邱珍鋒，王俊杰，胡駿峰

(1．重慶交通大學國家內(nèi)河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074;2．重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

高土石壩蓄水過程可能發(fā)生心墻水力劈裂現(xiàn)象，水力劈裂是水庫初次蓄水過程中導致大壩滲漏、內(nèi)部侵蝕、壩體破壞的重要原因［1-2］。由于水力劈裂過程本質是裂隙擴展的過程，研究者發(fā)現(xiàn)借鑒斷裂力學的分析方法來研究心墻水力劈裂問題是合適的。從斷裂力學的角度，水力劈裂的問題首先要對土體的斷裂特性進行研究。水庫初次蓄水使心墻裂隙充水，同時，水也滲入到心墻料中，心墻裂隙應力強度因子與裂隙所受的正應力、切應力、滲流力、水壓力以及裂隙距壩頂高度等有關。以Ⅰ型斷裂為例，當心墻裂隙應力強度因子KI大于試驗測得的斷裂韌度KIC時，即認為裂隙擴展。

黏土斷裂韌度KIC的測試方法主要是三點彎曲試驗。在標準的三點彎曲試驗中，土梁自重對試驗結果和計算結果存在不可忽視的影響。Chandler等［3-7］為了降低土梁自重對測試結果的影響，對試驗儀器進行了改進。王俊杰等［8-10］把標準三點彎曲試驗試樣繞底部長邊向前旋轉90°，加載方向隨之變?yōu)樗椒较?，荷載方向與土梁重力方向垂直，從而巧妙地消除土梁自重對裂隙向土梁厚度、長度方向擴展的影響，改進后的三點彎曲試驗可以比較好的消除土梁自重的影響，且試驗操作方便。

KIC是評價土體抗斷裂能力的指標，當然也是影響?zhàn)ね疗驴够芰Φ闹匾笜?。影響?zhàn)ね罧IC的因素眾多，其中，試樣的干密度、含水率、物質組成、幾何尺寸、裂縫深度等是主要的影響因素。當應力強度因子KI達到斷裂韌度KIC時，認為土體即將開裂。本為采用王俊杰等［8-10］提出的方法對重慶地區(qū)侏羅系地層中的黏土巖風化形成的高塑限紅黏土料進行了室內(nèi)Ⅰ型斷裂韌度試驗，研究了黏土試樣的干密度、含水率對Ⅰ型斷裂韌度KIC的影響規(guī)律。

1 斷裂韌度測試改進方法

1．1 試驗方法與步驟

裂隙在土梁中的真實擴展方向是三維的，試驗中發(fā)現(xiàn)裂隙擴展面沿土梁寬度方向凹凸形狀基本一致(圖1(a))，認為向寬度方向的擴展可假定為是平行于重力方向，驗證了王俊杰等［8-10］提出的方法的合理性，該方法適用于黏土Ⅰ型斷裂韌度測試。但受限于經(jīng)費，當時的儀器精度并不是非常高，試驗中采用手動加載，并采用百分表進行位移監(jiān)測，人工讀數(shù)，荷載精度為0.01 N［8-10］。根據(jù)三點彎曲試驗原理，采用新技術對試驗儀器進行改進，改進后的儀器由2個距離可調(diào)節(jié)的底邊支座、1個加載桿、加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。改進后的加載系統(tǒng)由高精度的應變加載系統(tǒng)和應力加載控制系統(tǒng)組成，荷載精度提高到0.001N;改進后的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可對試驗過程中的荷載和位移等進行實時采集;試樣座底部改用萬向滾輪支撐，可隨試樣的變形在水平面內(nèi)自由移動，基本消除了試樣底部的摩擦力。試驗加載方法如圖1(b)所示。

圖1 試驗加載

試驗儀器改進后需對試驗步驟作相應的調(diào)整，調(diào)整后的試驗步驟可分為5步:①將土樣三等分裝入制樣儀中，分層擊實;②用切土鋸切出所需深度的裂縫;③將試樣取出，橫放在2個有多個萬向輪的墊板上，并讓加荷桿與試樣完全接觸;④在試樣兩端貼上電極片，啟動Ⅰ型土體斷裂加載測試程序;⑤啟動推力裝置，直至試樣破壞，同時，記錄從開始施力到試樣破壞過程中荷重傳感器和位移傳感器采集到的荷載和位移數(shù)據(jù)。

1．2 試樣制備

試驗土料為重慶地區(qū)侏羅系地層中的黏土巖風化形成的高塑限紅黏土料。所用土料顆粒相對體積質量 Gs=2.74，塑性指數(shù)18.4，液限39.5%，塑限21.1%，最大干密度為1.75 g/cm3，最優(yōu)含水率為20.0%。試驗前，采用了粒度分析儀對黏土料進行了級配分析，顆粒級配曲線如圖2所示。將土樣裝入制樣儀中分層擊實，用切土鋸切出一定深度的裂縫備用。

圖2 試驗土料級配

2 試驗結果分析

2．1 試驗方案

為了探究干密度和含水率對黏土斷裂韌度影響，分別設計了不同干密度與含水率的8組試驗，每組試驗均進行3個平行試驗。試驗方案如表1和表2所示。表中含水率為制樣含水率，即制樣時所控制的含水率，在試驗過程中含水率可能會有所變化。

表1 干密度試驗方案

表2 含水率試驗方案

2．2 斷裂韌度的計算

據(jù)標準三點彎曲試驗的原理，試樣土體的斷裂韌度可按下式進行計算:

式中:P為裂縫擴展臨界荷載;a為預制裂隙深度;B為試樣厚度;W為試樣寬度;S為兩支座間距。

本試驗中試樣長L=24cm，W=10cm，B=5cm，S=18 cm，a=2 cm。

2．3 土體干密度對其KIC的影響

為研究土體干密度對其KIC的影響，進行了相同含水率(20.0%)、不同干密度的試樣斷裂試驗。試驗中所監(jiān)測到的典型試樣荷載-位移關系曲線如圖3所示。

圖3 不同土體干密度的荷載-位移關系

由圖3可知，在荷載峰值點之前，每個試樣荷載均隨著位移的增長而增大，基本為線性增長趨勢;達到峰值荷載之后，荷載隨位移的增大迅速減小，大致呈線性遞減趨勢?？烧J為該黏土的斷裂特性表現(xiàn)出線彈性特性，峰值點即是裂隙擴展所需的最大荷載，可用該峰值荷載計算該試樣的KIC。

采用式(1)對不同干密度試樣的斷裂韌度進行計算，結果如圖4所示。由圖4可知，KIC隨著土體干密度的增大而增大。制備不同干密度的試樣所需要的擊實功不同，干密度大的試樣所需的擊實次數(shù)也更多。土石壩中的黏土心墻的抗水力劈裂性能可運用該規(guī)律，增加碾壓次數(shù)或采用重型碾壓設備對黏土心墻進行碾壓，提高黏土心墻的密度可增大其KIC，從而提高其抗水力劈裂的能力。黏土邊坡的治理也可運用該規(guī)律，黏土邊坡一般的破壞模式是拉裂型［11-13］，可以適當夯實邊坡上邊緣的可能拉裂區(qū)來增強其抗拉裂性能，以防黏土邊坡拉裂破壞。

圖4 試樣干密度對其KIC的影響

2．4 土體含水率對其KIC的影響

土石壩黏土心墻的施工過程中，每層虛鋪黏土層的含水率可能不同，而相同碾壓強度下不同含水率黏土的碾壓密實度不同，因此黏土含水率會影響碾壓后黏土心墻的斷裂韌度，即抗水力劈裂的能力，有必要研究含水率對黏土的斷裂韌度的影響。結合三點彎曲試驗，對相同干密度下的5種不同含水率試樣進行了斷裂韌度測試，試驗中所監(jiān)測到的典型試樣荷載-位移曲線圖5所示。

圖5 不同土體含水率的荷載-位移關系

由圖5可知，每個試驗的荷載-位移曲線均存在明顯的峰值點，取該峰值點作為斷裂韌度的計算荷載，可計算出每個試樣的斷裂韌度KIC，結果如圖6所示。由圖6可知，前段試樣的KIC隨著試樣含水率的增大而增大，當試樣中的含水率增大到一定值后，KIC隨著含水率的增大而減小，說明存在一個使黏土KIC值最大的含水率且與最優(yōu)含水率相同。土石壩黏土心墻施工時，保證黏土在最優(yōu)含水率進行碾壓，可使黏土心墻具有較好的抗水力劈裂性能。

圖6 土體含水率對其KIC的影響

3 結論

a．黏土的KIC值隨著土體干密度的增大而增大，土石壩中的黏土心墻施工時，可增加碾壓次數(shù)或采用重型碾壓設備碾壓，以增大心墻密度及其KIC，從而提高其抗水力劈裂的能力;黏土KIC隨著其含水率的增大先增大后減小，存在一個使其KIC值最大的含水率。

b．在黏土含水率相同的情況下，土體KIC值隨擊實功的增大而增大;在相同擊實功、不同含水率情況下，KIC值隨含水率的增大先增大后減小;存在一個最優(yōu)含水率，此時黏土的KIC值最大。水利工程施工時，可按照最優(yōu)含水率進行填筑，以提高其抗水力劈裂能力。

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