三、工程布置及设计与施工堆石料新型大型现场直剪试验在 宜兴抽水蓄能电站中的应用杨建州郭惠民( 华东宜兴抽水蓄能有限公司)1 概述宜兴抽水蓄能电站上水库位于江苏省宜兴市西南郊铜官山主峰北侧的沟源坳地，由主坝、副坝和库周山岭围成。主坝为钢筋混凝土面板混合堆石坝。受地形条件所限，主坝建在倾斜建基面上。为了改善堆石坝下游坡的稳定和受力条件，在坝轴线下游1 3 5 5 m 处平行主坝轴线设置一道衡重式混凝土挡墙，以削短下游坝坡的长度。由该挡墙及其上游的混凝土面板堆石坝共同组成混凝土面板混合堆石坝。在可行性研究阶段，堆石坝的筑坝材料来自两个方面：距上水库主坝公路里程约8 9 k m 的西梅园石料场和上水库库盆开挖料。堆石坝的主堆石区料( 约9 0 万m 3 ) 规划从西梅园石料场采取，水库库盆开挖料用于主坝次堆石区。根据室内试验结果，上水库库区扩容开挖出的五通组石英岩状砂岩夹泥岩和茅山组岩屑石英砂岩夹泥岩石料软化系数偏低( 0 4 0 5 ) ，低于规范对堆石料软化系数0 8 以上的要求，并且以粉砂质泥岩及泥质粉砂岩为主的软弱夹层发育。室内击实试验还表明，库盆开挖料击实后有细颗粒增加偏多现象。为发挥堆石坝作为当地材料坝的优势，充分利用上水库库盆开挖料，节约工程投资和缩短工期，在招标设计阶段，开展了一系列试验工作，进一步论证库盆开挖料用于主坝主堆石区填筑的可行性。为此，对上水库库盆开挖料再次进行了现场碾压试验。为了验证堆石料在现场施工条件下的抗剪强度，特别引进国外新型的直剪试验方法，进行五通组砂岩堆石料的现场大型直剪试验。2 试验原理堆石料新型大型现场直剪试验方法为日本名古屋工业大学松冈元与刘斯宏( 现河海大学教授) 等人开发研究的成果，试验方法如图1 所示。首先将剪切框埋入堆石体内，然后在剪切框内的试样上先放上一块厚的铁垫板，再在铁板上根据所要施加的垂直荷载堆上荷重铁块。水平方向用一条链条拉剪切框，从而使试样受垂直荷载图1堆石料新型现场大型直剪试验方法示意图2 2 4抽水蓄能电站工程建设文集纪念抽水蓄能专业委员会成立十周年剪。剪切力用一只荷重计来测量。在铁垫板的后侧中央部位设置一水平位移计，用于测量试样的剪切位移，同时在铁板的前、后中线上各设置一垂直位移计，试样的垂直位移取2 只垂直位移计的平均值。图2 为作用在试样上各种力的示意图。根据力的平衡条件，剪切面上的剪切力T 与垂直力可用以下的关系式求得。图2 作用在试样上各种力不恿图N = P + 形+ 形1 + W l P l( 1 )r = F T 。( 2 )r = T A ，仃= N A( 3 )式中P 所加的垂直荷载( 荷重铁块的重量) ；F 剪切力，可由荷重计测定；形试料的重量，形。、职分别为剪切框的重量及铁板的重量；P ，、T I 二一剪切框底面与试样间的垂直力与摩擦力。对于粒状材料，由于在峰值强度时，往往出现剪胀，从而使剪切框处于悬浮状态，P 。与兀近似为零。因此，从式( 1 ) 、式( 2 ) 与式( 3 ) 可知，当试样出现剪胀时，剪切面上真正的剪切力r 与垂直力能够精确地计算出来，也就是说试样的抗剪强度能精确地测定。另外与通常直剪仪不同的是在剪切过程中剪切面的面积A 也能保持一定。3 现场试验宜兴抽水蓄能电站上水库堆石料新型大型现场直剪试验2 0 0 3 年4 月1 0 日一2 0 0 3 年4 月1 2 日在上水库库区实施，试验情况如图3 。由于试验工作准备充分，试验进展顺利。试验过程介绍如下。3 1 试验准备( 1 ) 试验装置置备。根据该试验方法的特点，以日本开展该类试验所用装置为参考，因地制宜地研究和置备整套试验装置，这些装置包括：双向千斤顶、锚链、剪切框、位移计、荷载计、承载架、荷重块等。1 ) 6 0 0 k N 双向千斤顶，配有油压加力系统、力传感器及手持智能数据采集仪的测力系统。2 ) 剪切框。 采用4 5 号钢特制剪切框4 个，外形尺寸1 5 5 5 m mX1 4 6 5 m m 2 0 0 r a m ，内尺寸1 2 2 5 m m 1 2 2 5 m mX2 0 0 r a m ，有效面积1 5 0 0 0 e 矗，单重0 3 4 5 t ，如图4 。三、工程布置及设计与施工双与按碾压试验确定的施工 参数，对试样进行碾压。预埋4 个剪切框，其上 凝土反力镇墩分别施加4 级垂直荷载( a )上载荷重图3 宜兴抽水蓄能电站现场大直剪试验( 单位：e m )( a ) 试样碾压；( b ) 试样剪切；( c ) 试验全景图4 剪切框、荷载架、传压板实物图3 ) 传压板一块，尺寸为1 3 0 0 m m 1 3 0 0 m mX4 5 m m ，重0 5 9 7 t 。4 ) 荷载架一个，尺寸为2 7 0 0 r a mX1 3 0 0 m m 1 5 0 m m ，重0 1 6 7 t 。荷载架置于传力板上，用以支承9 个荷载配重，并将其传递给传力板。5 ) 铸铁配重9 块，尺寸为1 4 9 0 m mX9 9 0 r a mX4 0 2 m m ，单重4 2 2 t 或4 2 4 t ，总重3 8 0 8 t( 3 7 3 1 8 4 k N ) 。6 ) 高强度锚链7 根及其相应的连接具，共长1 5 m ，单根安全抗拉力大于5 0 0 k N 。7 ) 垂直位移变形观测有两只数显百分表，其量程为5 0 m m ，精度O 0 2 m m 及水平位移由一只量程2 0 0 m m 精度0 0 2 m m 的带百分表卡尺组成。( 2 ) 试料准备。试样按粗颗粒土的土样制备( s L 2 3 7 0 5 3 一1 9 9 9 ) 规程的规定制备，试料含水量为自然风干状态，最大粒径3 0 0 m m 。为防雨淋，筛选出来的备料用彩条布遮盖。试验料采用设计提出的过渡料碾压试验级配，见表1 。共备料6 份，每份0 6 2 t ，总量3 7 2 t ( 3 6 5 k N ) 。抽水蓄能电站工程建设文集纪念抽水蓄能专业委员会成立十周年表1新型现场直剪试验试料颗粒组成3 0 0 1 5 01 5 0 8 08 0 4 04 0 2 02 0 1 01 0 5 52 0 82 3 41 9 71 2 98 63 11 1 53 2 试验过程试验接下列步骤完成。( 1 ) 剪切框定位。将剪切框吊运至指定的试验点，根据锚链的长度并考虑千斤顶的行程，准确确定每个剪切框的位置。具体作法如下：事先将锚链与剪切框连接，用振动碾拉直锚链，然后放下剪切框，并用石块垫起剪切框，使其底面离地面2 0 c m 。4 个剪切框与反力镇墩的中心线应保证在同一水平线上，剪切框用水平尺找平。( 2 ) 装填试料。将满足设计级配的堆石料按规定层厚( 铺料层厚4 0 c m ) 在试验区域内同时摊铺，4 只剪切框在摊铺到适当厚度时预先埋设好。为使试样与地面间不产生滑动，在装样前，必须将地面充分凿毛。在装样时，尽量使大颗粒在剪切框中分布均匀。为了使振动碾能够行走，在剪切框与剪切框之间及剪切框两侧，用其他填料填满。( 3 ) 试样碾压。 按碾压试验确定的施工参数，对试样进行碾压，即采用1 8 t 自行式振动碾先静压2 遍，然后振压6 遍，碾压机行驶速度控制在2 4 k n d h ，剪切试验结荣后测定试样密度。为使剪切框在碾压过程中不致翘出地面，剪切框与剪切框之间的填料应稍许填高一些。( 4 ) 张拉前的准备。 试样碾压完后，在剪嘲框内镶上_ 层碎石，以保证熟郝裁荷不直接作用在剪切框架上， 碎石表面用水平尺找平。清除剪讶框四周的渣料。安装承警警斤顶、锚链。应使千斤顶的轴线对准剪切框巾心点，拉链两边等长，并使拉链受力后处于水平状态。安装垂直、水平位移计。垂直位移用两只数显百分表测量，分别安装在剪切框前后侧传压板中心线上。水平位移用带百分表游标卡尺测量，安装在剪切框后侧传压板中心线上。( 5 ) 施加垂直荷载及试样剪切。施加预计的垂直荷载。传力板、荷载架和配重采用吊车吊装。从距反力镇墩最近的一个剪切框开始，依次施加下列4 级荷载并施加剪切力：第1 级荷载的垂直应力为3 7 8 1 k P a 。第2 级荷载的垂直应力为9 3 O l k P a 。第3 级荷载的垂直应力为1 7 5 8 1 k P a 。第4 级荷载的垂直应力为2 5 8 6 0 k P a 。每施加完1 级荷载后，即开始一个试样的剪切，试样剪切用手动油压千斤顶进行，水平位移、垂直位移与水平剪切力传感器数据人工测读。( 6 ) 试样剪切过后的干重度及颗粒分析试验。直剪试验结束后对试料做干重度及颗粒分析试验，试验采用灌水法，干容重试验成果见表2 。从表2 中可以看出，4 个试样干容重基本相同。垂直荷载较大的3 号、4 号试样试验以三、工程布置及设计与施工后颗粒有破碎。表2干容重试验总表试验编号干料总重( k N )试坑体( I 1 3 )试坑深( C l f f l )干容重( k N m 3 )总含水量( ) 5 m m 含量( )1 号1 3 7 8 8 6O 0 6 54 22 1 1 11 51 3 52 号9 7 8 7 40 0 4 73 82 0 8 41 21 0 63 号9 6 7 3 70 0 4 64 52 0 9 11 61 4 34 号9 9 7 2 70 0 4 84 22 0 8 42 31 5 7( 7 ) 堆石料抗剪强度。图5 为试验得到的抗剪强度r e 与垂直应力口的关系图。4 个试验点基本落在一条直线上。本次试验得到的堆石料抗剪强度，按常规的直线关系r f =c + 口t a l l 声整理，其强度参数c = 3 3 k P a ，声= 4 1 0 。( 8 ) 剪切应力一剪切位移一竖向位移的关系。图6 为剪切应力一剪切位移一竖向位移的关 系。各组试样的应力比( r a ) 的最大值( 峰值强度) 随上部垂直( 正) 应力的增加而减小( 即从1号试样到4 号试样依次减小) ，与此相应，试样的剪胀也逐渐减小。正应力小时( 1 号试样) ，剪切开始，试样很快就发生剪胀，而随着正应力的增加( 2号，3 号，4 号试样) ，试样开始有剪缩，而后发生剪胀，这符合一般的规律。图5 抗剪强度“与垂直应力口关系图( 9 ) 峰值强度前的应力比( r a ) 一位移增量比( 一d h d D ) 关系。图7 为峰值强度前的应力比( r a ) 一位移增量比( 一d h d D ) 关系。2 号，3 号，4 号试样峰值强度前的应力比( r a ) 与位移增量比( d h d D ) 的关系为很好的直线关系，且三个试样的直线关系比较接近，其截距2 号，3 号，4 号试样依次有所减小，这与正应力增加，试样的破碎程度增加，颗粒变圆有关系。图6 应力比一剪切位移一竖向位移关系图2 2 8抽水蓄能电站工程建设文集纪念抽水蓄能专业委员会成立十周年，鼍 i 矿试样C 笋4I I1 0- 0500 5l0一d h J d D图7 峰值强度前的应力比( r a ) 一位移增量比( 一d h a O ) 关系图4 结语新型直剪试验的最大优点是原理简单易懂，试验装置简便，易于操作，且试样中的应力状态接近于现场堆石料的平面应变状态。通常的直剪试验，由于用推动剪切盒的方法来使试样受剪，剪切盒与剪力环之间必定是刚性连接。在剪切过程中，若试样发生剪胀，会在其接触点处产生一向下的摩擦力，而该摩擦力在试验中无法测定，从而使得剪切面上的正应力比实际外加的正应力要大。这就是通常的直剪试验测得的堆石材料抗剪强度高于其实际强度的原因。本次在宜兴抽水蓄能电站工程中采用的新型直剪试验法采用链条张拉剪切框的方法使试样受剪，克服了上述问题，使得剪切面上的正应力与剪应力能精确测定或计算，所以能精确地测得堆石材料的抗剪强度。