東非某水電站碾壓混凝土層間結合面剪切破壞特征大型原位試驗研究

2022-12-30 07:35:54鄭星，魏偉瓊，楊文超，徐永旺

四川水力發電 2022年6期

鄭星，魏偉瓊，楊文超，徐永旺

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州貴陽 550081； 2.貴州省巖土力學與工程安全重點實驗室，貴州貴陽 550081)

0 引言

碾壓混土(RCC)大壩中層間結合面的抗剪強度是控制巖基上混凝土壩整體穩定的因素之一[1]。施工會產生大量的層間結合面，這些層間縫的形成質量將影響RCC混凝土的整體性，從而影響大壩整體穩定[2]。分層施工可能由于層間結合接縫表面的壓實不到位、層面受污染或者因曝露時間過長而形成冷縫，導致層間結合面黏結性差，具有較低的抗拉強度、抗剪強度和較高的滲透性[3-13]。

某水電站位于東非坦桑尼亞，該電站攔河大壩壩型為碾壓混凝土重力壩，壩高131 m。通過在現場碾壓試驗段上開展大量的原位大型剪切試驗，獲取了RCC層面的峰值及殘余值強度參數，測量并統計分析了剪切破壞面上的形態特征參數，探究了RCC層面的剪切破壞機理及試件運動特征，系統地研究了層間結合面的抗剪強度特性，提供了合理的強度參數供大壩穩定計算使用。

1 破壞準則

RCC層間結合面抗剪強度一般用摩爾庫倫(M-C)準則進行評價，分為膠結和不膠結兩種情況。雖然都是用M-C理論描述其破壞模式，但兩種情況下的破壞機理和準則并不盡相同。

M-C準則是最早出現的抗剪強度破壞準則之一，用(1)式表示：

τ=C+σntanφ

(1)

式中τ為接觸面上的抗剪強度；C為擬合直線在剪應力軸上的截距，一般稱為黏聚力；σn為有效法向應力；φ為摩擦角。

廣泛使用M-C準則是剪切破壞準則的特殊情況，在實際使用中，它將剪切破壞面上非線性的正應力-剪應力關系簡化擬合為線性關系。該強度準則是目前使用最廣泛的抗剪強度準則，在大多數的大壩抗滑穩定計算中，用于評估壩基或壩體材料的抗剪強度。

1.1 膠結層面破壞準則

一般來說，若層間結合面完整，上下層結合緊密，則是膠結層面。若試件沿著層面處發生了破壞，造成上下層混凝土分離，或者澆筑時上下層混凝土結合很差，則是非膠結層面。圖1展示了膠結層面及非膠結層面的典型剪切應力-位移關系曲線。曲線A代表膠結層面，在很小的剪切位移上就出現最大的抗剪強度，該強度稱為峰值抗剪強度或抗剪斷強度。隨著剪切位移增加，抗剪強度迅速降低并最終在很大的剪切位移下達到一個穩定值，稱為殘余強度，其破壞模式為脆性破壞。曲線B代表非膠結層面的剪切應力-位移關系，其在一個較小的剪切位移上出現強度峰值，然后在較大的剪切位移之后出現殘余強度值。曲線C是材料的光滑接觸面的剪切應力-位移關系，隨著剪切位移的增加，剪應力持續增加直到達到最大摩擦強度，沒有明顯的峰值和殘余值[14]。

圖1 典型剪切應力-位移關系曲線

混凝土層面(包括RCC)層間結合面的剪切破壞屬于脆性破壞，其剪應力-剪切位移曲線類似于圖1中的A線。其破壞包絡線如圖2典型的直剪試驗強度包線中的A線，其為膠結狀態的Mohr峰值強度包絡線，其與縱坐標軸的交點為膠結層面的黏聚力，在實際應用中一般用式(1)代表的直線來擬合以獲得φP值和Cp值，這里Cp稱為真實黏聚力。對于膠結較差或者沒有膠結的層間結合面，其破壞包線則是圖2中的B線或C線，就要取決于層面是起伏粗糙還是平整光滑。

圖2 典型的直剪試驗強度包線

1.2 無膠結層面破壞準則

當膠結和完整的層間結合面發生剪切破壞后，就形成了一個貫通的破壞面，層面上的膠結強度立即喪失。初始的脆性破壞后繼續對層面進行剪切，得到層面的殘余抗剪強度，殘余抗剪強度的摩爾包絡線如圖2中的B線所示。此時B線既代表完整膠結層面的殘余抗剪強度，又代表破壞面本身的峰值抗剪強度，而C線則是破壞面本身的殘余強度。理論上，由于破壞面上黏聚力喪失，B線是一條通過原點的曲線。對于這種無膠結的、粗糙起伏的硬性結構面，Patton[15-16]等在1966年提出其抗剪強度是基本抗剪強度和結構面上沿著滑動方向的粗糙度的函數，用式(2)表示：

τ=σntan(φb+i)

(2)

式中σn為法向應力；φb為沿著平整面的摩擦角，與材料類型有關，與法向應力無關；i是破壞面上的粗糙度。在實際應用中，一般也用式(1)代表的直線來擬合殘余強度參數。無膠結層面的抗剪強度也包括黏聚力Cr和層面間的抗滑摩擦阻力σntanφr，這里Cr稱為表觀黏聚力。

2 強度參數分析

2.1 峰值強度參數

對于膠結的、完整的層面，總的抗剪強度是黏聚力和內摩擦角的總和。其中黏聚力主要來自膠凝材料的膠結強度，而內摩擦角則與骨料的粒形、強度及層面的平整程度有關。

現場共計完成24組試驗共計115個試件的剪切試驗。將111個試件的法向應力與峰值剪切應力點繪在坐標圖中，并用最小二乘法進行擬合，得到不同工況下RCC層間結合面的綜合抗剪強度參數為f=1.46，C=1.28 MPa，層間結合面峰值強度參數擬合見圖3。

圖3 層間結合面峰值強度參數擬合

2.2 殘余強度參數

膠結良好、完整的RCC層間結合面，其破壞一般屬于脆性破壞，剪切試驗過程中表現出明顯的峰值強度及殘余強度。一般在達到峰值強度時層面即發生破壞，形成貫通性破壞面。破壞面一旦形成，層面的膠結強度即喪失，依靠摩擦和破壞面上局部突起的咬合作用形成強度。此時的強度既是完整結構面的殘余抗剪強度，也是破壞面形成以后其本身的峰值抗剪強度。

RCC層面殘余抗剪強度相當于無膠結剛性巖體結構面的抗剪強度，包括殘余黏聚力和層面間的抗滑摩擦阻力。殘余黏聚力又稱為表觀黏聚力，它并非真實的黏聚力，它是采用直線擬合試驗點數據而在τ～σ關系圖的縱軸上形成的截距。由于層面破壞后，其膠結強度即真實的黏聚力喪失，因此，理論上破壞面上是沒有任何黏聚力的。

殘余黏聚力即表觀黏聚力的值顯著低于峰值黏聚力，其大小跟法向應力及破壞面的起伏粗糙程度有關。將試驗中24組試驗共計115個試驗點的法向應力及對應的殘余抗剪強度畫在τ～σ關系圖上，得到層間結合面殘余強度參數擬合(圖4)。將圖中所有的試驗數據用直線進行最優擬合，得到擬合線A，該線的擬合方程表示為式(3)：

圖4 層間結合面殘余強度參數擬合

τ=1.11σn+0.38

(3)

其代表的殘余強度最佳擬合參數為C=0.38 MPa，φ=48.0°。

所有試驗數據下限值的擬合線是一條過原點的直線，即圖中的直線C，該線的擬合方程為式(4)：

τ=0.98σn

(4)

代表的殘余強度下限參數為C=0 MPa，φ=44.4°。

層間結合面被剪切破壞后，形成貫通性結構面，對于這種無膠結的、粗糙起伏的硬性結構面，其抗剪強度包線應為過原點的曲線，在低法向力區間，采用過原點的直線來進行分段擬合，更能合理地描述非膠結結構面的強度特征。從圖4可以看出，當法向應力小于0.3 MPa(低法向應力)左右時，采用過原點的直線B擬合更符合試驗點的分布趨勢。因此，RCC層面的殘余強度擬合關系如下：

σn<0.3 MPa,C=0 MPa,φ=66.8°
σn≥0.3 MPa,C=0.38 MPa,φ=48.0°

(5)

3 剪切破壞面及試件的運動特征

3.1 剪切破壞面特征的量測與描述

試驗完畢后，對剪切破壞面的特征進行詳細描述，記錄破壞形式、起伏情況、擦痕的分布、剪斷面面積等信息。剪切破壞面的起伏粗糙程度對于確定強度參數非常重要。在本試驗中，為了較精確地測定破壞面的起伏變化，自制了簡便的表面輪廓測量儀，用于測量剪切破壞面上沿著剪切方向的起伏粗糙程度，并繪制了破壞面上沿剪切方向起伏曲線(圖5)。從曲線上可以得到最大起伏差及最大起伏角等信息。

圖5 破壞面上沿剪切方向起伏曲線

3.2 剪切破壞模式

RCC層間結合面的直剪試驗最終破壞模式有以下幾種：

(1)沿著層間結合面破壞；

(2)破壞面全部在混凝土內部出現；

(3)破壞面部分沿著層間結合面，部分在混凝土內部出現。

本次試驗對150個試件破壞面出現的位置、破壞面上的最大起伏角度和最大起伏差進行了統計。可以看出，沿層間結合面破壞是剪切破壞的主要模式，全部沿RCC內部破壞的比例模式所占比例次之，破壞面部分沿著層間結合面、部分從RCC內部破壞的組合破壞所占比例最小。RCC層間結合面剪切破壞模式統計見圖6。

圖6 RCC層間結合面剪切破壞模式統計

3.3 破壞面形態特征統計分析

最大起伏角是破壞面上的測量剖面沿著剪切方向的最大仰角，是剪切過程中試件沿著局部爬坡的最大爬坡角；最大起伏差是破壞面上最高點和最低點之間的高差。這兩個參數能反映破壞面上的粗糙起伏程度。

對在三種破壞模式下的最大起伏角與最大起伏差進行統計，在這三種破壞模式中，沿層面破壞的破壞模式，其破壞面上的最大起伏角和最大起伏差是三種模式中最小的；全部沿RCC內部破壞的破壞模式，其最大起伏角和最大起伏差是三種模式中最大的；部分沿層面、部分從RCC內部破壞的組合破壞模式，其最大起伏角和最大起伏差位于前兩種模式之間。

根據美國陸軍工程兵團水道試驗站的文獻，可從試驗記錄的試件剪切位移-法向位移關系曲線計算中得到試件在剪切過程中爬坡上升的仰角，該仰角近似等于剪切面上的最大起伏角，理論上用這兩種方式得到的起伏角接近。

將測量起伏角與計算起伏角關系繪在圖7中后可見，通過這兩種方式得到的破壞面起伏角呈較好的線性相關趨勢。用過原點的直線進行擬合，擬合線的相關系數接近于1，說明這兩種方式得到反映破壞面上的最大起伏角是比較接近的。

圖7 測量起伏角與計算起伏角關系

3.4 試件的運動特征

幾乎所有試件在初始破壞后，法向位移都是增加的，這表明在初始破壞后的繼續剪切過程中，試件一直在沿著一個斜面或多個局部斜面向上滑動，存在“爬坡”現象。這是因為在初始破壞后，層間結合面形成了一個貫通的破壞面。一般來說，破壞面是不平整的，呈現出高低起伏的形態。試件受剪繼續向剪切方向運動的同時，會沿著破壞面上局部向上傾斜的地方上移，這種現象也稱為“剪脹”現象。

試件在剪切過程中上移的絕對位移量值通過測量的法向位移來反映，法向位移和“爬坡角”的大小都與法向應力有關。圖8、圖9中統計了所有試件的最大法向位移與法向應力的關系和最大起伏角與法向應力的關系。從兩圖中可見，法向位移和最大“爬坡角”都有隨著法向應力的增大而降低的趨勢。該現象可這樣解釋：隨著法向應力增大，破壞面上在低應力下沒有被剪斷的一些微凸體在高應力下被剪斷，或者破壞面上一些局部突起在高應力下被磨平，就如Patton的試驗一樣，試件在高應力的作用下沿著更加平緩的斜面運動，因此，向上運動的趨勢減弱，同時由于破壞面局部被磨平而導致“爬坡角”變小，法向位移～剪切位移曲線的初始段較陡而隨后則較緩。總之，法向應力的增大抑制了試件“剪脹”的趨勢。