含水率對粘土與混凝土接觸面抗剪強度影響研究

陸業奇

(水電水利規劃設計總院，北京 100120)

1 研究背景和意義

土石壩因其工程結構簡單、適應性強、施工技術簡便、造價便宜并可就地取材，而成為水電工程建設中應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。由于土體和結構物兩者材料變形及強度特性相差懸殊[4]，二者組成的系統在受到外部荷載或者其他因素的作用下，會產生復雜的力學響應，尤其在水利水電工程中，隨著庫水入滲導致接觸面土體含水率發生變化，其力學特性更為復雜。近年來，隨著土石壩往300 m級發展，粘土與混凝土之間的接觸力學特性更是引起了水利水電工程界的關注。不少學者對土與混凝土的力學特性已開展了較為系統地研究并取得了豐碩的成果[5-10]，但大多研究不同豎向應力和混凝土表面粗糙度對接觸面力學特性的影響，對土體含水率對接觸面力學特性影響的關注相對較少。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，研究接觸面抗剪強度與土體含水率之間關系。

圖1 不同含水率的粘性土與混凝土接觸面剪應力-剪切位移關系曲線

2 試驗方案

試驗在河海大學水工結構研究所自主研發的大型直剪系統上進行[11]，分別對6組不同含水率的粘土與混凝土接觸面進行了直剪試驗，剪切速度控制在0.5 mm/min。試驗土料取自工程現場，其各粒徑質量百分比如表1所示，土樣不均勻系數Cu為8.78，曲率系數Cc為1.52，土樣的級配良好，基本物理參數如表2所示。試樣制備時，先將土料晾曬風干，進行碾散，并過2mm篩，過篩后加水充分攪拌，使其達到預定含水率，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。為符合實際現場施工條件下接觸面部位土體難以完全壓實的情況，本次試驗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土與混凝土接觸面力學特性的影響，分別配制含水率為4%、8%、12%、16%、22%、28%的試樣。

表1 試樣各粒級的質量百分比含量

表2 試驗土樣的基本物理參數

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

3 試驗結果

3.1 接觸面剪應力-剪切位移關系曲線

圖1是不同含水率下試樣土體與混凝土接觸面的剪應力-剪切位移的試驗結果。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應力軟化現象外，粘土與混凝土接觸面的剪應力-剪切位移曲線均呈先增大后趨于穩定的變化規律，可采用Duncan提出的雙曲線模型進行參數擬合。抗剪強度與豎向荷載之間滿足一般規律，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，剪應力峰值越高，且剪應力峰值對應的剪切位移也越大。接觸面剪切力學特性同時受土體含水率的影響，當土體含水率小于12%時，接觸面的剪應力-剪切位移關系曲線基本接近，接觸面剪應力峰值變化較小；隨著含水率的增加，達到相同剪切位移所需的剪應力急劇減小，而當含水率繼續增大到某一水平后，不同含水率間接觸面的剪應力-剪切位移關系曲線的差距逐漸減小。

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

(1)彈性階段(OP段)。此階段剪應力與剪切位移的關系近似為一條直線。接觸面的剪應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生滑動摩擦，直至達到剪應力彈性極值(圖2中的P點)。

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

(3)應變軟化階段(QR段)。此階段滑動區內的土體切向受力已達到極限。粘土與混凝土接觸面附近的土體隨著剪切位移的繼續增加，接觸面附近部分土體的原始結構遭受破壞，導致其抗剪強度降低，表現出應變軟化現象。當含水率較大，或者豎向應力較高時，土體的原始結構性(孔隙結構)在剪切之前已發生改變，此時主要反映出剪切硬化特性。

圖2 接觸面剪應力與剪切位移關系曲線(ω=4%，σ=250 kPa時)

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

3.2 接觸面抗剪強度

由以上試驗數據可得，固定含水率條件下，接觸面抗剪強度與法向荷載之間仍近似成直線關系，可用摩爾-庫侖破壞準則表示：

τf=σtanφsur+csur

(1)

式中，τf為剪應力峰值；σ為豎向荷載；φsur和csur分別表示粘土與混凝土接觸面的內摩擦角和粘聚力。根據最小二乘法，分別繪出的土體含水率為4%、8%、12%、16%、22%、28%時的接觸面σ-τf關系曲線，如圖3所示。相應的接觸面抗剪強度擬合公式和內摩擦角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摩擦角和粘聚力與土體含水率的關系曲線。

圖3 不同含水率下粘土與混凝土接觸面 σ-τf 關系曲線

含水率ω/%強度線擬合公式粘聚力csur/kPa內摩擦角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 接觸面內摩擦角與含水率的關系曲線

圖5 接觸面粘聚力與含水率的關系曲線

分析表3和圖4、5可知，在土體含水率小于12%時，粘土與混凝土接觸面內摩擦角隨含水率變化的幅度較小；當土體含水率超過12%時，內摩擦角隨含水率增加顯著減小；之后，內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度與含水率的關系。從圖6中可以看出，接觸面抗剪強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，其中在豎向荷載較大的條件下，接觸面抗剪強度隨含水率增大減小最為明顯，在高土石壩建設中應重點關注。

圖6 不同豎向荷載下接觸面抗剪強度與含水率的關系曲線

4 結 語

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

(1)粘土與混凝土接觸面剪應力-剪切位移呈非線性關系，主要表現為剪切硬化規律，可采用Duncan提出的雙曲線模型進行參數擬合。然而，在土體含水率和豎向荷載較低的情況下，接觸面應力-應變曲線出現略微的應力軟化現象。

(2)在同一含水率下，粘土與混凝土接觸面的法向應力-抗剪強度關系仍可用摩爾-庫侖破壞直線模擬，在土體含水率小于12%時，內摩擦角略有增加，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，抗剪強度減小越明顯。

根據粘土與混凝土接觸面抗剪強度與含水率之間的關系，可確定接觸部位土體在施工時的最優含水率，并對庫水入滲后接觸面的剪切位移進行評估，對土石壩心墻設計具有一定的參考作用。要說明的是，以上結果僅根據本次試驗得出，對于其他土體與混凝土的接觸面是否適用，有待進行深入研究。