杨昊天 王瑜鑫 王永翔

(中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

1 概述

丹巴水电站工程坝址区覆盖层具有厚度大、结构及组成复杂、力学性质差等特点，对坝基处理总体方案为上部20 m采用回填石渣料并固结灌浆，这一层称为回填层，下覆50 m(主要地层为崩坡积层，③-1层，③-2层)采用高压旋喷灌浆。坝基加固处理后，其坝基加固材料的力学性能及闸坝的稳定安全性是工程关心的核心问题。特别是在大坝长期运行过程中，坝基承受水压力作用下其强度参数的弱化程度值得研究，可对工程加固措施的评价和优化提供重要参考。

对现场取得的灌浆凝结体试样进行应力—静水压力耦合试验，并通过地质—力学分析、数理统计分析的方法定量揭示了凝结体的强度特性，并对大坝运行工况下坝基加固的灌浆凝结体强度参数做出了预测。

2 试验方案及试验仪器

为了确定加固坝基在不同围压、不同水压作用下的强度参数，对现场采取的凝结体试样进行了应力—水压力耦合的三轴试验，每个地层的试样均进行4级水压(0 MPa，0.4 MPa，0.8 MPa，1.2 MPa)，及每级水压对应进行7级围压(2 MPa，3 MPa，4 MPa，5 MPa，6 MPa，7 MPa，8 MPa)下的三轴试验。

本次试验采用的仪器是美国产MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统。试验机具有地壳应力场、地下水渗流场、地温温度场、地震动力场多场耦合试验功能，可测得试样的围压、轴向偏应力、孔隙水压、试样两端头的孔隙水压差及轴向变形、环向变形等参数。

3 成果分析

3.1 强度参数的围压效应

为了揭示抗剪参数与应力条件的关系，在试验数据整理过程中，计算c,f值时以每相邻的4个围压进行，所以7个围压可以分为4个级别，如围压2 MPa～5 MPa为第Ⅰ级别，以此类推。围压的范围分级如表1所示。

表1 围压范围分级 MPa

针对以上四个围压级别，对抗剪参数c，f值分别进行整理分析，取典型水压下(0.4 MPa)每个地层的围压级别与c，f值的关系曲线，分析其结果和规律。

3.1.1 凝聚力c的围压效应

通过统计回填层、崩坡积层、③-1层、③-2层在各水压下的不同级别围压的凝聚力c值，考察凝聚力c与围压的关系，c值与围压的关系曲线如图1所示。

由各个地层在0.4 MPa水压的计算结果可以看出，凝聚力c值有明显的围压效应，线性拟合方程的斜率在15%～96%之间，即凝聚力c值在较低围压下计算结果小于在较高围压下的计算结果，这个现象从c值的物理意义来看可以解释为，随着试样周围围压的增大，使试样被挤压导致其内部物质分子之间的距离减小，从而使凝聚力增大。

3.1.2 摩擦系数f的围压效应

通过统计回填层、崩坡积层、③-1层、③-2层在各水压下的不同级别围压的摩擦系数f的值，考察f与围压的关系，f与围压的关系曲线如图2所示。

通过计算结果看出，f值与围压级别拟合线性关系的斜率较小，在-1%～-9%之间，说明虽然随着围压级别的增大，f值表现为减小的趋势，但f值的围压效应较不明显。

对于以上讨论强度的围压效应可以用非线性强度理论来解释：莫尔圆的包络线严格来说不是一条直线，而是一条曲线，该曲线的特点就是随着应力水平的增大，包络线的切线斜率逐渐减小，也就是说随着应力水平的增大，包络线切线在y轴的截距增大，而斜率减小，即c值增大，摩擦系数f减小。

3.2 强度参数的水压效应

本次试验在每级围压下设定了四级水压：0 MPa(饱水状态)、0.4 MPa，0.8 MPa，1.2 MPa，试验围压共有7级，在讨论强度参数水压效应时的c，f值是在7级围压下计算得到的，其结果和规律如下。

3.2.1 凝聚力c的水压效应

各地层c—Pw的关系曲线如图3所示。

从图3可以看出，各个地层的凝聚力c值都因水压的增大而减小，并且凝聚力c值与压力均呈现出较好的线性关系，相关系数的平方都达到了90%以上。其中回填层的c值在水压为1.2 MPa时为0 MPa。

3.2.2 摩擦系数f的水压效应

各地层f—Pw的关系曲线如图4所示。

从图4可以看出，各个地层的摩擦系数f值随水压的变化规律并不一致，其中崩坡积层、③-1层和③-2层的f值随着水压的增大有减小的趋势，但是减小的幅度很小，其拟合线性关系斜率在-2%～4%，线性趋势线基本呈水平状态，回填层的f值随着水压的增大有升高的趋势，但增大幅度不是很大。综合来看f值的水压效应不甚明显，在工程应用中可以忽略不计。

3.3 强度参数预测模型

3.3.1 凝聚力c值的预测

通过以上分析看出，凝聚力c值有明显的围压效应、水压效应，通过系列水—力耦合试验得到相应凝聚力c值，则可以在水库运行工况下强度参数c提出以下预测模型。

以水压Pw为x轴，围压σ3为y轴，强度参数c为z轴，绘制了c—Pw—σ3的空间散点图，并拟合一个空间曲面，拟合曲面精度较高，规律较好，满足工程需要。各地层的c—Pw—σ3关系曲面图如图5～图8所示。

从拟合的关系曲面中整理得到每个地层抗剪强度参数c值关于变量σ3，Pw的预测模型如表2所示。其中从R2(拟合方程的复相关系数的平方)的数值可以看出方程与试验值拟合关系较好。

3.3.2 摩擦系数f值的预测

从上节的分析可以看出，各个地层的摩擦系数f值的围压效应、水压效应均不甚明显，所以认为在工程应用中摩擦系数f值的水压效应和围压可以忽略不计。各地层f值的取值是由围压2 MPa～8 MPa的7级围压下计算得到，由于忽略水压对f值的影响，所以可以把4级水压力看成是4组平行试验，即取4级水压下f值的平均值作为工程建议值。各地层的f值如表3所示。

表2 强度参数c值预测模型 MPa

表3 强度参数f值预测模型

4 结语

回填层、崩坡积层、③-1层及③-2层灌浆凝结体的强度特性主要通过工程重点关注的抗剪强度参数c,f值表征，讨论了各地层强度特性的围压效应和水压效应，分析试验结果主要得到以下几点认识：

1)凝结体的强度特性有较为明显的围压效应，其抗剪强度参数与试样的应力条件有很大的关系：当试样在较低围压级别下所计算得到的凝聚力c值较小，反之在较高围压级别下得到的凝聚力c值较大，摩擦系数f值受围压的影响不太明显。

2)各地层的抗剪强度参数c具有明显的水压效应，其随着水压的增大而减小，并且有较好的线性关系；而水压对抗剪强度参数f的影响很小，在工程应用中建议可以不考虑f值的水压效应。

3)提出了试验范围内强度参数c值关于围压σ3和静水压力Pw两个自变量的预测模型如表2所示，对参数f值的取值如表3所示；根据水—力耦合试验所建立的预测模型，可计算得到各地层在其地应力、水压力条件下的强度参数值，为工程设计提供参考。