基于模型试验的河床砂砾石层基本特性研究.doc

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密度推算覆盖层砂砾石料的密度是取得其三轴试验及渗透试验可靠成果的关键参数，试验中应根据现场密度来配制试样。但是覆盖层通过现场钻孔无法取取得砂砾石层的原状样，无法准确地确定砂砾石层密度参数。基于室内模型中的旁压及动探试验与现场旁压及动探试验的测试条件相同，可以根据室内模型试验所得旁压模量或动探击数与密度的关系成果，推测覆盖层砂砾石的密度参数。3工程应用3.1地质条件本文试验模拟的地质条件为双江口水电站覆盖层砂砾石，其覆盖层为第四系松散堆积物，主要分布于现代河床及谷坡中下部坡脚地带，成因类型有冲洪积堆积和崩坡积堆积。钻孔揭示[2]，河床冲积层最大厚度67.8m，根据其物质组成、从下至上，由老至新，总体结构可分为3层：第①层为漂卵砾石，第②层为（砂）卵砾石层，第③层为漂卵砾石层，其钻孔试验得到的基本力学指标见表1。表1双江口坝区覆盖层钻孔所得物理力学指标值Table1Damcovervaluesofphysical