（一）坝料静动三轴试验

为了使册田水库南副坝混凝土防渗墙结构应力应变分析接近实际，需要对混凝土防渗墙周围所接触的坝体坝基土料进行土工试验。为此，1990年山西省水利勘测设计院委托清华大学水利水电工程系土力学实验室进行了坝体黏性土和坝基砂料的E—B模型参数试验及动剪切模量、阻尼比和动强度等参数测定的室内试验。

1.邓肯·张E—B模型参数试验

（1）砂料试验。砂样取自大坝下游与坝基砂料相近的中砂。试验方法采用三轴剪切试验的固结排水剪切试验方法进行。砂料E—B模型的7个试验参数见表7-1。

表7-1　册田水库南副坝坝基砂料E—B模型的7个试验参数表

注　K、n、Kb、m为三轴实验常数；C为土的黏聚力；Φ为土的内摩擦角；Rf为破坏比。

（2）土料试验。大坝土料为黏性土。土样取自大坝坝体内约3m深的原状土，平均干密度为1.58g/cm3。试样经饱和装入三轴压力计内，加上预计围压至稳定，然后采用固结排水剪切进行试验。土料E—B模型的7个试验参数见表7-2。

表7-2　册田水库南副坝坝体土料E—B模型的7个试验参数

注　K、n、Kb、m为三轴试验常数；c为土的黏聚力，其单位为kg/cm2（1kg/cm2=0.1MPa）；Φ为土的内摩擦角；Rf为破坏比。

2.动力试验

坝料的动力试验在DSD型电磁式振动三轴以上进行。振动频率采用0.5Hz。试样及其成型方法与邓肯·张E—B模型试验参数试验时完全相同。固结前砂料的干密度为1.63g/cm3，黏性土的干密度为1.58g/cm3。试验均在充分饱和的情况下进行。

（1）砂料的动力试验。砂料的模量及阻尼比试验采用饱和砂土振动三轴试验方法进行。试验时采用一个试样，在固结比Kc=σ1/σ3=1、σ3=0.1MPa条件下固结后，在不排水条件下加一定动应力幅值振动5周，用光线示波器记录应力—应变时程曲线，然后排水固结。在同样条件下，改变动应力幅值，再进行振动，如此改变多次动应力幅值，振动多次，完成模量与阻尼比试验。试验所得的动参数见表7-3。

表7-3　册田水库南副坝坝基砂料动参数表

注　σd为动应力，εd为动应变，λ为阻尼比，Ed为动模量，Gd为动剪模量，γd为动剪应变。

表7-4　册田水库南副坝砂料动强度σd/2σ3值

破坏动应变εf=5%的动强度即σd/2σ3值见表7-4。

（2）土料的动力试验。坝体土料的模量及阻尼比试验与砂料相同。试验所得的动参数见表7-5。

表7-5　册田水库南副坝坝体土料动参数表

表7-6　册田水库南副坝土料动强度σd/2σ3值

土料的动强度试验方法与砂料相同。试验即条件除Kc=1、2、2.5外，其余条件同砂料。破坏动应变εf=5%的动强度即σd/2σ3值见表7-6。

3.建议应用于动力反分析中的试验参数值

为便于动力分析应用，将上述剪切模量和阻尼比试验数值拟合成如下公式与参数

式中　Gd——相应于动剪应变时的动剪切模量；

Gdmax——最大动剪切模量，对于坝基沙土取50MPa，对于坝体土取40MPa；

γd——动剪应变；

γr——参考应变；

τmax——该应力状态下能施加的最大剪应力，取0.06MPa；

λmax——最大阻尼比，对于坝基沙土取0.16，对于坝体土取0.14；

a、b——试验参数，对于坝基砂土取a=1.6，b=0.8，对于坝体土取a=1.0，b=2.0。

（二）塑性混凝土试验

为了深入了解塑性混凝土的物理力学特性、抗渗性能、耐久性，为确定册田水库南副坝塑性混凝土防渗墙设计方案和选择塑性混凝土防渗墙施工配合比提供依据，1990年由原山西省水利勘测设计院委托原水电部地质勘探基础处理公司技术咨询中心和清华大学水利系对塑性混凝土进行了试验研究，试验项目有原材料试验、塑性混凝土配合比试验及力学性能试验、渗透试验及耐久性试验等一系列试验，在国内首次对塑性混凝土进行了较为全面的试验研究，取得了翔实的基础资料和丰硕的成果［2］。

试验工作分为两个阶段：第一阶段为1990年6～8月，历时3个月，通过3组配合比试验成果，为设计方案选择提供依据；第二阶段为1990年8～11月，主要是根据设计要求结合施工条件进行施工配合比选择试验。

1.设计要求

根据国外对塑性混凝土的研究成果，山西省水利勘测设计院结合册田水库南副坝的实际情况对塑性混凝土提出以下试验要求：

（1）坍落度：18～22cm。

（2）扩散度：35～45cm。

（3）抗压强度：R28=1.0～2.5MPa。

（4）弹性模量：E28≤500MPa。

（5）渗透系数：K28≤10-7cm/s。

同时还要求试验提供塑性混凝土的以下参数：

（1）90d的弹性模量E90。(www.daowen.com)

（2）28d和90d两个龄期的C、φ值。

（3）7d、14d、28d、90d龄期的抗压强度R7、R14、R28、R90。

2.塑性混凝土配合比选用

配合比的选择是通过混凝土试拌和物理性能试验，对外加剂的品种、掺量进行比选，并对影响流动性能因素以及砂率进行对比试验，最后选定5种配合比进行试验（见表7-7）。

表7-7　册田水库南副坝塑性混凝土配合比表

3.试验方法及试验结果

由于塑性混凝土含有大量的土料，呈现明显的土工特性，而且混凝土防渗墙处在地下受水压、土压的工作条件，因此，塑性混凝土的弹性模量、极限变形和C、φ值均在三轴仪上进行试验，这样的试验结果比单轴试验更接近实际。进行直径15cm、高30cm的大型塑性混凝土试件试验，当时在我国还是第一次。试验的物理力学结果见表7-8。28d龄期的静三轴试验成果见表7-9；90d龄期的静三轴试验成果见表7-10。

表7-8　册田水库南副坝塑性混凝土物理力学试验结果表

表7-9　塑性混凝土28d龄期的静三轴试验成果表

表7-10　塑性混凝土试件N-490d龄期静三轴试验成果表

为了解塑性混凝土的动力特性，采用拟静剪共振柱仪对塑性混凝土试件N-4进行了动力特性试验，其试验成果见表7-11。

表7-11　册田水库塑性混凝土共振柱试验成果表

续表

渗透系数用两种方法求得：一是根据我国混凝土渗透系数测定方法（水头历时渗水高度计算法）；二是根据土料渗透系数测定方法（水头渗透流量计算法）。两种方法的试验成果见表7-12。

表7-12　渗透试验成果表　单位：cm/s

耐久性试验主要采用测定钙离子溶出量的方法，同时进行了渗透比降、破坏比降及简单的固结强度等试验。

钙离子溶出试验的试件为φ5.5cm×7.0cm，平均水头20m，长流水溶蚀，定期实测透过塑性混凝土试件的溶蚀水中钙离子含量。根据77d（此时混凝土龄期为107d）的试验资料，用经验公式推算出塑性混凝土的使用寿命可以达到300年以上，完全满足工程需要。

4.试验结果分析与结论建议

（1）塑性混凝土物理力学特性。

1）物理性能。通过试验，册田水库南副坝塑性混凝土的物理性能为

坍落度：22cm。

扩散度：41～46cm。

容重：大于20kN/m3。

凝结时间与气温密切相关：气温在20℃左右时，初凝时间4～6h，终凝时间20～30h；气温在30℃左右时，初凝时间约1h，坍落度损失比较快，终凝时间8h左右。

2）力学指标。通过试验，册田水库南副坝塑性混凝土的主要力学指标为

抗压强度：R28=1.12～2.5MPa。

弹性模量：E28=410～620MPa。

渗透系数：K28=8.4×10-9～3.1×10-6cm/s。

试验结果显示，塑性混凝土的物理力学性能可以满足设计要求。

（2）塑性混凝土静力特性。通过分析试验结果，发现塑性混凝土具有以下静力特性：

1）具有水泥水化物的一般规律。抗压强度随着龄期的延长而不断增长；在对等条件下抗压强度随水泥用量的增加而提高，随土料的增加而降低；弹性模量和渗透系数与抗压强度变化密切相关，弹性模量与强度变化趋势一致，而渗透系数与龄期成反比关系。

2）在围压作用下，强度随围压的增加而提高，如配合比N-1，围压由0增加到1.2MPa，其破坏时的轴向应力由1.5MPa增加到5.6MPa；初始弹模随着围压的增加基本无显著变化，而且多小于单轴的初始弹模；极限变形随着围压的加大而加大，围压由0增大到1.2MPa时，极限变形由0.45%增大到13.1%，混凝土的龄期对其影响不大。这些特性对改善防渗墙的应力应变时非常有利的。

（3）防渗性能。塑性混凝土的渗透系数随着水泥和土的用量的增加而减小，特别是膨润土的增加对减小塑性混凝土后期的渗透系数是明显的。28d龄期的渗透系数小于10-7 cm/s，90d龄期的渗透系数则小于10-8cm/s，小了一个数量级。在耐久性试验中，也显示出渗透系数是随着龄期的增加而减小的。因此，塑性混凝土的防渗性能是优越的。

（4）动力特性。根据动力试验结果可以看出，当剪应变γ＜10-7时，动模量基本为常数；当剪应变γ＞10-7后，与一般土的规律相似。G随γ的增大而降低，以γ＜10-7的模量作为塑性混凝土的起始动模量G0，则G0随四围压力σ3的增加而明显加大。阻尼比λ与剪应变γ的关系为阻尼比随剪应变的增加而有增加的趋势。

（5）耐久性。从试验结果可以看出：

1）塑性混凝土在有水压条件下，固结7d的抗压强度要比正常条件下高出40%左右，由此可证实塑性混凝土不存在软化问题。

2）塑性混凝土的渗透比降与破坏比降都随混凝土的令期增长而加大，如N-1配合比90d的破坏比降大于533（15cm高试块经80m水头压180min未破坏）。

3）由钙离子溶出试验结果可以看出，塑性混凝土的耐久性完全满足工程要求，塑性混凝土用于永久性工程是安全可靠的。

（6）推荐的施工配合比。根据上述塑性混凝土配合比试验情况，原水电部地质勘探基础处理公司在施工前又进行了施工配合比试验，提出册田水库南副坝塑性混凝土推荐施工配合比及主要指标见表7-13。

表7-13　册田水库南副坝塑性混凝土推荐施工配合比及主要指标表