香8思年吵1布月巧.赌Mode废l-ba驳sed男test误bed凝Bas匀icp槽rope式rtie贞sof墙san边dan叶dgr柱avel捐lay伸ers偷A杠bstr瘦act记:燃Hydr两oele穗ctri赛cda乔mon预the直Dad点uRi包ver录Shua没ngji割angk瞒oua粪bed赴of安sand贼and醒gr