車維斌，譚小軍，江萬(wàn)紅

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

1 引言

目前，國(guó)內(nèi)超過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)河壩已建成，兩河口已開工建設(shè)。

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(gòu)件接觸部位易發(fā)生應(yīng)力集中的區(qū)域，作為協(xié)調(diào)軟、硬兩種不同介質(zhì)不同變形的“填充劑”，通過(guò)自身較強(qiáng)的塑性變形能力，調(diào)整和適應(yīng)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?jié)B性。

兩河口大壩接觸黏土料根據(jù)填筑施工技術(shù)要求，在兩岸高程2640m～2845m之間為可能發(fā)生較大剪切變形區(qū)域，其壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)為94%～100%，現(xiàn)有土石壩工程中，壓實(shí)度控制設(shè)計(jì)要求基本只提出了下限值，本文通過(guò)對(duì)不同壓實(shí)度下的各力學(xué)與滲透指標(biāo)研究，基于接觸黏土獨(dú)有的剪切變形特性，提出了接觸黏土受拉應(yīng)力與剪應(yīng)力時(shí)，其壓實(shí)度控制范圍，以揭示壓實(shí)度變化情況下的接觸黏土料變形、強(qiáng)度、滲透工程力學(xué)特性的變化情況。

2 室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功能下的擊實(shí)試驗(yàn)成果，采用固定含水率Wop+1，壓實(shí)度分別控制為94%、97%、100%、103%、106%，進(jìn)行接觸黏土自身壓縮變形特性、自身抗剪強(qiáng)度特性、自身滲透特性試驗(yàn)。

2.2 壓縮變形特性試驗(yàn)研究

按照試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，得出同一含水率不同壓實(shí)度下的接觸黏土自身壓縮模量成果見(jiàn)表1、圖1。

表1 接觸黏土不同壓實(shí)度下壓縮模量成果

圖1 不同壓實(shí)度下接觸黏土壓實(shí)度與壓縮模量關(guān)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(shí)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(yàn)設(shè)計(jì)的壓實(shí)度(擊實(shí)功)范圍內(nèi)，隨著擊實(shí)功的增大，黏土顆粒的排列從無(wú)序不規(guī)則向排列緊密規(guī)則變化，因此干密度逐漸增大，壓縮模量逐漸變大。從協(xié)調(diào)大壩沉降變形的角度看，宜提高接觸黏土的壓實(shí)度。

2.3 抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

按照試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，得出同一含水率不同壓實(shí)度下的接觸黏土自身抗剪強(qiáng)度成果見(jiàn)表2、圖2。

表2 接觸黏土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果

圖2 不同壓實(shí)度下接觸黏土壓實(shí)度與摩擦角關(guān)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(shí)度的增大，抗剪強(qiáng)度φ值都逐漸增大，壓實(shí)度106%時(shí)抗剪強(qiáng)φ值最大，固結(jié)快剪φ值要高于天然快剪φ值。

在同一含水量下，在此試驗(yàn)設(shè)計(jì)的壓實(shí)度(擊實(shí)功)范圍內(nèi)，隨著擊實(shí)功的增加，黏土顆粒的排列從無(wú)序不規(guī)則向排列緊密規(guī)則變化，因此隨著壓實(shí)度逐漸增大，抗剪強(qiáng)度逐漸變大。

2.4 滲透特性試驗(yàn)研究

按照試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，得出同一含水率不同壓實(shí)度下的接觸黏土滲透系數(shù)成果見(jiàn)表3、圖3。

表3 接觸黏土不同壓實(shí)度下滲透系數(shù)成果

圖3 不同壓實(shí)度下接觸黏土壓實(shí)度與滲透系數(shù)關(guān)系

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

在同一含水量下，在此試驗(yàn)設(shè)計(jì)的壓實(shí)度(擊實(shí)功)范圍內(nèi)，隨著擊實(shí)功的增加，黏土顆粒的排列從無(wú)序不規(guī)則向排列緊密規(guī)則變化，因此隨著壓實(shí)度逐漸增大，黏土孔隙率逐漸減小，滲透系數(shù)逐漸降低。

3 接觸面試驗(yàn)研究

取接觸黏土在非飽和狀態(tài)下進(jìn)行的糙面混凝土接觸面下的直剪試驗(yàn)(垂直壓力σn=200kPa)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，作出圖4所示的不同壓實(shí)度非飽和接觸黏土在糙面混凝土下剪應(yīng)力與剪切變形關(guān)系曲線。

圖4 不同壓實(shí)度非飽和接觸黏土在糙面混凝土下剪應(yīng)力與剪切變形關(guān)系

由圖4可知，τ～Δl關(guān)系曲線的形狀都呈雙曲線形，土體所受剪應(yīng)力在剪切初始階段上升較快，隨后緩慢上升，直剪試驗(yàn)曲線呈硬化現(xiàn)象，沒(méi)有明顯的軟化現(xiàn)象。直剪試驗(yàn)曲線水平段均較長(zhǎng)，可見(jiàn)高塑性黏土在達(dá)到抗剪強(qiáng)度后，在強(qiáng)度基本保持不變的情況下變形可以有很大的發(fā)展，表現(xiàn)出較強(qiáng)的變形適應(yīng)能力。

94%～105%壓實(shí)度下取強(qiáng)度值時(shí)的應(yīng)變?chǔ)～應(yīng)力τ對(duì)應(yīng)點(diǎn)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(shí)度下剪切開始出現(xiàn)大變形時(shí)，隨著壓實(shí)度的增大，接觸黏土與混凝土面的抗剪強(qiáng)度均有增大，但其達(dá)破壞強(qiáng)度時(shí)的剪切位移量也隨著壓實(shí)度的增大而減小。

因而，提高壓實(shí)度有利于增加接觸黏土與面板的抗剪強(qiáng)度，但其適應(yīng)剪切變形的能力卻逐漸減小，在接觸黏土拉應(yīng)力或剪應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)控制其壓實(shí)度上限。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同壓實(shí)度對(duì)接觸黏土料工程力學(xué)性能的影響研究，可以得出如下結(jié)論：

(1)飽和與天然含水率18.2%工況下，接觸黏土壓實(shí)度從94%變化至106%時(shí)，壓縮模量均逐漸提高，壓實(shí)度106%時(shí)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(shí)度的增大，抗剪強(qiáng)度φ值逐漸增大，壓實(shí)度106%時(shí)抗剪強(qiáng)度φ值最大，固結(jié)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(shí)度的增大，滲透系數(shù)隨著壓實(shí)度的增大逐漸減小，壓實(shí)度106%時(shí)滲透系數(shù)值最小。

(4)不同壓實(shí)度下剪切開始出現(xiàn)大變形時(shí)，隨著壓實(shí)度的增大，接觸黏土與混凝土面的抗剪強(qiáng)度略有增大，其達(dá)破壞強(qiáng)度時(shí)的剪切位移量隨著壓實(shí)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(yīng)力或剪應(yīng)力區(qū)域，控制壓實(shí)度范圍為94%～102%。