不同壓實度對接觸黏土料工程力學性能的影響研究

車維斌，譚小軍，江萬紅

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

1 引言

目前，國內超過200m的高心墻土石壩與蓋板搭接材料一般選擇接觸黏土料。糯扎渡、長河壩、兩河口工程是目前高心墻土石壩施工的典型代表，糯扎渡、長河壩已建成，兩河口已開工建設。

土石壩接觸土料通常用于防滲心墻料與壩肩接觸部位以及心墻與混凝土構件接觸部位易發生應力集中的區域，作為協調軟、硬兩種不同介質不同變形的“填充劑”，通過自身較強的塑性變形能力，調整和適應壩體的變形。由于在壩體中的功能及作用，要求這類黏土材料不僅具有一定的柔塑性、緩沖性和黏韌性，還要求其具有滿足工程的防滲抗滲性。

兩河口大壩接觸黏土料根據填筑施工技術要求，在兩岸高程2640m～2845m之間為可能發生較大剪切變形區域，其壓實度控制標準為94%～100%，現有土石壩工程中，壓實度控制設計要求基本只提出了下限值，本文通過對不同壓實度下的各力學與滲透指標研究，基于接觸黏土獨有的剪切變形特性，提出了接觸黏土受拉應力與剪應力時，其壓實度控制范圍，以揭示壓實度變化情況下的接觸黏土料變形、強度、滲透工程力學特性的變化情況。

2 室內力學試驗

2.1 試驗設計

根據室內標準擊實功能下的擊實試驗成果，采用固定含水率Wop+1，壓實度分別控制為94%、97%、100%、103%、106%，進行接觸黏土自身壓縮變形特性、自身抗剪強度特性、自身滲透特性試驗。

2.2 壓縮變形特性試驗研究

按照試驗方案進行試驗，得出同一含水率不同壓實度下的接觸黏土自身壓縮模量成果見表1、圖1。

表1 接觸黏土不同壓實度下壓縮模量成果

圖1 不同壓實度下接觸黏土壓實度與壓縮模量關系

由圖1可知：飽和與天然含水率(18.2%)下的接觸黏土隨著壓實度的增大，壓縮模量都逐漸增大，但是天然壓縮模量要高于飽和壓縮模量。

在同一含水量下，在此試驗設計的壓實度(擊實功)范圍內，隨著擊實功的增大，黏土顆粒的排列從無序不規則向排列緊密規則變化，因此干密度逐漸增大，壓縮模量逐漸變大。從協調大壩沉降變形的角度看，宜提高接觸黏土的壓實度。

2.3 抗剪強度特性試驗研究

按照試驗方案進行試驗，得出同一含水率不同壓實度下的接觸黏土自身抗剪強度成果見表2、圖2。

表2 接觸黏土抗剪強度試驗成果

圖2 不同壓實度下接觸黏土壓實度與摩擦角關系

由圖2可知：飽和與天然含水率(18.2%)下的接觸黏土隨著壓實度的增大，抗剪強度φ值都逐漸增大，壓實度106%時抗剪強φ值最大，固結快剪φ值要高于天然快剪φ值。

在同一含水量下，在此試驗設計的壓實度(擊實功)范圍內，隨著擊實功的增加，黏土顆粒的排列從無序不規則向排列緊密規則變化，因此隨著壓實度逐漸增大，抗剪強度逐漸變大。

2.4 滲透特性試驗研究

按照試驗方案進行試驗，得出同一含水率不同壓實度下的接觸黏土滲透系數成果見表3、圖3。

表3 接觸黏土不同壓實度下滲透系數成果

圖3 不同壓實度下接觸黏土壓實度與滲透系數關系

由圖3可知：天然含水率(18.2%)下的接觸黏土隨著壓實度的增大，滲透系數隨著壓實度的增大逐漸減小，壓實度106%時滲透系數值最小。

在同一含水量下，在此試驗設計的壓實度(擊實功)范圍內，隨著擊實功的增加，黏土顆粒的排列從無序不規則向排列緊密規則變化，因此隨著壓實度逐漸增大，黏土孔隙率逐漸減小，滲透系數逐漸降低。

3 接觸面試驗研究

取接觸黏土在非飽和狀態下進行的糙面混凝土接觸面下的直剪試驗(垂直壓力σn=200kPa)成果進行統計分析，作出圖4所示的不同壓實度非飽和接觸黏土在糙面混凝土下剪應力與剪切變形關系曲線。

圖4 不同壓實度非飽和接觸黏土在糙面混凝土下剪應力與剪切變形關系

由圖4可知，τ～Δl關系曲線的形狀都呈雙曲線形，土體所受剪應力在剪切初始階段上升較快，隨后緩慢上升，直剪試驗曲線呈硬化現象，沒有明顯的軟化現象。直剪試驗曲線水平段均較長，可見高塑性黏土在達到抗剪強度后，在強度基本保持不變的情況下變形可以有很大的發展，表現出較強的變形適應能力。

94%～105%壓實度下取強度值時的應變Δl～應力τ對應點分別為(13.5mm，155kPa)-94%、(12.5mm，165kPa)-97%、(8.0mm，190kPa)-100%、(7.05mm，200kPa)-103%、(6.5mm，210kPa)-105%。比較可知，不同壓實度下剪切開始出現大變形時，隨著壓實度的增大，接觸黏土與混凝土面的抗剪強度均有增大，但其達破壞強度時的剪切位移量也隨著壓實度的增大而減小。

因而，提高壓實度有利于增加接觸黏土與面板的抗剪強度，但其適應剪切變形的能力卻逐漸減小，在接觸黏土拉應力或剪應力區域，應控制其壓實度上限。

4 結論

通過對不同壓實度對接觸黏土料工程力學性能的影響研究，可以得出如下結論：

(1)飽和與天然含水率18.2%工況下，接觸黏土壓實度從94%變化至106%時，壓縮模量均逐漸提高，壓實度106%時壓縮模量最大，天然壓縮模量要高于飽和壓縮模量。

(2)飽和與天然含水率(18.2%)工況下的接觸黏土隨著壓實度的增大，抗剪強度φ值逐漸增大，壓實度106%時抗剪強度φ值最大，固結快剪φ值要高于天然快剪φ值。

(3)天然含水率(18.2%)下的接觸黏土隨著壓實度的增大，滲透系數隨著壓實度的增大逐漸減小，壓實度106%時滲透系數值最小。

(4)不同壓實度下剪切開始出現大變形時，隨著壓實度的增大，接觸黏土與混凝土面的抗剪強度略有增大，其達破壞強度時的剪切位移量隨著壓實度增加有所減小。

(5)綜合不同接觸黏土的壓縮變形、滲透、剪切特性，建議在接觸黏土主要受拉應力或剪應力區域，控制壓實度范圍為94%～102%。