瀝青混凝土水力劈裂及裂縫淤堵試驗研究

佘 嬌

（三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002）

瀝青混合料是由瀝青、骨料和填料按比例配合，經過加熱拌制而成，瀝青混合料經壓密而成瀝青混凝土.由于瀝青混凝土自身具有較強適應地基變形的能力和良好的不透水性，因此在土石壩心墻方面的應用很廣泛.隨著水電建設向西南發展，土石壩正逐漸向高300m級發展，但在高瀝青混凝土壩的建設中，瀝青混凝土心墻面臨著水力劈裂等問題.判斷心墻在蓄水條件下是否發生水力劈裂，將直接關系到大壩能否安全運行［1］.

20世紀70年代以來，國內外學者［2－6］對防滲土體水力劈裂的問題已進行了深入研究，并取得了重要的成果.對于土石壩瀝青混凝土心墻防滲結構水力劈裂的機理與產生條件，研究成果甚為稀少.一般認為心墻的水力劈裂壓力與心墻土體的飽和度、固結度有關.現場劈裂壓力值有確定的界限，上限和下限分別由飽和固結和飽和非固結水力劈裂試驗得到，提高心墻與壩殼泊松比都有利于心墻防止水力劈裂，壩殼與心墻的彈性模量比越大，心墻越易產生水力劈裂.《碾壓式土石壩設計規范》規定當Ui＞σmin＋｜σt｜（Ui為內水壓，σmin為土體中某點的最小主應力，σt為土體抗拉強度極限）即可能產生水力劈裂.本文針對水力劈裂這一熱點問題，利用瀝青混凝土試件，分別采取厚壁空心圓柱體試件和圓形平板試件進行水力劈裂試驗，研究其水力劈裂條件，將結構效應不同的試件產生的試驗結果進行對比，并在圓形平板試件的基礎上進行裂縫淤堵試驗，研究用泥漿淤堵裂縫的效果.

1 試驗材料與方法

1.1 厚壁空心圓柱體試件成型及試驗方法

厚壁空心圓柱體式樣的水力劈裂試驗［7］所用的試件，是按瀝青混凝土三軸試驗試樣尺寸成型試樣，直徑為100mm，高度為200mm，每組試樣不少于4個.控制一組試樣間的密度之差不大于0.01g／cm3.待試樣在規定的溫度下養護48h后，在試樣的一端中心處采用立鉆鉆孔，孔徑不小于20mm，孔深為160mm，形成空芯試件；用環氧樹脂或加溫的瀝青將試件粘接在三軸剪力儀的底盤上，按類似三軸剪切試驗或無側限抗壓強度試驗的方法進行.先從儀器底盤上的底孔向粘接在三軸剪力儀上試樣的孔洞中充水排出空氣，待孔洞中空氣排盡并被水充滿后，關閉底孔閥門.

試驗開始時先開啟連接試樣的排水閥門，緩慢地對瀝青混凝土試樣施加豎向壓力，當試樣軸向變形達0.8%時，停止增加豎向壓力并維持該壓力；然后分級同時向瀝青混凝土試件的空芯腔體施加內水壓力和周圍壓力，隨時監測排水管，觀察是否有氣、水排出；待內水壓力和周圍壓力達到1.2MPa后，停止增加內外水壓力.觀察一段時間，若無氣、水排出，則采取維持內水壓力不變而逐步減小周圍壓力或同時減小周圍壓力和內水壓力到某一壓力，然后再逐步施加內水壓力，當試件內水壓力與周圍壓力的壓差達到一定量后，就可能產生水力劈裂.瀝青混凝土圓形平板試件水力劈裂裝置照片如圖1所示.

圖1 試樣水力劈裂前軸向受力

1.2 圓形平板試件成型及試驗方法

圓形平板試件水力劈裂試驗［8］是將瀝青混凝土板放置于上下兩腔體之間，并用法蘭盤來止水.上部帶法蘭盤的圓形腔體可施加水壓力，下部圓形腔體底部帶可調節底板，頂部帶法蘭盤.試驗時下部腔體填充砂礫石過渡料；上下部兩個圓形腔體的直徑均為300mm.圓形板式瀝青混凝土試件被螺絲固定在上、下兩個腔體之間；上部腔體與瀝青混凝土板之間用密封圈密封，試驗時逐級向上腔體內施加壓力，觀察下部腔體滲水量的變化.根據滲水量的變化情況判斷在該級水壓條件下是否產生了水力劈裂現象.試驗裝置如圖2所示.

圖2 圓形平板試件水力劈裂試驗裝置（單位：mm）

試驗開始時，在上腔體中逐級施加水壓力，每級壓力增量為0.2MPa，并穩壓45min，觀察下腔體的滲水情況，至上腔體壓力達1.0MPa，下腔體仍無滲水情況發生，這就說明瀝青混凝土板在上腔體壓力達1.0MPa時未發生水力劈裂現象.在1.0MPa水壓力作用下未見水力劈裂條件下，逐步調整下部腔體的底板，使得瀝青混凝土板隨砂礫石過渡料一起產生變形，同時觀察下部腔體滲水量的變化，直至瀝青混凝土板破壞、水量大增為止.

1.3 瀝青混凝土裂縫淤堵試驗方法

瀝青混凝土裂縫淤堵試驗是在混凝土板水力劈裂試驗的基礎上進行的.試驗方法與瀝青混凝土板水力劈裂試驗類似.不同的是，為了進行裂縫淤堵試驗，試驗前先在一塊厚60mm的瀝青混凝土板的中部切割一條長100mm、寬4mm的縫；另外增加一個施加泥漿壓力的裝置.

開始試驗時，先用粘土將裂縫封住，以保證在施加水壓力之前，上部加壓腔體內的水不會漏出.試驗時，先將上部加壓腔體逐步施加水壓力，同時觀察底部出水量的變化；待底部有較大的出水量，瀝青混凝土形成了一定程度的裂縫時，停止施加水壓力而改加與水壓力同樣大小的泥漿壓力，連續觀測水量的變化；以判斷用泥漿淤堵裂縫的效果.

試驗用的泥漿是用膨潤土和水攪拌而成的，泥漿比重為1.304，試驗后測量泥漿淤堵縫長約為3cm，瀝青混凝土板的過渡料表層有約2mm厚的一層泥漿層.

2 試驗結果分析

2.1 厚壁空心圓柱體試件試驗結果分析

假設試件為弱透水性，則當外壓力作用于試樣時，可用拉密公式計算試件的內力：

式中，a為空心圓柱的內徑，b為空心圓柱的外徑，pi為空心圓柱的外壓力，p0為空心圓柱的內壓力.

當σt＝σθ時，試件破壞，則

式中，σt為抗拉強度.

根據空心圓柱試驗所得破壞時的內外壓力差即可求抗拉強度.

選用了4組擊實的瀝青混凝土試件，進行了厚壁空心圓柱劈裂試驗.試驗的密度為2.39～2.43t／m3，試驗成果見表1.

表1 厚壁空心圓柱劈裂試驗成果

1）在無側限情況下，當內孔壓力為0.15MPa，瀝青混凝土試件基本未產生變形；當內孔壓力為0.2 MPa，隨作用時間的增長，瀝青混凝土試件徑向變形逐漸增大，徑向變形達0.7%時仍未產生水力劈裂，徑向變形達到1.1%時，產生水力劈裂，破壞內外水壓力差為0.2MPa，按式（3）換算σt約為0.2MPa.

2）在有側限的情況下，試件在經過0.8%的豎向剪切變形后，施加0.3MPa的內外水壓力，試件沒有出現水力劈裂現象，產生水力劈裂破壞內外水壓力差可達0.4MPa，這與按式（3）換算的值約為0.4，幾乎一致.

3）厚壁空心圓柱劈裂試驗與心墻壩水力劈裂判別準則的受力狀態不完全一致，試驗成果反映了徑向劈裂問題.無論是在有側限還是無側限條件下，試樣都是在內外水壓存在壓差的情況下，并產生徑向變形后才產生水力劈裂.

2.2 圓形平板試件試驗結果分析

試驗成果見表2［7］.

表2 瀝青混凝土平板試件水力劈裂試驗成果表

試驗成果表明，圓形板試件承受1.0MPa的水壓力，瀝青混凝土板未發生水力劈裂現象.在承受1.0 MPa的水壓力的條件下，瀝青混凝土板的厚度分別為25mm、40mm、60mm，瀝青混凝土板發生周邊受到約束而被拉裂破壞時，底部變形量分別為7mm、9.3mm、11mm，破壞時發生的剪切變形率達18%.

2.3 瀝青混凝土裂縫淤堵試驗

瀝青混凝土裂縫淤堵試驗成果表見表3.

表3 瀝青混凝土裂縫淤堵試驗成果表

由試驗結果可以得出：用膨潤土和水攪拌而成的泥漿充填瀝青混凝土的裂縫效果非常明顯，由水壓力改為泥漿壓力3～5min，出水量約為水壓力的15%，8～10min，約為施加水壓力時的1%，13～15min，裂縫基本被封堵.

3 結 論

本次試驗根據室內瀝青混凝土試件，分別采取圓柱體和圓形板式式樣，研究其水力劈裂的條件，并且在圓形平板試件的基礎上進行瀝青混凝土裂縫淤堵試驗，得出以下結論：

1）厚壁空心圓柱劈裂試驗表明：無論是有側限還是在無側限條件下，瀝青混凝土試件都是在內外水壓存在壓差的情況下，并產生一定的徑向變形后才發生徑向水力劈裂，均產生徑向水力劈裂.徑向拉伸應力達200kPa以上，徑向變形需達1%左右.

2）平板試件劈裂試驗表明：過渡料正常壓密條件下，厚度在25mm以上的瀝青混凝土板承受1 000 kPa的水壓力不會產生水力劈裂；在1 000kPa的水壓力作用下，瀝青混凝土的剪切變形率達18%時，才在周邊發生水力劈裂破壞.

3）從分別利用厚壁空心圓柱和平板這兩種不同結構效應的試件進行水力劈裂試驗的結果來看，劈裂壓力與瀝青混凝土的抗拉強度以及軸向應力并不成正比.這表明，根據《碾壓式土石壩設計規范》使用的判別土石壩發生水力劈裂的經驗公式Uif＜σ1＋T，（其中Uif是臨界水壓力，σ1是心墻所受的小主應力，T是瀝青混凝土的抗拉強度），并不適用于瀝青混凝土心墻.

4）采用比重為1.034的膨潤土泥漿，在100kPa的壓力下，結合過渡料有較好的堵縫效果.

［1］ 王為標.土石壩瀝青防滲技術的應用和發展［J］.水力發電學報，2004，23（6）：70－71.

［2］ 介玉新，李廣信.加筋土數值計算的等效附加應力法［J］.巖土工程學報.1999，21（5）：614－616.

［3］ 介玉新，王乃東，李廣信.加筋土計算中等效附加應力法的改進［J］.巖土力學.2007，S28：129－132.

［4］ 介玉新.加筋高邊坡及計算方法［J］.工程地質學報，2010，18（Sup）：263－267.

［5］ 王清友，孫萬功，熊歡.塑性混凝土防滲墻［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［6］ 張丙印，李娜，李全明，等.土石壩水力劈裂發生機理及模型試驗研究［J］.巖土工程學報，2005，27（11）：1277－1281.

［7］ 魯 超.土石壩瀝青混凝土壩心墻水力劈裂研究［D］.西安：西安理工大學，2010：32－33.

［8］ 朱 晨，魏匡民，饒錫保.土石壩瀝青混凝土心墻水力劈裂研究［J］.水力發電學報，2013，32（1）：218.

［9］ 李廣信.高等土力學［M］.北京：清華大學出版社，2007.