沥青混凝土水力劈裂及裂缝淤堵试验研究

佘 娇

（三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002）

沥青混合料是由沥青、骨料和填料按比例配合，经过加热拌制而成，沥青混合料经压密而成沥青混凝土.由于沥青混凝土自身具有较强适应地基变形的能力和良好的不透水性，因此在土石坝心墙方面的应用很广泛.随着水电建设向西南发展，土石坝正逐渐向高300m级发展，但在高沥青混凝土坝的建设中，沥青混凝土心墙面临着水力劈裂等问题.判断心墙在蓄水条件下是否发生水力劈裂，将直接关系到大坝能否安全运行［1］.

20世纪70年代以来，国内外学者［2－6］对防渗土体水力劈裂的问题已进行了深入研究，并取得了重要的成果.对于土石坝沥青混凝土心墙防渗结构水力劈裂的机理与产生条件，研究成果甚为稀少.一般认为心墙的水力劈裂压力与心墙土体的饱和度、固结度有关.现场劈裂压力值有确定的界限，上限和下限分别由饱和固结和饱和非固结水力劈裂试验得到，提高心墙与坝壳泊松比都有利于心墙防止水力劈裂，坝壳与心墙的弹性模量比越大，心墙越易产生水力劈裂.《碾压式土石坝设计规范》规定当Ui＞σmin＋｜σt｜（Ui为内水压，σmin为土体中某点的最小主应力，σt为土体抗拉强度极限）即可能产生水力劈裂.本文针对水力劈裂这一热点问题，利用沥青混凝土试件，分别采取厚壁空心圆柱体试件和圆形平板试件进行水力劈裂试验，研究其水力劈裂条件，将结构效应不同的试件产生的试验结果进行对比，并在圆形平板试件的基础上进行裂缝淤堵试验，研究用泥浆淤堵裂缝的效果.

1 试验材料与方法

1.1 厚壁空心圆柱体试件成型及试验方法

厚壁空心圆柱体式样的水力劈裂试验［7］所用的试件，是按沥青混凝土三轴试验试样尺寸成型试样，直径为100mm，高度为200mm，每组试样不少于4个.控制一组试样间的密度之差不大于0.01g／cm3.待试样在规定的温度下养护48h后，在试样的一端中心处采用立钻钻孔，孔径不小于20mm，孔深为160mm，形成空芯试件；用环氧树脂或加温的沥青将试件粘接在三轴剪力仪的底盘上，按类似三轴剪切试验或无侧限抗压强度试验的方法进行.先从仪器底盘上的底孔向粘接在三轴剪力仪上试样的孔洞中充水排出空气，待孔洞中空气排尽并被水充满后，关闭底孔阀门.

试验开始时先开启连接试样的排水阀门，缓慢地对沥青混凝土试样施加竖向压力，当试样轴向变形达0.8%时，停止增加竖向压力并维持该压力；然后分级同时向沥青混凝土试件的空芯腔体施加内水压力和周围压力，随时监测排水管，观察是否有气、水排出；待内水压力和周围压力达到1.2MPa后，停止增加内外水压力.观察一段时间，若无气、水排出，则采取维持内水压力不变而逐步减小周围压力或同时减小周围压力和内水压力到某一压力，然后再逐步施加内水压力，当试件内水压力与周围压力的压差达到一定量后，就可能产生水力劈裂.沥青混凝土圆形平板试件水力劈裂装置照片如图1所示.

图1 试样水力劈裂前轴向受力

1.2 圆形平板试件成型及试验方法

圆形平板试件水力劈裂试验［8］是将沥青混凝土板放置于上下两腔体之间，并用法兰盘来止水.上部带法兰盘的圆形腔体可施加水压力，下部圆形腔体底部带可调节底板，顶部带法兰盘.试验时下部腔体填充砂砾石过渡料；上下部两个圆形腔体的直径均为300mm.圆形板式沥青混凝土试件被螺丝固定在上、下两个腔体之间；上部腔体与沥青混凝土板之间用密封圈密封，试验时逐级向上腔体内施加压力，观察下部腔体渗水量的变化.根据渗水量的变化情况判断在该级水压条件下是否产生了水力劈裂现象.试验装置如图2所示.

图2 圆形平板试件水力劈裂试验装置（单位：mm）

试验开始时，在上腔体中逐级施加水压力，每级压力增量为0.2MPa，并稳压45min，观察下腔体的渗水情况，至上腔体压力达1.0MPa，下腔体仍无渗水情况发生，这就说明沥青混凝土板在上腔体压力达1.0MPa时未发生水力劈裂现象.在1.0MPa水压力作用下未见水力劈裂条件下，逐步调整下部腔体的底板，使得沥青混凝土板随砂砾石过渡料一起产生变形，同时观察下部腔体渗水量的变化，直至沥青混凝土板破坏、水量大增为止.

1.3 沥青混凝土裂缝淤堵试验方法

沥青混凝土裂缝淤堵试验是在混凝土板水力劈裂试验的基础上进行的.试验方法与沥青混凝土板水力劈裂试验类似.不同的是，为了进行裂缝淤堵试验，试验前先在一块厚60mm的沥青混凝土板的中部切割一条长100mm、宽4mm的缝；另外增加一个施加泥浆压力的装置.

开始试验时，先用粘土将裂缝封住，以保证在施加水压力之前，上部加压腔体内的水不会漏出.试验时，先将上部加压腔体逐步施加水压力，同时观察底部出水量的变化；待底部有较大的出水量，沥青混凝土形成了一定程度的裂缝时，停止施加水压力而改加与水压力同样大小的泥浆压力，连续观测水量的变化；以判断用泥浆淤堵裂缝的效果.

试验用的泥浆是用膨润土和水搅拌而成的，泥浆比重为1.304，试验后测量泥浆淤堵缝长约为3cm，沥青混凝土板的过渡料表层有约2mm厚的一层泥浆层.

2 试验结果分析

2.1 厚壁空心圆柱体试件试验结果分析

假设试件为弱透水性，则当外压力作用于试样时，可用拉密公式计算试件的内力：

式中，a为空心圆柱的内径，b为空心圆柱的外径，pi为空心圆柱的外压力，p0为空心圆柱的内压力.

当σt＝σθ时，试件破坏，则

式中，σt为抗拉强度.

根据空心圆柱试验所得破坏时的内外压力差即可求抗拉强度.

选用了4组击实的沥青混凝土试件，进行了厚壁空心圆柱劈裂试验.试验的密度为2.39～2.43t／m3，试验成果见表1.

表1 厚壁空心圆柱劈裂试验成果

1）在无侧限情况下，当内孔压力为0.15MPa，沥青混凝土试件基本未产生变形；当内孔压力为0.2 MPa，随作用时间的增长，沥青混凝土试件径向变形逐渐增大，径向变形达0.7%时仍未产生水力劈裂，径向变形达到1.1%时，产生水力劈裂，破坏内外水压力差为0.2MPa，按式（3）换算σt约为0.2MPa.

2）在有侧限的情况下，试件在经过0.8%的竖向剪切变形后，施加0.3MPa的内外水压力，试件没有出现水力劈裂现象，产生水力劈裂破坏内外水压力差可达0.4MPa，这与按式（3）换算的值约为0.4，几乎一致.

3）厚壁空心圆柱劈裂试验与心墙坝水力劈裂判别准则的受力状态不完全一致，试验成果反映了径向劈裂问题.无论是在有侧限还是无侧限条件下，试样都是在内外水压存在压差的情况下，并产生径向变形后才产生水力劈裂.

2.2 圆形平板试件试验结果分析

试验成果见表2［7］.

表2 沥青混凝土平板试件水力劈裂试验成果表

试验成果表明，圆形板试件承受1.0MPa的水压力，沥青混凝土板未发生水力劈裂现象.在承受1.0 MPa的水压力的条件下，沥青混凝土板的厚度分别为25mm、40mm、60mm，沥青混凝土板发生周边受到约束而被拉裂破坏时，底部变形量分别为7mm、9.3mm、11mm，破坏时发生的剪切变形率达18%.

2.3 沥青混凝土裂缝淤堵试验

沥青混凝土裂缝淤堵试验成果表见表3.

表3 沥青混凝土裂缝淤堵试验成果表

由试验结果可以得出：用膨润土和水搅拌而成的泥浆充填沥青混凝土的裂缝效果非常明显，由水压力改为泥浆压力3～5min，出水量约为水压力的15%，8～10min，约为施加水压力时的1%，13～15min，裂缝基本被封堵.

3 结 论

本次试验根据室内沥青混凝土试件，分别采取圆柱体和圆形板式式样，研究其水力劈裂的条件，并且在圆形平板试件的基础上进行沥青混凝土裂缝淤堵试验，得出以下结论：

1）厚壁空心圆柱劈裂试验表明：无论是有侧限还是在无侧限条件下，沥青混凝土试件都是在内外水压存在压差的情况下，并产生一定的径向变形后才发生径向水力劈裂，均产生径向水力劈裂.径向拉伸应力达200kPa以上，径向变形需达1%左右.

2）平板试件劈裂试验表明：过渡料正常压密条件下，厚度在25mm以上的沥青混凝土板承受1 000 kPa的水压力不会产生水力劈裂；在1 000kPa的水压力作用下，沥青混凝土的剪切变形率达18%时，才在周边发生水力劈裂破坏.

3）从分别利用厚壁空心圆柱和平板这两种不同结构效应的试件进行水力劈裂试验的结果来看，劈裂压力与沥青混凝土的抗拉强度以及轴向应力并不成正比.这表明，根据《碾压式土石坝设计规范》使用的判别土石坝发生水力劈裂的经验公式Uif＜σ1＋T，（其中Uif是临界水压力，σ1是心墙所受的小主应力，T是沥青混凝土的抗拉强度），并不适用于沥青混凝土心墙.

4）采用比重为1.034的膨润土泥浆，在100kPa的压力下，结合过渡料有较好的堵缝效果.

［1］ 王为标.土石坝沥青防渗技术的应用和发展［J］.水力发电学报，2004，23（6）：70－71.

［2］ 介玉新，李广信.加筋土数值计算的等效附加应力法［J］.岩土工程学报.1999，21（5）：614－616.

［3］ 介玉新，王乃东，李广信.加筋土计算中等效附加应力法的改进［J］.岩土力学.2007，S28：129－132.

［4］ 介玉新.加筋高边坡及计算方法［J］.工程地质学报，2010，18（Sup）：263－267.

［5］ 王清友，孙万功，熊欢.塑性混凝土防渗墙［M］.北京：中国水利水电出版社，2008.

［6］ 张丙印，李娜，李全明，等.土石坝水力劈裂发生机理及模型试验研究［J］.岩土工程学报，2005，27（11）：1277－1281.

［7］ 鲁 超.土石坝沥青混凝土坝心墙水力劈裂研究［D］.西安：西安理工大学，2010：32－33.

［8］ 朱 晨，魏匡民，饶锡保.土石坝沥青混凝土心墙水力劈裂研究［J］.水力发电学报，2013，32（1）：218.

［9］ 李广信.高等土力学［M］.北京：清华大学出版社，2007.