含水率對接觸黏土料工程力學性能的影響研究

車維斌，江萬紅

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

1 引言

目前，國內(nèi)超過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、長河壩已建成，兩河口已開工建設。

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”，通過自身較強的塑性變形能力，調(diào)整和適應壩體的變形。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，其含水率控制范圍為Wop+1%～Wop+3.5%。現(xiàn)有土石壩工程中，接觸黏土料含水率控制標準是基于經(jīng)驗提出大致范圍，未做系統(tǒng)研究。本文通過室內(nèi)試驗，進行系列的力學性試驗研究，以揭示含水率變化情況下的接觸黏土料壓縮特性、抗剪特性、滲透特性以及與接觸面的抗剪與塑性延展性等工程力學特性的變化情況。

2 室內(nèi)力學試驗

2.1 壓縮變形特性試驗研究

2.1.1 試驗方案

根據(jù)室內(nèi)標準擊實功能下的擊實試驗成果，采用固定壓實度100%，含水率分別控制為Wop-1%、Wop、Wop+1%、Wop+3.5%(Wop為最優(yōu)含水率)，進行室內(nèi)壓縮變形特性試驗。

按照試驗方案進行試驗，得出同一壓實度(100%)不同含水率下的接觸黏土自身壓縮模量成果見表1、圖1。

表1 接觸黏土不同含水率下壓縮模量成果

圖1 100%壓實度下接觸黏土含水率與壓縮模量關(guān)系

由圖1可知：接觸黏土壓縮模量隨著含水率的增大而先增大后減小，在最優(yōu)含水率處壓縮模量值最大。

2.1.2 試驗分析

同一壓實度下，當含水量位于最優(yōu)含水率的偏干側(cè)時，土粒的水膜較薄，土粒的排列方向很不規(guī)則，呈片架結(jié)構(gòu)，荷載作用下容易變形；當含水率高于最優(yōu)含水率即偏濕狀態(tài)時，土中水膜加厚，水占據(jù)大部分孔隙并將氣體封閉，封閉氣泡很難在壓縮荷載下趕走，因此荷載作用下模量降低，在最優(yōu)含水率處土粒與水結(jié)合最好，壓縮模量最高。

當接觸黏土填筑含水率為Wop+3.5%時，壓縮模量值較低，為減小接觸黏土與礫石土的不均勻沉降，可適當提高壓縮模量值，可以通過控制填筑含水率上限來增加黏土的壓縮模量。

2.2 抗剪強度特性試驗研究

2.2.1 試驗方案

根據(jù)室內(nèi)標準擊實功能下的擊實試驗成果，采用固定壓實度100%，含水率分別控制為Wop-1%、Wop、Wop+1%、Wop+3.5%，進行接觸黏土自身抗剪強度特性試驗。

按照試驗方案進行試驗，得出同一壓實度(100%)不同含水率下的接觸黏土自身抗剪強度成果見表2、圖2。

表2 接觸黏土抗剪強度試驗成果

圖2 100%壓實度下接觸黏土含水率與摩擦角關(guān)系

由圖2可知：天然狀態(tài)下，接觸黏土抗剪強度摩擦角φ值隨著含水率的增大逐漸減小，在含水率增大到Wop后摩擦角衰減幅度增大。

2.2.2 試驗分析

黏土含水率逐漸增大時，土的基質(zhì)吸力逐漸降低，土顆粒之間的水膜加厚，導致土顆粒之間的黏結(jié)作用減弱，加之水分的潤滑作用致使摩擦力降低，導致黏土的抗剪強度指標下降。

從接觸黏土的自身抗剪強度特性可知，含水率增大到Wop+3.5%時，自身強度值φ值衰減到較低值，從自身強度考慮可適當減小含水率上限值以保證黏土的最低強度。

2.3 滲透特性試驗研究

根據(jù)室內(nèi)標準擊實功能下的擊實試驗成果，采用固定壓實度100%，含水率分別控制為Wop-1%、Wop+1%、Wop+3.5%，進行室內(nèi)滲透特性試驗。

按照試驗方案進行試驗，得出同一壓實度(100%)不同含水率下的接觸黏土滲透系數(shù)成果見表3、圖3。

表3 接觸黏土不同含水率下滲透系數(shù)成果

圖3 100%壓實度下接觸黏土含水率與滲透系數(shù)關(guān)系

從圖3可知：在同一壓實度下，3種不同含水率下的接觸黏土滲透系數(shù)隨著含水率變化其變化不大，表明在同一壓實度下，位于最優(yōu)含水率附近的含水率對接觸黏土的滲透系數(shù)影響不大，均能滿足抗?jié)B要求。

最優(yōu)含水率附近處含水率的土料在壓實過程中，土體中的顆粒之間滑動阻力減小，壓實時產(chǎn)生的剪應變使得顆粒近乎于平行定向排列，以致孔隙尺寸減小，滲透性達到最小。

3 接觸面試驗研究

3.1 試驗方案

根據(jù)室內(nèi)標準擊實功能下的擊實試驗成果，采用固定壓實度94%，含水率分別控制為Wop-1%、Wop、Wop+1%、Wop+2.3%、Wop+3.5%、飽和狀態(tài)(21.5%)，進行接觸黏土與混凝土面的剪切特性試驗。

按照試驗方案進行試驗，得出同一壓實度(94%)不同含水率下接觸黏土與光面、粗糙混凝土下不同工況直接剪切試驗強度值與剪切位移(剪應力取值點對應的剪位移)成果見表4、表5和圖4。

表4 接觸黏土不同含水率下光面、糙面接觸面剪切強度φ值成果

表5 接觸黏土不同含水率下糙面接觸面剪切位移(σn=400kPa)成果

圖4 光面、糙面混凝土下非飽和接觸黏土含水率與摩擦角關(guān)系

由圖4可知：壓實度94%情況下，非飽和黏土在光面、糙面接觸面下均隨著含水率的增大接觸面抗剪強度φ值逐漸降低，從Wop+2.3%至Wop+3.5%時φ值急劇衰減到10°以下。同時，非飽和黏土在糙面混凝土接觸面下的抗剪強度要略高于光面混凝土接觸面，同一含水率下差值約0.5°～1.0°。

3.2 試驗分析

黏土含水率逐漸增大時，土的基質(zhì)吸力逐漸降低，土顆粒之間水膜加厚，隨之水分的潤滑作用致使摩擦力降低，導致黏土的抗剪強度指標下降。另外，超濕的土易在土體內(nèi)產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，強度降低，填土易形成“橡皮土”，故強度值衰減極大。

壓實度94%情況下，非飽和黏土在糙面接觸面下均隨著含水率的增大剪切位移逐漸增大，并隨著單位含水率的增加對應的剪切位移增長幅度變大，含水率越高黏土的塑性及延展性越好。

含水率偏低時，包圍土顆粒的水膜厚度較薄，在外荷載作用下，土顆粒間不易剪切移動；在含水率逐漸變大時，土顆粒周圍水膜變厚，潤滑作用逐漸增強，土顆粒相互間易于移動而出現(xiàn)剪切移動，當含水率增加較大時顆粒間的潤滑作用達到最充分效果，此時剪切位移急劇增長。

通過不同含水率、不同粗糙度接觸面剪切試驗成果可知：接觸黏土隨著含水率的增大抗剪強度逐漸降低，但是由剪切位移指標所展現(xiàn)的黏土塑性及延展性隨含水率增大逐漸變好。

4 結(jié)論

通過研究含水率對接觸黏土料工程力學性能的影響，可以得出如下結(jié)論：

(1)接觸黏土壓縮模量隨著含水率的增大先增大而后減小，在最優(yōu)含水率處壓縮模量值最大。當填筑含水率為Wop+3.5%時，壓縮模量值較低，為減小接觸黏土與礫石土的不均勻沉降，可考慮通過適當減少填筑含水率來增加黏土的壓縮模量。

(2)接觸黏土抗剪強度摩擦角φ值隨著含水率的增大逐漸減小，在含水率增大到Wop后摩擦角衰減幅度增大。當填筑含水率為Wop+3.5%時，自身強度值φ值衰減到較低值，從自身強度考慮可適當減小含水率上限值以保證黏土的最低強度。

(3)不同含水率下的接觸黏土滲透系數(shù)隨著含水率變化滲透系數(shù)變化不大，表明在同一壓實度下位于最優(yōu)含水率附近含水率對接觸黏土的滲透系數(shù)影響不大，均能滿足抗?jié)B要求。

(4)接觸黏土隨著含水率的增大接觸面抗剪強度逐漸降低，但是由剪切位移指標所展現(xiàn)的黏土塑性及延展性隨含水率增大逐漸變好。由于Wop+3.5%時φ值急劇衰減到10°以下，強度略偏低，綜合考慮強度與塑性及延展性的要求，宜控制好含水率的上下限。

(5)綜合接觸黏土壓縮特性、抗剪特性、滲透特性以及與接觸面的抗剪與塑性延展性等工程特性要求，將目前填筑含水率范圍控制在Wop+0.5%～Wop+3.0%可更好地適應以上各方面工程特性的要求。