含水率對(duì)粘土與混凝土接觸面抗剪強(qiáng)度影響研究

陸業(yè)奇

(水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

1 研究背景和意義

土石壩因其工程結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、施工技術(shù)簡便、造價(jià)便宜并可就地取材，而成為水電工程建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛的一種壩型，其中，在我國已建成的八萬多座水壩中土石壩約占90%[1-3]。粘土與混凝土接觸問題在土石壩工程建設(shè)中普遍存在，如粘土心墻與岸坡混凝土斜坡、粘土心墻與壩基混凝土基座、高塑性粘土與防滲墻和廊道之間等接觸部位。由于土體和結(jié)構(gòu)物兩者材料變形及強(qiáng)度特性相差懸殊[4]，二者組成的系統(tǒng)在受到外部荷載或者其他因素的作用下，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的力學(xué)響應(yīng)，尤其在水利水電工程中，隨著庫水入滲導(dǎo)致接觸面土體含水率發(fā)生變化，其力學(xué)特性更為復(fù)雜。近年來，隨著土石壩往300 m級(jí)發(fā)展，粘土與混凝土之間的接觸力學(xué)特性更是引起了水利水電工程界的關(guān)注。不少學(xué)者對(duì)土與混凝土的力學(xué)特性已開展了較為系統(tǒng)地研究并取得了豐碩的成果[5-10]，但大多研究不同豎向應(yīng)力和混凝土表面粗糙度對(duì)接觸面力學(xué)特性的影響，對(duì)土體含水率對(duì)接觸面力學(xué)特性影響的關(guān)注相對(duì)較少。為此，本文依托我國西南某土石壩工程，利用大型直剪儀，配制不同含水率的粘土試樣，開展土與混凝土接觸面的直剪試驗(yàn)，研究接觸面抗剪強(qiáng)度與土體含水率之間關(guān)系。

圖1 不同含水率的粘性土與混凝土接觸面剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在河海大學(xué)水工結(jié)構(gòu)研究所自主研發(fā)的大型直剪系統(tǒng)上進(jìn)行[11]，分別對(duì)6組不同含水率的粘土與混凝土接觸面進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，剪切速度控制在0.5 mm/min。試驗(yàn)土料取自工程現(xiàn)場，其各粒徑質(zhì)量百分比如表1所示，土樣不均勻系數(shù)Cu為8.78，曲率系數(shù)Cc為1.52，土樣的級(jí)配良好，基本物理參數(shù)如表2所示。試樣制備時(shí)，先將土料晾曬風(fēng)干，進(jìn)行碾散，并過2mm篩，過篩后加水充分?jǐn)嚢瑁蛊溥_(dá)到預(yù)定含水率，之后將土料密封保存24 h使土體含水率均勻分布。之后，將土樣分層填入尺寸為200 mm×200 mm×100 mm(長×寬×高)的剪切框。為符合實(shí)際現(xiàn)場施工條件下接觸面部位土體難以完全壓實(shí)的情況，本次試驗(yàn)的試樣干密度均控制在1.56 g/cm3，小于最大干密度。為研究粘土含水率對(duì)土與混凝土接觸面力學(xué)特性的影響，分別配制含水率為4%、8%、12%、16%、22%、28%的試樣。

表1 試樣各粒級(jí)的質(zhì)量百分比含量

表2 試驗(yàn)土樣的基本物理參數(shù)

含水率4%、8%、12%、16%的試樣分別采用250、500、750、1 000 kPa 4種豎向應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)試樣含水率為22%和28%時(shí)，土體在高應(yīng)力下容易被擠出，因此，含水率為22%和28%的試樣分別采用125、250、375、500 kPa的豎向應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 接觸面剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

圖1是不同含水率下試樣土體與混凝土接觸面的剪應(yīng)力-剪切位移的試驗(yàn)結(jié)果。從圖1中可以看出，除了含水率較低，豎向荷載較小的情況下出現(xiàn)應(yīng)力軟化現(xiàn)象外，粘土與混凝土接觸面的剪應(yīng)力-剪切位移曲線均呈先增大后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，可采用Duncan提出的雙曲線模型進(jìn)行參數(shù)擬合。抗剪強(qiáng)度與豎向荷載之間滿足一般規(guī)律，在相同含水率條件下，粘土與混凝土接觸面的豎向荷載越大，剪應(yīng)力峰值越高，且剪應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)的剪切位移也越大。接觸面剪切力學(xué)特性同時(shí)受土體含水率的影響，當(dāng)土體含水率小于12%時(shí)，接觸面的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線基本接近，接觸面剪應(yīng)力峰值變化較小；隨著含水率的增加，達(dá)到相同剪切位移所需的剪應(yīng)力急劇減小，而當(dāng)含水率繼續(xù)增大到某一水平后，不同含水率間接觸面的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線的差距逐漸減小。

對(duì)于含水率和豎向應(yīng)力均較低的情況，粘土與混凝土接觸面剪切過程大致可分為彈性、彈塑性、應(yīng)變軟化、殘余摩擦4個(gè)階段。以含水率4%、豎向荷載250 kPa下的剪切試驗(yàn)結(jié)果(如圖2所示)為例，分析如下：

(1)彈性階段(OP段)。此階段剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系近似為一條直線。接觸面的剪應(yīng)力主要由兩種接觸材料之間的靜摩擦力提供，兩種材料之間并未產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，直至達(dá)到剪應(yīng)力彈性極值(圖2中的P點(diǎn))。

(2)彈塑性階段(PQ段)。隨著剪切位移的增加，接觸面剪應(yīng)力超過了彈性極值后仍在持續(xù)增加，但變幅逐漸減小直至為零。在此階段內(nèi)，接觸面的位移帶動(dòng)了周圍土體的變形，在接觸表面逐漸形成了一個(gè)剪切錯(cuò)動(dòng)帶。接觸面的靜摩擦力和帶內(nèi)土體的切向變形共同提供了剪應(yīng)力。當(dāng)剪切帶內(nèi)土體變形達(dá)到其破壞的臨界值時(shí)，剪應(yīng)力達(dá)到最大值，即接觸面的抗剪強(qiáng)度(圖2中的Q點(diǎn))。

(3)應(yīng)變軟化階段(QR段)。此階段滑動(dòng)區(qū)內(nèi)的土體切向受力已達(dá)到極限。粘土與混凝土接觸面附近的土體隨著剪切位移的繼續(xù)增加，接觸面附近部分土體的原始結(jié)構(gòu)遭受破壞，導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度降低，表現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象。當(dāng)含水率較大，或者豎向應(yīng)力較高時(shí)，土體的原始結(jié)構(gòu)性(孔隙結(jié)構(gòu))在剪切之前已發(fā)生改變，此時(shí)主要反映出剪切硬化特性。

圖2 接觸面剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線(ω=4%，σ=250 kPa時(shí))

(4)殘余摩擦階段(RT段)。由于接觸面附近土體的原始結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，其剪應(yīng)力主要由滑動(dòng)摩擦提供，在法向荷載不變的情況下，該作用力基本保持恒定。此階段剪應(yīng)力隨著剪切位移的增加基本保持不變。

3.2 接觸面抗剪強(qiáng)度

由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，固定含水率條件下，接觸面抗剪強(qiáng)度與法向荷載之間仍近似成直線關(guān)系，可用摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則表示：

τf=σtanφsur+csur

(1)

式中，τf為剪應(yīng)力峰值；σ為豎向荷載；φsur和csur分別表示粘土與混凝土接觸面的內(nèi)摩擦角和粘聚力。根據(jù)最小二乘法，分別繪出的土體含水率為4%、8%、12%、16%、22%、28%時(shí)的接觸面σ-τf關(guān)系曲線，如圖3所示。相應(yīng)的接觸面抗剪強(qiáng)度擬合公式和內(nèi)摩擦角φsur及粘聚力csur列于表3。圖4和圖5分別為粘土與混凝土接觸面內(nèi)摩擦角和粘聚力與土體含水率的關(guān)系曲線。

圖3 不同含水率下粘土與混凝土接觸面 σ-τf 關(guān)系曲線

含水率ω/%強(qiáng)度線擬合公式粘聚力csur/kPa內(nèi)摩擦角φsur/(°)4τf=0.693σ+36.31936.31934.728τf=0.739σ+46.73546.73536.4612τf=0.662σ+77.54377.54333.5016τf=0.380σ+68.55068.55020.8122τf=0.116σ+38.79938.7996.6228τf=0.060σ+20.61020.6103.43

圖4 接觸面內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線

圖5 接觸面粘聚力與含水率的關(guān)系曲線

分析表3和圖4、5可知，在土體含水率小于12%時(shí)，粘土與混凝土接觸面內(nèi)摩擦角隨含水率變化的幅度較小；當(dāng)土體含水率超過12%時(shí)，內(nèi)摩擦角隨含水率增加顯著減小；之后，內(nèi)摩擦角隨含水率的變化又趨于平緩。粘聚力隨含水率的增加先增大后大幅減小。

圖6是不同豎向荷載下，粘土與混凝土接觸面抗剪強(qiáng)度與含水率的關(guān)系。從圖6中可以看出，接觸面抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增加，同樣呈先稍有增加后明顯減小的趨勢(shì)，其中在豎向荷載較大的條件下，接觸面抗剪強(qiáng)度隨含水率增大減小最為明顯，在高土石壩建設(shè)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

圖6 不同豎向荷載下接觸面抗剪強(qiáng)度與含水率的關(guān)系曲線

4 結(jié) 語

通過采用大型直剪儀對(duì)粘土與混凝土接觸面開展直剪試驗(yàn)，研究了土體含水率與接觸面力學(xué)特性的影響，結(jié)果表明：

(1)粘土與混凝土接觸面剪應(yīng)力-剪切位移呈非線性關(guān)系，主要表現(xiàn)為剪切硬化規(guī)律，可采用Duncan提出的雙曲線模型進(jìn)行參數(shù)擬合。然而，在土體含水率和豎向荷載較低的情況下，接觸面應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)略微的應(yīng)力軟化現(xiàn)象。

(2)在同一含水率下，粘土與混凝土接觸面的法向應(yīng)力-抗剪強(qiáng)度關(guān)系仍可用摩爾-庫侖破壞直線模擬，在土體含水率小于12%時(shí)，內(nèi)摩擦角略有增加，而后隨含水率的增大逐漸減小，粘聚力則隨含水率的增加表現(xiàn)為先增加后減小。

(3)在同一豎向荷載下，粘土與混凝土接觸面抗剪強(qiáng)度隨含水率增加先略有增加后逐漸減小，且豎向荷載越大，抗剪強(qiáng)度減小越明顯。

根據(jù)粘土與混凝土接觸面抗剪強(qiáng)度與含水率之間的關(guān)系，可確定接觸部位土體在施工時(shí)的最優(yōu)含水率，并對(duì)庫水入滲后接觸面的剪切位移進(jìn)行評(píng)估，對(duì)土石壩心墻設(shè)計(jì)具有一定的參考作用。要說明的是，以上結(jié)果僅根據(jù)本次試驗(yàn)得出，對(duì)于其他土體與混凝土的接觸面是否適用，有待進(jìn)行深入研究。