某水库坝基岩体与混凝土胶结面抗剪试验研究

发表时间:2016/9/23   来源:《工程建设标准化》2016年8月总第213期   作者:訾洪利
[导读] 是东淠河佛子岭水电站上游面漫水河上一个以防洪为主、兼具发电灌溉等效益的综合利用的水利水电枢纽工程。

(安徽省水利水电勘测设计院,安徽 合肥  230088)
  Experimental Study on the Shear Strength of the Base-contact Surface of Rock Mass and Concrete in a Dam Foundtion
  ZI Hongli
  ( Anhui Survey and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower, Hefei 230088, China )
  【摘  要】在水库大坝岩基上修建混凝土坝时,岩体与混凝土胶结面抗剪强度是坝体抗滑稳定最重要指标之一。论文结合某水库大坝工程建设,进行了细粒花岗岩岩基与混凝土胶结面抗剪试验,并对设备自动平衡系统进行了改进设计,为工程设计提供了合理强度指标,可供类似研究参考。
  【关键词】岩基;胶结面;抗剪强度;自动平衡系统
  【Abstract】Building concrete dam on rock foundation, the shear strength of the base-contact surface of rock mass and concrete in a dam foundation is one of the most important indicator. With a reservoir concrete dam engineering construction, the tests on the shear strength of the base-contact surface of rock mass and concrete were conducted, a self-balanced system of shear strength test apparatus was improved, the reasonable strength indexes were provides for engineering design. The experimental results can be used as reference for similar studies.
  【Key words】rock foundation; base-contact surface; shear strength; self-balanced system
  引言
  在水利水电工程建设中,坝基岩体与混凝土胶结面抗剪是非常重要指标0,一般大型工程均需要进行专门现场建坝岩基岩体与混凝土胶结面抗剪强度试验,以提供坝体抗滑稳定分析所需参数0,这也是《混凝土重力坝设计规范(SL319-2005)》0所需指标。
  某水库位于大别山北麓霍山县境内,是东淠河佛子岭水电站上游面漫水河上一个以防洪为主、兼具发电灌溉等效益的综合利用的水利水电枢纽工程。水库大坝坝型为碾压混凝土坝,最大坝高100m,总库容4.34亿m3,装机容量为50MW。根据工程地质勘察报告,坝址区主要岩性为燕山期细粒花岗岩,矿物成分以石英、长石为主,有少量黑云母、角闪石,颜色呈肉红色或灰白色,新鲜的岩石致密、坚硬,抗压强度达150MPa,属硬质岩。
  该水库在勘察设计阶段,依据《水电水利工程岩石试验规程(SL264-2001)》0进行了一系列岩石力学试验项目,该论文将对其中的混凝土与基岩胶结面的抗剪强度试验进行阐述分析,以期为类似工程提供参考。
  1 试件的制备
  1.1 试点的选定
  因坝基主要岩性为花岗岩,故本次混凝土与岩基胶结面的抗剪强度试验选在坝址左岸Pd8勘探平硐0+23.6m~0+28.0m的花岗岩底板上进行。共布设了五块试件,由外向内顺序编号为J1、J2、J3、J4、J5。该段岩体较完整,岩体新鲜坚硬,锤击声音清脆,无贯通裂隙通过。
  1.2 基岩面及各支撑面处理
  试验时,首先对试验点底面、顶面和推力后座处的硐侧壁岩体进行清理、开凿和整平,并使修整后的基岩面起伏差控制在试件推力方向边长的1%~2%之内,满足试面平整、无松动的要求。修整后的基岩面尺寸大于拟定剪切面尺寸15cm,各试体间距大于1m(最小边长的1.6倍)。
  1.3 混凝土试体浇筑
  混凝土试体浇筑前,岩基石用清水冲刷干净。浇筑的混凝土试件尺寸为长84cm、宽60cm、高50cm,满足试件最小边不小于50cm和基岩接触面不小于2500cm2的尺寸要求。试件浇筑时,混凝土强度采用结构设计的强度等级C25,混凝土直接浇筑在基岩面上,试件内设置Ф6mm的钢筋网罩以增加试件整体刚度;在试件两侧面预埋四只测座,供试验时测量仪表测试各点的水平及垂直变形量,同时预埋标点。试件浇筑后,试件和岩基接触带进行养护,待养护28d以后开始试验。
  2 试验方法与设备
  2.1 试验设备
  本次试验采用YJE2500型岩体直剪和变形模量试验设备由华东勘测设计研究院和广西柳州市建筑机械总厂研制,性能完全达到了设计要求,使用性能良好。
  2.2 自动平衡系统设计
  该设备除了达到剪和变形模量试验性能要求外,其最突出特点是具备正应力自动平衡系统,解决了一般剪切过程中σ值难维持常数的问题。解决该问题的基本思路如下:


  因此实现了《水电水利工程岩石试验规程(SL264-2001)》0要求的剪切过程中σ值为一常数,从而提高了试验精度、易于操作。
  2.3 试验方法
  试验是依据《水电水利工程岩石试验规程(SL264-2001)》0的要求进行。试验时在五块试体上分别施加不同的法向应力,最大法向应力依设计要求为0.95MPa,每块试体上的法向应力分四级施加,根据剪切位移量的大小做适当增减,直至剪断;剪断后再做单点摩擦试验,试验的法向应力由小到大;试验结束后,翻转试体,测量剪切面面积并对剪切面的特征进行描述、拍照。
  3 剪切破坏特征
  3.1 混凝土与岩基胶结面的破坏型式
  从五块混凝土试件与岩基胶结面抗剪断强度试验的剪应力τ—水平位移μ 曲线(见图1)上看,其破坏机理属脆性破坏,表现为起初混凝土与岩基胶结面在剪应力作用下,位移变化不大,随着剪应力的增加而突然被破坏裂断,剪应力的峰值出现后便显著下降,且位移不断增加,试件沿已被剪断的剪切面滑动。
  
  图1  砼/岩体τ—μ曲线
  3.2 剪切面破坏特征
  五块试体基本上沿混凝土和基岩的接触面被剪断,剪断面较平整。对剪断面起伏差的测量是按等距离均匀分布的原则,对每一试件的剪断面共测量252个测点,大部分测点的起伏差值在0~9mm的范围内,起伏差不大。各试块剪切面的破坏特征略有差异,J1剪断面起伏差值为10mm的测点仅占全部测点的7%左右,面上分布有0~1mm深的擦痕,无岩基剪断的痕迹;J 2和J 3剪断面起伏差值为10~11mm的测点分别占全部测点的3%和7%左右,剪断面下盘多被混凝土粘连,可见基岩面积为50%左右,基岩面上有白色点状、条状擦痕;J 4剪断面起伏差值1015mm的测点占全部测点的25%,下盘可见基岩面积约为40%,擦痕很少;J 5剪断面起伏差值10~16mm的测点占全部测点的34%左右,下盘可见基岩面积约为30%,面上有白色状、条状擦痕,主要分布在剪断面边缘附近。
  4 试验结果
  由于本次试验过程控制严格,同一组试体各块的混凝土强度、基岩岩石强度、试面面积和起伏差等条件都基本相同,各试件均沿预定的胶结面剪断,剪断面特征大致相同,因此各试件的试验结果有规律性,试验成果值离散不大。
  将试验的数据用常数的图解法进行整理计算,绘制的抗剪断试验成果曲线(见图2),依图2可求得抗剪断强度试验值f'=1.54,c'=1.10 MPa。
  绘制的抗剪试验成果曲线(见图3),其中图4为J2试块抗剪强度的剪应力τ~水平位移μ曲线。
  依据图3求得的抗剪强度试验值很接近。其范围值f=0.73~0.78,c=0.13~0.33MPa,其平均值为f=0.76,c=0.25MPa.
  五块混凝土与基岩胶结面的抗剪(断)强度试验成果见表1。
  表1  混凝土与岩基抗剪(断)强度试验成果
  

  
  图4  J2试块砼/岩抗剪强度τ—μ曲线
  5 结束语
  1)本次试验依相关规范规程,对各个试验环节均加以优化控制,尽量降低了各种因素对试验结果的影响。该工程建设和正常运行监测表明,本次试验所得结果合理、可靠。
  2)针对大多岩体直剪试验仪器难于保证在斜推力试验时竖向应力为常数,本次进行了仪器设备的改进,创新研制了正应力自动平衡系统,结果也表明该系统功能满足要求。
  3)由于涉及大坝混凝土与基岩胶结面抗剪(断)强度的因素较多,区域地质条件差异一般也较显著,为此,在对混凝土坝的抗滑稳定验算工作中,对于计算指标的选用,仍需考虑建筑物基础处理和基坑开挖后的起伏等因素,以确保工程安全。
  参考文献:
  [1]陈立宏, 赵宇飞. 水利水电工程基岩与混凝土胶结面抗剪强度特性[C]. 中国土木工程学会第十届土力学及岩土工程学术会议, 2007:553-555.
  [2]王宏硕, 陆述远, 廖孟扬. 混凝土与基岩胶结面的真实抗剪强度[J]. 武汉水利电力学院学报, 1981.4.
  [3]SL319-2005. 混凝土重力坝设计规范[S].
  [4]SL 264-2001. 水电水利工程岩石试验规程[S].
  作者简介:
  訾洪利,男,1976年4月出生,汉族、安徽砀山县人、单位:安徽省水利水电勘测设计院;本科,高级工程师、主要研究方向为水利工程质量检测、试验工作

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