劉 忠，朱俊高，劉漢龍

（1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.河海大學(xué) 巖土工程研究所，南京 210098）

1 引 言

土石壩由于就地取材、適應(yīng)地基變形能力強(qiáng)和壩體抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞。近年來，我國高土石壩建設(shè)迅猛發(fā)展，許多200 m甚至300 m級(jí)的高壩正在設(shè)計(jì)或施工中，如糯扎渡（高263.5 m）和雙江口（高316 m）等均采用土石壩。這些高壩對(duì)設(shè)計(jì)和施工提出了更高的要求，其中，最大程度地降低高土石壩心墻應(yīng)力拱效應(yīng)是一個(gè)亟需解決的問題。由于拱效應(yīng)對(duì)心墻抗水力劈裂能力有著直接的影響，因而，受到工程界的高度重視[1－2]。

為了減少心墻和堆石體間的不均勻變形和拱效應(yīng)，防止心墻水力劈裂現(xiàn)象的發(fā)生，要求心墻防滲土料應(yīng)具有較高的變形模量，很多學(xué)者開展了相關(guān)研究[3－6]。目前常用的辦法是在（細(xì)粒）土料中摻入一定量的粗粒（礫石）料做心墻料，即所謂的礫質(zhì)土心墻料。但是，對(duì)200 m甚至300 m級(jí)高心墻壩，由于礫質(zhì)土心墻料和堆石壩殼的變形模量相差依然較大，心墻應(yīng)力拱效應(yīng)通常仍較強(qiáng)烈，對(duì)心墻抗水力劈裂不利[7]。如果摻入更多的礫石，心墻變形模量無疑可以提高，但其滲透性難以滿足心墻防滲要求。因此，如何能進(jìn)一步提高心墻模量，減輕心墻應(yīng)力拱效應(yīng)值得深入研究。

吳夢(mèng)喜等[8]研究了一種新型的筑壩硬填料，該材料類似于貧混凝土，其模量相對(duì)較高而且較經(jīng)濟(jì)，但用于心墻可能存在滲透難以滿足的問題；又如，在公路工程中，有用水泥穩(wěn)定礫石土作為路基或橋頭回填料的做法[9－10]，就是在礫石土中摻入水泥提高其模量，效果良好；再如，在水利水電工程中用（水泥與黏土、砂礫石混合材料）塑性混凝土做土石壩（或圍堰）中的防滲墻[11－14]等，應(yīng)用很成功。這些研究的共同點(diǎn)是在土和（或）礫石中摻入水泥，提高其模量。是否有可能采用類似方法研究模量較高的新型心墻材料代替現(xiàn)有常用心墻料？基于此，作者提出在礫質(zhì)黏土中摻入一定量水泥，改善其力學(xué)特性后用作心墻料。這無疑可以提高心墻料的強(qiáng)度和變形模量，從而達(dá)到減輕心墻應(yīng)力拱效應(yīng)的目的，同時(shí)又能滿足防滲要求。當(dāng)然，水泥摻量多少能夠達(dá)到較優(yōu)性能，必須進(jìn)行相關(guān)研究。

因此，本文以某心墻堆石壩心墻土料及摻礫所用礫石料作為基材，摻入一定比例水泥形成一種新的混合料——水泥礫質(zhì)土，對(duì)不同水泥含量的水泥礫質(zhì)土進(jìn)行三軸固結(jié)排水剪試驗(yàn)，研究其應(yīng)力-應(yīng)變及強(qiáng)度特性。

2 試驗(yàn)土料與試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用中型三軸儀，試樣直徑為 101 mm，高度為 200 mm。試驗(yàn)所用黏土為某堆石壩摻礫心墻料所用的土料，剔除大于2 mm顆粒后，其液限34.8%，塑限為16.4%，塑性指數(shù)為19.4，土粒相對(duì)密度為2.61，黏土分類為CL（低液限黏土）。摻礫所用礫石料為人工碎石，最大粒徑為20 mm，其級(jí)配列于表1。黏土料摻礫石量（簡稱摻礫量）為30%。所摻礫石料級(jí)配及試驗(yàn)用礫質(zhì)土級(jí)配見表1所示。

配制試驗(yàn)用水泥礫質(zhì)土料時(shí)，首先將黏土樣烘干粉碎，過2 mm篩，然后按照確定的配合比將土、水泥、礫石料等摻和，攪拌均勻，加入預(yù)定質(zhì)量的水，攪拌使土與水及摻入材料均勻混合，靜置30～45 min；然后，分5層裝入制樣筒并擊實(shí)至預(yù)定密度。

水泥礫質(zhì)土所摻水泥為325#普通硅酸鹽水泥。水泥摻入量多少以水泥摻入比wc（水泥質(zhì)量/干黏土質(zhì)量）控制。本文對(duì) 3種水泥摻入比wc（3%、5%和8%）的水泥礫質(zhì)土進(jìn)行了試驗(yàn)。由于水泥在水化過程中需要吸收水分，同時(shí)考慮到最優(yōu)含水率制樣時(shí)容易壓實(shí)，因此，配料時(shí)所加入的水量包含礫質(zhì)土最優(yōu)含水率對(duì)應(yīng)的水量和水泥水化用水量?？紤]水泥水化用水，水灰比（水質(zhì)量/水泥質(zhì)量）控制為0.4。

礫質(zhì)土的最優(yōu)含水率及最大干密度依據(jù)規(guī)范[15]采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)方法確定。然后按比例將礫石（占礫石+干黏土總量的30%）、干黏土、水泥（摻入比3%、5%和8%）以及水混合后的水泥礫質(zhì)土按照礫質(zhì)土最大干密度的0.96倍（即壓實(shí)度0.96）壓實(shí)制備試樣。水泥礫質(zhì)土試樣的制樣干密度為1.854 g/cm3。

試樣制成后,在室內(nèi)自然條件下養(yǎng)護(hù)24 h后脫模,然后用塑料袋封裝置于(20±5)℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，齡期7 d進(jìn)行試驗(yàn)。試樣采用真空飽和，各向等壓固結(jié)后排水剪切，剪切速率0.016 mm/min。

對(duì)表1中的摻礫30%礫石土進(jìn)行4種方案試驗(yàn)，即M30-0、M30-3、M30-5和M30-8，分別對(duì)應(yīng)水泥摻入比wc為0%、3%、5%和8%。每組試驗(yàn)4個(gè)試樣，圍壓分別為200、500、800、1200 kPa。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變特性

圖1給出了不同水泥摻入比wc（3%、5%、8%）時(shí)摻礫量為30%水泥礫質(zhì)土不同圍壓下的主應(yīng)力差(σ1-σ3)-軸向應(yīng)變?chǔ)臿、體積應(yīng)變?chǔ)舦-軸向應(yīng)變?chǔ)臿關(guān)系曲線。為便于比較，圖中同時(shí)給出了不摻水泥礫質(zhì)土試樣的關(guān)系曲線。圖中曲線編號(hào)30-3-200含義：30表示摻礫量 30%、3表示水泥摻入比 3%、200表示圍壓200 kPa。

圖1可以看出，wc=3%時(shí)，各圍壓下的(σ1-σ3)-εa關(guān)系基本為應(yīng)變硬化型，但圍壓200 kPa時(shí)εv-εa關(guān)系表現(xiàn)為剪脹，其他較高圍壓均表現(xiàn)為剪縮。隨wc的增加，(σ1-σ3)-εa關(guān)系軟化現(xiàn)象逐步增強(qiáng)，且軟化過渡段逐漸變陡。除wc=8%試樣在200 kPa圍壓下的 (σ1-σ3)-εa曲線呈脆性破壞外，其他曲線均與超固結(jié)土應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似，曲線上沒有明顯的折點(diǎn)，為光滑駝峰形，呈現(xiàn)出塑性破壞形態(tài)。圖1(a)、1(b)、1(c)均顯示，水泥摻入比一定時(shí)，隨著圍壓的升高，軟化和剪脹都逐漸減弱。上述應(yīng)力-應(yīng)變性質(zhì)與文獻(xiàn)[16]對(duì)水泥土的研究所得到的結(jié)論相似。

圖1 不同水泥摻入比下的 (σ1-σ3)-εa-εv關(guān)系曲線Fig.1 Curves of (σ1-σ3)-εa-εvat different cement mixing ratios

為了更清楚地分析水泥含量對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變的影響，給出了（摻礫量30%）wc=3%、5%、8%試樣在相同圍壓下 (σ1-σ3)-εa和εv-εa關(guān)系曲線，如圖2所示。為便于比較，圖中同時(shí)給出了不摻水泥礫質(zhì)土試樣的關(guān)系曲線。

圖2 相同圍壓下的 (σ1-σ3)-εa-εv關(guān)系曲線Fig.2 Curves of (σ1-σ3)-εa-εvunder the same σ3

圖 2顯示，不同圍壓下，不摻水泥礫質(zhì)土的(σ1-σ3)-εa關(guān)系為硬化型，εv-εa關(guān)系表現(xiàn)為剪縮。

圖2還可以看出，相同圍壓下，隨wc的增加，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系軟化現(xiàn)象逐步增強(qiáng)，低圍壓下尤其顯著；同時(shí)，試樣的剪脹性也隨wc增大顯著增強(qiáng)。

在相同圍壓下，隨wc的增加，破壞時(shí)軸向附加應(yīng)力（峰值強(qiáng)度）顯著增大。相對(duì)于不摻水泥情況，wc為3%、5%、8%（M30-3、M30-5和M30-8）試樣在4種圍壓下平均峰值強(qiáng)度分別是不摻水泥試樣M30-0的1.4倍、1.7倍和2.1倍。由此可見，即使水泥含量較少，水泥對(duì)礫石土強(qiáng)度提高顯著。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果整理出了各試樣不同圍壓下的峰值強(qiáng)度，如圖3所示。可以看出，在相同水泥摻入比下，峰值強(qiáng)度 (σ1-σ3)f隨圍壓σ3的增加近似呈線性增長，可用直線擬合。圖3可以看出，不同水泥摻入比下，直線斜率相差不大，但截距隨wc增加顯著增大。

圖3 不同水泥摻入比下 (σ1-σ3)f-σ3關(guān)系Fig.3 Relationships of (σ1-σ3)f-σ3at different cement mixing ratios

3.2 強(qiáng)度特性

作者整理了各組試驗(yàn)破壞時(shí)的摩爾圓及強(qiáng)度包線。限于篇幅，只給出了M30-8試驗(yàn)的結(jié)果，如圖4所示?？梢钥闯觯髌茐哪枅A的包線基本為直線，因此，對(duì)本文所研究的水泥摻入比及礫石摻量下的水泥礫質(zhì)土，其強(qiáng)度仍可用摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，且強(qiáng)度指標(biāo)為線性，即不隨圍壓變化。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果整理得試驗(yàn)土料的強(qiáng)度指標(biāo)，對(duì)應(yīng) M30-0、M30-3、M30-5、M30-8試驗(yàn)，其黏聚力分別為91.2、153.5、417.4、757.9 kPa，內(nèi)摩擦角分別為25.0°、28.4°、26.9°、26.4°?？梢钥闯?，和未摻水泥礫質(zhì)土相比，水泥礫質(zhì)土的內(nèi)摩擦角φ因水泥摻入比的不同而有不同程度的提高。黏聚力c隨水泥摻入比的增加顯著增大，如試驗(yàn)M30-8的c是M30-0的 8.3倍，而內(nèi)摩擦角φ隨水泥含量增加而提高的幅度較小。

圖4 M30-8試驗(yàn)的摩爾圓及強(qiáng)度包線Fig.4 Mohr circles at failure and strength envelopes for test M30-8

3.3 變形特性

為了進(jìn)一步研究水泥含量對(duì)水泥礫質(zhì)土變形性質(zhì)的影響，整理出了各試驗(yàn)不同圍壓下割線模量E1（即對(duì)應(yīng) 1%軸向應(yīng)變時(shí)的割線模量）和割線模量E50（即對(duì)應(yīng)50%峰值時(shí)的割線模量）隨水泥摻入比的變化關(guān)系，如圖5所示。

圖5 割線模量-水泥摻入比關(guān)系Fig.5 Relationships between secant moduli and cement mixing ratios

由圖5可知，不同圍壓下，E1和E50均隨圍壓的增大而增加；在相同的圍壓下，E1和E50均隨wc的增加而增大。在200 kPa圍壓下，M30-8的模量E1和E50分別是M30-0的11.2倍和12.6倍；在1200 kPa圍壓下，M30-8的模量E1和E50分別是 M30-0的 3.7倍和6.5倍。

由此可見，水泥含量增加對(duì)水泥礫質(zhì)土的E1和E50的提高顯著，其提高幅度隨圍壓的增加而降低。

由于本文僅對(duì)一種摻礫量下的水泥礫質(zhì)土進(jìn)行了試驗(yàn)，不能研究摻礫量對(duì)模量E1和E50的影響，僅能得出水泥含量對(duì)土料變形性質(zhì)影響的初步結(jié)論。

為更清楚地反映水泥礫質(zhì)土模量隨圍壓變化關(guān)系，整理出了不同wc下 E1/pa隨圍壓 σ3/pa變化關(guān)系，如圖6所示，其中，pa為大氣壓力。圖6表明，盡管模量E1隨σ3有增大趨勢(shì)，但是提高wc對(duì)提高E1似乎影響更顯著。圖5(b)表明，E50隨wc、σ3的關(guān)系與E1相似，而高土石壩沉降一般占?jí)胃?1%左右，因此，這里只整理了E1隨圍壓關(guān)系，E50關(guān)系不再整理。

圖6 不同水泥摻入比下E1/pa-σ3/pa關(guān)系Fig.6 Relationships between E1/paand σ3/paat different cement mixing ratios

圖6可以看出，E1與σ3關(guān)系可近似用直線擬合，而且，這些直線斜率相差不大。因此，為總結(jié)水泥礫質(zhì)土變形模量與水泥摻入比的關(guān)系，為后文研究水泥礫質(zhì)土對(duì)實(shí)際土石壩變形影響提供參數(shù)，這里近似認(rèn)為不同水泥含量下E1與σ3關(guān)系直線斜率為常量k。

整理了截距與 關(guān)系，如圖7所示?？梢钥闯?，截距與wc關(guān)系也可近似用直線表示。因此，割線模量可以近似表示如下

式中：k、a、b為擬合參數(shù)，對(duì)所試驗(yàn)的水泥礫質(zhì)土，分別為36.93、212.12和36。

要較準(zhǔn)確地分析水泥礫質(zhì)土的變形性質(zhì)，還需要研究其體積變形模量或泊松比。這里，筆者擬對(duì)所試驗(yàn)的水泥礫質(zhì)土的體積模量進(jìn)行研究。

根據(jù)三軸試驗(yàn)應(yīng)力路徑，其對(duì)應(yīng)軸向應(yīng)變 1%時(shí)的體積模量K1可以用此時(shí)的主應(yīng)力差和體積應(yīng)變確定，即 K1=(σ1-σ3)/(3εv)，這里，類似于前面的E1，稱K1為軸向應(yīng)變1%時(shí)的割線體積模量。整理出不同圍壓下K1隨wc變化關(guān)系，如圖8所示。

圖7 截距隨摻入比變化關(guān)系Fig. 7 Relationship between intercept and cement mixing ratio

圖8 不同圍壓下K1-wc關(guān)系Fig.8 Relationship of K1-wcat different confining pressures

圖8顯示，體積模量K1隨水泥摻入比變化顯著，如200 kPa圍壓下，M30-8的模量K1是M30-0的16.5倍，而 1200 kPa圍壓下，M30-8的模量K1是M30-0的4.6倍。相比之下，K1隨圍壓變化不大。整理出不同水泥含量下 K1/pa隨 σ3/pa變化關(guān)系，如圖9所示。可以近似用直線擬合，且直線的斜率和截距隨wc表現(xiàn)出較好地規(guī)律性，如圖10所示。圖10表明，斜率與wc可近似用直線擬合，而截距與wc關(guān)系可用二次函數(shù)擬合。

因此，割線體積模量K1可近似用下式表示：

式中：k、s、a、b、c為擬合參數(shù)，對(duì)所試驗(yàn)的水泥礫石土，分別為 4.58 k=-、s=22.9、a=24.77、b=37.50和c=66.5。

圖9 不同水泥摻入比下K1/pa-σ3/pa關(guān)系Fig.9 Relationships between K1/paand σ3/paat different cement mixing ratios

圖10 斜率和截距隨水泥摻入比變化關(guān)系Fig.10 Variations of slope and intercept vs. wc

4 水泥礫質(zhì)土對(duì)減小沉降作用的分析

上節(jié)式（1）和式（2）給出了水泥礫質(zhì)對(duì)應(yīng)于應(yīng)變 1%時(shí)的楊氏變形模量和體積模量。盡管圖 1表明水泥礫質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有明顯的非線性，但在軸向應(yīng)變小于1%時(shí)，非線性相對(duì)較弱，因此，可用式（1）和式（2）確定的模量來定性分析其變形性質(zhì)。

因此，為更清晰地顯示出水泥礫質(zhì)土對(duì)減小高土石壩心墻沉降的作用，作者借用某280 m高的心墻堆石壩設(shè)計(jì)剖面，并對(duì)其等比例縮小或放大，分別建立了200、300、400 m高的心墻堆石壩三維有限元模型。大壩最大橫剖面如圖11所示。

計(jì)算時(shí)，分別考慮心墻為wc=0%、3%、5%、8%情況的礫質(zhì)土或水泥礫質(zhì)土，其彈性模量和體積模量分別用式（1）和式（2）計(jì)算。堆石料、過渡料和反濾料（密度分別為2.23、2.17、2.20 g/cm3）采用實(shí)際大壩的設(shè)計(jì)參數(shù)（采用鄧肯-張E-ν模型），如表2所示。不考慮蓄水情況，計(jì)算結(jié)果列于表3。

圖11 大壩最大橫剖面Fig.11 The maximum cross-section of dam

表2 心墻堆石壩計(jì)算參數(shù)Table2 Parameters of core rockfill dam

表3 各方案下心墻最大沉降（單位: cm）Table3 Maximum settlements of the core wall under different schemes (unit: cm)

表3可以看出，對(duì)水泥礫質(zhì)土心墻堆石壩，隨心墻料wc的增加，心墻最大沉降逐漸減小，而且，在wc較低時(shí)，同樣的wc增量引起的沉降減小幅度更加顯著。200 m壩高，心墻料wc=8%的心墻沉降是不含水泥的礫質(zhì)土心墻沉降的26.8%；400 m壩高，wc=8%的心墻沉降為不含水泥的礫石土心墻沉降的40%。水泥礫石土對(duì)減小心墻堆石壩沉降效果非常顯著。

如前所述，由于礫質(zhì)土摻水泥后脆性增強(qiáng)，發(fā)生剪切破壞后滲透性能否滿足心墻抗?jié)B要求，還有待于深入研究。但是，從前面的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，水泥摻量較低、壓力較高時(shí)水泥礫質(zhì)土基本均表現(xiàn)為剪縮，由此也可初步判斷即使發(fā)生剪切破壞，其滲透系數(shù)可能不會(huì)顯著增大，當(dāng)然，需進(jìn)一步研究。

作者也同時(shí)進(jìn)行了水泥礫質(zhì)土的滲透性試驗(yàn)（將另文介紹），結(jié)果表明，其滲透系數(shù)比未摻水泥情況低。因此，作者認(rèn)為，這種材料用作心墻料是有可能的。但是，在高壩中應(yīng)用這種材料時(shí)，不一定整個(gè)心墻都用，比如，可考慮只用在大壩的中下部應(yīng)力較高區(qū)域，且類似于礫質(zhì)土心墻的做法，在剪切變形較大的地方設(shè)置接觸黏土。土石壩有限元計(jì)算結(jié)果表明，心墻剪切變形較大的部位在壩肩及與岸坡接觸部位，其他部位應(yīng)力水平較低。因此，只要局部做好過渡，完全有應(yīng)用的可能。當(dāng)然，水泥、礫石摻量的多少能達(dá)到較優(yōu)性能，必須進(jìn)行相關(guān)研究。

5 結(jié) 論

（1）在不同圍壓條件下，不摻水泥礫質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均為硬化型；隨水泥摻量的增加，水泥礫質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出不同程度的軟化現(xiàn)象，在低圍壓（200 kPa）高水泥摻入比（8%）下軟化現(xiàn)象比較顯著。

（2）在相同圍壓條件下，隨水泥摻入比的增加，水泥礫質(zhì)土試樣的剪脹性顯著增強(qiáng)，但水泥摻入比一定時(shí)，隨著圍壓的升高，剪脹呈逐漸減弱趨勢(shì)。

（3）水泥礫質(zhì)土的強(qiáng)度指標(biāo)隨水泥含量的增加而增大，尤其對(duì)黏聚力c影響比較顯著；而對(duì)內(nèi)摩擦角φ提高幅度有限。

（4）礫質(zhì)土摻入水泥后，其變形模量顯著提高，割線彈性模量E1和體積模量K1均隨水泥摻量的增加大幅提高。

（5）不同高度的心墻堆石壩三維有限元算例表明，水泥礫質(zhì)土作為心墻材料可以顯著降低土石壩心墻沉降，從而達(dá)到有效減輕心墻應(yīng)力拱效應(yīng)的目的。

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