滕州市截污导流工程橡胶坝坝基土体抗剪强度试验研究
郭庆华
山东省水利勘测设计院，济南 250013
刘文
山东省水利勘测设计院，济南 250013
土体抗剪断强度是橡胶坝坝基、翼墙抗滑稳定设计的重要参数。在已有地质资料的基础上，通过在工程现场坝基翼墙基底高程制作试件，进行现场抗剪断试验，测定混凝土与坝基、翼墙地基土抗剪断强度；综合分析地质条件和试验方法、分析试件破坏方式、工程受力特点，采用图解法和最小二乘法两种方法确定参数值，得出参数更加接近实际，为设计提供了准确的设计依据。
滕州市截污导流工程位于山东省滕州市境内，是南水北调东线第一期工程山东省截污导流工程的重要组成部分，包括城漷河、北沙河截污导流工程。工程主要内容为建设城漷河、北沙河的梯级橡胶坝拦蓄中水，两河共计新建、改建14座橡胶坝工程，拦蓄中水1506万m3。其中城漷河截污导流工程共改建、新建10座橡胶坝，设计总库容为588.55万m3；北沙河截污导流工程共新建4座橡胶坝，设计总库容为216.02万m3。目前，该工程已实施完毕并发挥效益，工程拦蓄功能及景观效果良好。
滕州市截污导流工程橡胶坝工程具有建设数量多、分布范围广、地质条件复杂等特点。地质工作中通过对滕州区域的第四系黏土、黏土夹姜石现场直接剪切试验研究，得出试验点黏性土的试验参数，为施工图设计提供参数。
1 试验场地条件
根据工程地质勘察报告和现场踏勘，本次试验选取地质条件复杂具有代表性的城漷河上杨岗橡胶坝、北沙河上赵坡橡胶坝2个试验场地的工程地质条件，现场浇注混凝土与土体接触面抗剪强度试验4组18件。
杨岗橡胶坝位于滕州市级索镇前杨岗村南的城漷河上，设计底板底高程为41.20m；赵坡橡胶坝位于索镇赵坡村西南向通往田桥村交通桥上游150m处的北沙河上，设计底板底高程为37.60m；最大挡水高度均为4.5m。坝址区地貌单元属山前冲洪积平原，地形较为平坦、开阔。勘探深度内，坝基揭露地层自上而下依次有第四系全新统冲积洪积堆积（Q4al+pl）的壤土、黏土，第四系上更新统冲积洪积堆积（Q3al+pl）的黏土夹姜石、黏土、砾质粗砂。坝基持力层为黏土夹姜石，褐黄色、褐黄夹浅兰灰色条纹，可塑～硬塑，姜石含量10%～20%，φ0.5～4.0cm，见铁锰结核及斑点，裂隙较发育。下卧层为砾质粗砂，褐黄色，浅棕红色，中密，颗粒不均匀，含砾约12%～18%，砾径φ2.0～8.0mm，含土约5%～12%，局部胶结呈柱状。
2 试样与现场试验
根据规范要求，每组土剪切试验不宜少于3个样本点，剪切面积不宜小于0.3m2，高度不宜小于0.2m或为最大粒径的4～8倍。现场直接剪切试验在橡胶坝翼墙位置进行，开挖至设计高程，浇注混凝土试件及反力墩。每组试验点浇注混凝土试件4件，另有1件备用。杨岗橡胶坝、赵坡橡胶坝分别浇注试件2组9件，合计4组18件，试件剪切面积为0.5m2。
现场直剪试验垂直压力由反力平台及重物提供，水平反力由浇注于试件后侧的反力墩提供，采用油压千斤顶施加，位移由精确到0.01mm的百分表测读。
混凝土与地基土接触面直剪试验采用平推直剪法，推动方向与工程受力方向一致，在抗剪断试验后，又进行单点法抗剪（摩擦）试验。
3 试验结果分析
3.1 剪切应力-剪切位移关系曲线
根据现场直剪试验得出的各试样的剪切荷载与剪切位移，得出不同试样剪切应力τ与剪切位移μs关系曲线。剪切应力通过剪切荷载除以剪切面积As算得，按式（1）计算剪应力。
式中：τ为剪应力，kPa；Fs为剪切荷载，kN；As为剪切面积，m2。
绘制各试件试验τ—μs关系曲线，见图1。各试验的τ—μs关系曲线特征正常，表现为塑性破坏。
3.2 抗压强度—垂直应力关系曲线
图1 赵坡橡胶坝第3组τ□μs关系曲线图
根据各场地试样的剪切应力τ与剪切位移μs关系曲线，取比例极限强度、残余强度分别绘制正应力σ与剪应力τ关系曲线。由每个试样所施加的垂直荷载P，根据式（2）求得垂直正应力σ。结果见表1。
式中：σ为正应力，kPa。
表1 各组试件垂直压力与比例极限强度、残余强度关系
由Mohr-Columb理论，剪切破坏面上的抗剪强度τ与其垂直法向正应力σ关系如下：
τ=c+σtanφ
3.3 抗剪强度参数值
根据不同场地各试样的抗剪强度τ与垂直正应力σ，采用最小二乘法计算tanφ和c值。
计算得出各场地不能条件下tanφ和c值。
图解法和最小二乘法综合确定的各试验场地抗剪强度指标见表2。
表2 各试验场地抗剪强度试验结果
4 抗剪强度取值问题研究与分析
根据现场试验结果选取接触面抗剪强度地质建议值时，应考虑下述因素。
4.1 建基面开挖平整度的影响
现场直接剪切试验建基面的凹凸起伏差异增大时，抗剪强度有增高的趋势。橡胶坝接触面抗剪强度试验是按照《水利水电岩石试验规程》（SL 264—2001）的规定进行，试件浇注前，基岩面的起伏差为试件边长1%～2%（7～14mm）来控制，但由于姜石的影响，在实际起伏差略大于14mm，而坝基在施工时其凹凸程度较为容易控制，起伏较小。因此坝基提供的抗剪强度比试验值偏大。
4.2 坝基强度弱面
根据分析坝基强度弱面主要为土体与混凝土垫层接触面，试验发现，混凝土-黏土夹姜石剪切破坏面发生的部位均位于黏土夹姜石中，杨岗橡胶坝9块试件破裂面的下切深度多与姜石粒径大小相关，一般3～5cm；赵坡橡胶坝9块试件剪切面多呈中间深两侧浅的“凸”形，一般为试体下切5～15cm深度范围不等。
4.3 抗剪强度参数的选用
通过试验，土的剪切破坏表现为典型的塑性破坏，可以确定比例极限强度、屈服强度、峰值强度和残余强度。《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487—2008）附录E.0.4混凝土坝基础与基岩间抗剪强度参数按残余强度参数与比例极限强度参数两者的小值作为标准值。《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）规定验算岩土体滑动稳定性，可以采用残余强度的抗剪强度参数；因为在滑动面上破坏的发展是累进的，发生峰值强度破坏后，破坏部分的强度降为残余强度。因此本工程抗滑稳定分析选用试验残余强度。
综合剪切面破坏形式、地基土特性等因素，抗剪强度参数采用地质建议值采用残余强度值0.65折，杨岗橡胶坝混凝土与黏土夹姜石现场直接剪切强度地质建议值为0.30、赵坡橡胶坝混凝土与黏土现场直接剪切强度地质建议值tanφ=0.31。
5 结论
（1）现场试验最大限度地模拟了工程实际情况，试验破环机制反映了土体应力分布规律，在确定试验指标时考虑了工程实际运行状况，成果分析采用了图解法和最小二乘法相互印证，得出试验指标较好地反映了土体的实际力学特征。
（2）试验建议值用于工程设计和施工，节约了施工工期和资金，经历了多年高水位运行的考验，运行状况良好。