土石壩心墻填土恒壓吸濕變形試驗研究

郭 沖，邱秀梅，趙曉龍，卞漢兵

(山東農業大學 水利土木工程學院，山東泰安 271018)

1 引言

土石壩具有就地取材、對地形地質條件要求低、施工方法簡單且造價低廉等諸多優點，因而在水利水電工程中得到廣泛應用。據國內外已建壩的統計資料，土石壩的數量占總建壩(數的90%以上，其中粘土心墻壩是最為常用的壩型之一［1］。在土石壩的設計、建設以及運行管理過程中，存在很多極具挑戰性的巖土工程問題，其中之一就是土石壩心墻的水力劈裂問題，心墻防滲體是否產生水力劈裂，將直接關系到大壩的安全與穩定［2］。

土石壩心墻中的裂縫及缺陷是形成水力劈裂的前提條件，而心墻材料的低透水性與心墻裂縫或缺陷的高透水性使得“水楔”作用形成，使水力劈裂的發生具備了力學條件［3］。對裂縫和缺陷的形成條件，國內外學者認為主要由兩種原因造成［4］:一是施工中各碾壓層之間及同層的不同施工段之間均是易形成裂縫或缺陷的部位，施工進度及施工環境(如環境溫度、濕度等)的變化也有一定影響，這些裂縫在施工中應是閉合的。二是不均勻沉降及其引起的應力重分布是產生新的裂縫和使施工產生的閉合裂縫張開擴大的主要原因，即便是在不均勻沉降較小的情況下也可能形成這種裂縫［5］。而根據非飽和土力學理論，土體飽和度變化對其強度、滲流特性和體積都會產生影響［6］。文［7］針對土石壩心墻土在初次蓄水前為非飽和土分析了心墻土的滲透性、初始飽和度和蓄水速度等因素對心墻水力劈裂的影響。

本文通過一維固結試驗發現不同壓力下重塑粘性土在浸水飽和過程中的不同變形特征，為裂縫及缺陷的形成指出了另一種原因。

2 試驗方法

2.1 試驗流程

本試驗通過一維固結試驗將重塑土試件固結后，使其浸水飽和，觀察其在飽和過程中的變形規律。所用儀器主要有擊實儀、一維固結儀、電子稱、臺秤，烘箱等。擊實儀用于制作重塑土;一維固結儀是本試驗的主要儀器，用于觀察試件的固結變形及加水飽和過程中的變形;電子稱和烘箱用于確定試件的含水率及飽和度;臺秤用于制作重塑土樣時土的稱量。試驗流程如下:

圖1 試驗流程Fig.1 Test process

2.2 試驗過程

將試驗用土粉碎過0.5 mm篩后配置18%含水率的土樣，靜置后通過擊實形成重塑土，然后用環刀制作試件。為保證各試件初始孔隙比的一致性，在用擊實儀制備重塑土土樣時，經過多次嘗試，最終確定分五層擊實，每層擊數為九下，每層土樣質量為400 g。每個擊實樣可以制作四個試件。

將所制作的6個試件放入固結儀，固結壓力分別為 50 kPa，100 kPa，150 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa。經充分固結后(固結過程中不斷記錄試件的變形量)，將試件取出稱重用以計算此時的含水率和飽和度。重新加載穩定兩小時后，加水浸沒試件，觀察試件的豎向變形，記錄變形量，直至變形趨于穩定。最后將試件取出將環刀上的水擦干后及烘干后分別稱重。

由于試驗條件限制，在取得加水前試件的飽和度數值時，需要將試件卸載從固結儀中取出稱重。為減小卸載對沉降帶來的誤差，本試驗假定試件重新放入固結儀穩定2 h后的變形量與試件卸載之前的變形量一致;并且認為再次加載時試件排水量很少，因此忽略再次加載時排水對飽和度產生的影響。

3 試驗數據及分析

3.1 非飽和土固結過程試驗數據及分析

含水率和飽和度的計算公式為:

式中: ω——含水率(%);

m——濕土質量(g);

ms——烘干土質量(g)。

Sr——試件的飽和度(%);

Vw——試件中水的體積(cm3);

Vv——試件中孔隙的體積(包括水的體積)(cm3);

Vs——試件中固體土顆粒的體積(cm3);

ρw——水的密度(g/cm3)，計算中取值為1.0 g/cm3;

60——試件的體積為60(cm3);

Gs——土粒比重，計算中取2.76。

由以上公式經計算得到固結前各試件的含水率和飽和度如表1所示。

表1 各壓力下試件的初始含水率和飽和度Table 1 The initial moisture content and water saturation of each specimen

各試件初始含水率均在試驗控制含水率18%左右，達到試驗控制要求。各試件初始飽和度均在69%左右，故為非飽和土。

根據試驗記錄的數據，繪制出各級壓力下固結過程中試件的變形曲線如圖2所示。

圖2 試件固結過程變形曲線Fig.2 The consolidation curve of specimens under different compression stresses

從上圖可以看出，加水前的固結過程中，加載初期各試件變形量很大，隨著時間的增加各試件沉降量逐漸趨于穩定。同時各試件變形量隨壓力增大而增大，具體結果表2所示。

表2 各壓力下試件的固結沉降量和孔隙比變化Table 2 The settlements，the void ratios before and after consolidation vs.compression stresses

雖然初始孔隙比有所差異，但經過壓縮固結過程，各試件在加水前隨固結壓力的增大孔隙比呈減小趨勢，這與土石壩底部壓力大孔隙比相對較小而上部壓力小孔隙比較大是相吻合的。

3.2 加水飽和過程的試驗數據及分析

固結完成后加水前以及加水飽和完成后將試件取出稱重，并計算得到此時各試件的含水率和飽和度如表3所示。

表3 固結完成后及飽和完成后各試件的含水率和飽和度Table 3 The moisture content and saturation before and after the saturation process

固結過程同時為排水過程，所以固結完成后各試件含水率有所降低，同時高壓力下孔隙比相比低壓力下孔隙比偏低，所以呈現出了固結完成后高固結壓力試件的飽和度相比低固結壓力試件有所升高的現象。

在浸水飽和過程中，土的三相狀態發生變化，由固液氣三相逐漸轉變為固液兩相狀態，此過程對土的本構關系會產生影響［8］。根據試驗記錄的數據，繪制出各級壓力下加水飽和過程中試件的變形曲線如圖3所示。

從上圖可以看出，在固結完成后加水飽和的過程中，在50 kPa壓力下，試件呈現出膨脹的特征;100 kPa、150 kPa和200 kPa壓力下，呈現出先膨脹后壓縮的特征，在最終變形量方面，100 kPa壓力下呈明顯膨脹，150 kPa壓力下，與加水前相比基本未變化，200 kPa壓力下略微收縮，在300 kPa和400 kPa壓力下，試件壓縮變形量明顯增大，未觀察到明顯膨脹現象。說明不僅同一恒壓不同飽和度下重塑粘性土可能呈現出不同的本構特征，而且壓力大小對其變形特征也會產生明顯影響。

在變形發生的時間方面，低壓力下加水后試件迅速發生變形，變形達到穩定時經歷的時間較短，而高壓力下變形發生相對較慢，達到變形穩定時經歷的時間也相對較長。這可能是由于密實度及孔隙連通性不同導致的滲透性不同而產生的。低固結壓力下試件滲透系數較大，可認為其在加水后短時間內即完成了飽和過程，所以在浸水飽和過程的開始階段就發生了明顯的變形;而高壓力下滲透系數相對較小，因而飽和過程相比低壓力下持續時間長，所以試件發生變形相對較慢且持續時間較長。最終各壓力下的試件變形量都趨于穩定，此時可認為試件達到了完全飽和狀態。各試件最終沉降量和孔隙比如表4所示。

表4 各壓力下試件的最終沉降量和孔隙比變化Table 4 The final settlements and the variation of the void ratios under different pressures

從上表可以看出，50 kPa和100 kPa壓力下，最終孔隙比相比加水前明顯增大，150 kPa壓力下孔隙比未發生明顯變化，200 kPa及以上壓力下孔隙比都發生了不同程度的減小。

由于土石壩心墻在不同高度處所受到自身壓力不同，再加上在水庫蓄水過程中，土壩體不同高度會因浸水時間不同，引起心墻上下及前后各位置處飽和度的變化;同時由于心墻的低透水性，可以認為在浸水飽和過程中即使在試件內部的相鄰位置，飽和度也可能存在較大差異。以上原因可能會導致壩體心墻某些相鄰位置變形不一致，從而形成裂縫或者缺陷。而這可能成為土石壩發生水力劈裂或水力擊穿破環的必要條件。

4 結論

(1)滲透性會影響此重塑粘性土飽和過程的經歷的時間，從而對變形經歷的時間和速率產生較大影響。

(2)不同壓力下的重塑粘性土在飽和過程中的變形特征呈現較大差異。

(3)同一壓力及不同壓力下飽和過程的不同變形特征可能導致壩體心墻在蓄水過程中形成裂縫或缺陷，而這可能成為土石壩發生水力劈裂或水力擊穿破環的必要條件。

［1］ 馮曉瑩，徐澤平，欒茂田.黏土心墻水力劈裂機理的離心模型試驗及數值分析［J］.水利學報，2009，40(1):109-121

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［6］ 趙成剛，韋昌富，蔡國慶.土力學理論的發展和面臨的挑戰［J］.巖土力學，2011，32(12):3521-3540

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［8］ Fredlund D G，Rahardjo H.非飽和土力學［M］.陳仲頤，等譯.北京:中國建筑工業出版社，1997