西霞院反调节水库软岩硬土力学特性仿真试验研究（王宏巍,房后国,李振灵）

发布时间：2022-02-22 15:20:49 浏览数：次

［摘要］西霞院反调节水库电站厂房坝段地基为上第三系地层，该地层岩土性质并存，岩性相变大，强度跨度大，产状不清晰，被统称为“软岩硬土”。本文针该地层提出了仿真试验测试技术，对地层中典型的未胶结砂和粘土岩进行了测试，较好地获取了力学特性指标，为地基承载力的补偿理论在水利工程中的应用开辟了一种新的研究途径。

［关键词］软岩硬土力学特性仿真试验西霞院水库

1 引言

无论是狭义的软岩(soft rock)还是广义的软弱岩石(weakrock)都已受到了国内外工程界和学术界的普遍重视。现在国内外软岩和硬土界限的划分标准不尽相同，多数以单轴（无侧限）抗压强度为分类指标。对工程而言，软岩与硬土的界限划分不仅为更准确地评价岩土体的质量等级提供依据，更重要的是确定测定该类岩土体的力学特性方法。现行的岩石和土工试验规程规定的试验方法适用于典型的岩体和土体，针对这种过渡性岩土体，测试方法的适用性等问题需进一步分析研究。

2 工程特性

西霞院反调节水库是小浪底水利枢纽的配套工程，位于黄河中游最后一个峡谷段与下游宽浅河段的过渡段。该工程电站厂房坝段坝基为上第三系洛阳组地层，该层与第四系呈角度不整合接触。其顶面起伏不平，在基坑区揭露的顶面高程为101.5～87.5m。其岩性为砂、泥互层，坝址区两岸无天然露头，基坑揭露厚度约100m。该地层主要特点为：岩土性质并存，岩性相变大，强度跨度大，产状不清晰，标志层不明显，小构造比较发育及具有一定的不均一性。

3 仿真试验模型

仿真试验模型如图1 所示，试样尺寸为500mm×500mm×500mm，中心钢柱直径50mm，采用原状砂作为柔性垫层材料，模拟基坑开挖后回填的沙砾石垫层，厚度为50mm，试样侧面和周边采用钢板约束。根据模型尺寸大小进行了数值模型分析，试样在中心荷载下满足半无限体。样品的位置在高程95～100m,基坑开挖前地面高程为127～129m，为更好的模拟实际施工状况，对试验样品测试前施加不同的上部荷载（后简称为预加荷）。

本次试验采用的柔性加压系统示意图如图2。在试件表面平铺一层柔性垫层（原状砂），厚度为50mm。压力机将力F 传给钢架后，钢架又通过钢板将力传递给柔性垫层，最终柔性垫层将力均匀地施加在试件的上表面。当预加荷载为0 时，不再铺设柔性垫层，其中钢架被支起，凌空于试样上表面，钢架与压力机上承压板接触紧密。

试件表面变形测试由12 只精度为0.5‰，量程为10mm 的传感器来完成，采用T 字形布置，通过专用数据采集仪完成数据的采集，如图2。

试验整体操作和测试系统见图3。先是由压力机将预压荷(预加荷载为0 的省去次操作步骤)通过柔性加压系统作用在试件上，在压力机出力的同时，通过液压油泵使千斤顶出力，使钢柱作用在试件的荷载和整个预加荷值相同。通过百分表1、百分表2 测定预加荷载加压稳定,稳定采用变形控制。预加荷载稳定后，千斤顶开始分级出力，进行载荷试验。同时由试样表面变形测试系统完成试样表面的变形测试。刚性承压板的沉降变形由千分表1、千分表2 测定。

4 仿真试验测试与分析

选取电站厂房地基主机段开挖高程为95m 处未胶结原状砂4组，泥（粘土）岩4 组分别施加不同的预加荷载进行试验，原状砂试验后进行重塑再进行一次试验，结果见下表。

通过对西霞院反调节水库电站地基泥（粘土）岩和砂样11组试样的仿真试验，基本了解和掌握了这些地层在一定条件下，施加荷载后变形及破坏的一般规律。

（1）砂层破坏机制均为整体剪切破坏，基本符合砂性土在荷载作用下变形破坏的一般规律。泥（粘土）岩主要的破坏形式是也是剪切破坏，但仿真试验的承压板较小，破坏时并未沿已有结构面发生滑动破坏，当试样从结构面发生滑动破坏时，整个变形会发展很快，应引起足够重视。

（2）预加荷载的有无、大小直接影响着各种试样的试验特征值。均表现出无预加荷载时，试样的各特征值明显小于有预加荷载的其它试样的特征值。而且随着预加荷载的增大，试样的比例界限值和极限荷载也随着增大，相应的沉降量随之减小。特别是预加荷载和比例界限值、极限荷载表现出明显的线性关系，相关性良好，见图4。试样直线段变形模量也随着预加荷载的增大而增大，呈较好的指数关系，见图5。

（3）由于仿真试验和现场载荷试验在试样大小和承压板尺寸上不同，结果也出现一定差异。载荷试验的各特征值是试样本身固有性状的反映，但承压板的沉降量和承压板的尺寸呈正比关系，尺寸越大同级荷载下的沉降量也越大。总体来看，现场载荷试验的各特征值大于无预加荷载的仿真试验结果。

（4）原状砂样的各项特征值均稍大于重塑砂样的特征值。说明试样重塑后稳定时间较短，各砂粒间的分布不均匀，削弱了砂粒间的摩擦力，降低了试样的整体抗剪能力，致使各特征值有所下降。

5 结论

通过对西霞院反调节水库电站厂房坝段软岩硬土地基的仿真试验研究，以及与现场载荷试验的对比分析，可以得出以下结论：

(1)在一定范围内预加荷载的作用下，仿真试验的比例界限值和极限荷载明显高于现场载荷试验，无预加荷载时结果偏低。仿真试验成果更为真实地反映了该地层的承载力和变形情况。

(2)在无预加荷载时，试样的各特征值明显小于有预加荷载时的特征值。而且随着预加荷载在一定范围内的增大，试样的比例界限值和极限荷载也随着增大，相应的沉降量随之减小。特别是预加荷载和比例界限值、极限荷载表现出明显的线性关系。

（3）试验成果真实反应了该地层的力学特性，可以作为该地层地基承载力的设计参考。仿真试验设计为地基承载力的补偿理论在水利工程中的应用开辟了一种新的研究途径。

参考文献

［1］周思孟.复杂岩体若干岩石力学问题［M］.北京：中国水利出版社，1998．

［2］张永双.曲永新. 硬土—软岩的厘定及其判别分类［J］。地质科技情报,2000,(3):19-1.

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