含水率对粘土与混凝土接触面抗剪强度影响研究

陆业奇

(水电水利规划设计总院，北京 100120)

1 研究背景和意义

土石坝因其工程结构简单、适应性强、施工技术简便、造价便宜并可就地取材，而成为水电工程建设中应用最为广泛的一种坝型，其中，在我国已建成的八万多座水坝中土石坝约占90%[1-3]。粘土与混凝土接触问题在土石坝工程建设中普遍存在，如粘土心墙与岸坡混凝土斜坡、粘土心墙与坝基混凝土基座、高塑性粘土与防渗墙和廊道之间等接触部位。由于土体和结构物两者材料变形及强度特性相差悬殊[4]，二者组成的系统在受到外部荷载或者其他因素的作用下，会产生复杂的力学响应，尤其在水利水电工程中，随着库水入渗导致接触面土体含水率发生变化，其力学特性更为复杂。近年来，随着土石坝往300 m级发展，粘土与混凝土之间的接触力学特性更是引起了水利水电工程界的关注。不少学者对土与混凝土的力学特性已开展了较为系统地研究并取得了丰硕的成果[5-10]，但大多研究不同竖向应力和混凝土表面粗糙度对接触面力学特性的影响，对土体含水率对接触面力学特性影响的关注相对较少。为此，本文依托我国西南某土石坝工程，利用大型直剪仪，配制不同含水率的粘土试样，开展土与混凝土接触面的直剪试验，研究接触面抗剪强度与土体含水率之间关系。

图1 不同含水率的粘性土与混凝土接触面剪应力-剪切位移关系曲线

2 试验方案

试验在河海大学水工结构研究所自主研发的大型直剪系统上进行[11]，分别对6组不同含水率的粘土与混凝土接触面进行了直剪试验，剪切速度控制在0.5 mm/min。试验土料取自工程现场，其各粒径质量百分比如表1所示，土样不均匀系数Cu为8.78，曲率系数Cc为1.52，土样的级配良好，基本物理参数如表2所示。试样制备时，先将土料晾晒风干，进行碾散，并过2mm筛，过筛后加水充分搅拌，使其达到预定含水率，之后将土料密封保存24 h使土体含水率均匀分布。之后，将土样分层填入尺寸为200 mm×200 mm×100 mm(长×宽×高)的剪切框。为符合实际现场施工条件下接触面部位土体难以完全压实的情况，本次试验的试样干密度均控制在1.56 g/cm3，小于最大干密度。为研究粘土含水率对土与混凝土接触面力学特性的影响，分别配制含水率为4%、8%、12%、16%、22%、28%的试样。

表1 试样各粒级的质量百分比含量

表2 试验土样的基本物理参数

含水率4%、8%、12%、16%的试样分别采用250、500、750、1 000 kPa 4种竖向应力进行试验。当试样含水率为22%和28%时，土体在高应力下容易被挤出，因此，含水率为22%和28%的试样分别采用125、250、375、500 kPa的竖向应力进行试验。

3 试验结果

3.1 接触面剪应力-剪切位移关系曲线

图1是不同含水率下试样土体与混凝土接触面的剪应力-剪切位移的试验结果。从图1中可以看出，除了含水率较低，竖向荷载较小的情况下出现应力软化现象外，粘土与混凝土接触面的剪应力-剪切位移曲线均呈先增大后趋于稳定的变化规律，可采用Duncan提出的双曲线模型进行参数拟合。抗剪强度与竖向荷载之间满足一般规律，在相同含水率条件下，粘土与混凝土接触面的竖向荷载越大，剪应力峰值越高，且剪应力峰值对应的剪切位移也越大。接触面剪切力学特性同时受土体含水率的影响，当土体含水率小于12%时，接触面的剪应力-剪切位移关系曲线基本接近，接触面剪应力峰值变化较小；随着含水率的增加，达到相同剪切位移所需的剪应力急剧减小，而当含水率继续增大到某一水平后，不同含水率间接触面的剪应力-剪切位移关系曲线的差距逐渐减小。

对于含水率和竖向应力均较低的情况，粘土与混凝土接触面剪切过程大致可分为弹性、弹塑性、应变软化、残余摩擦4个阶段。以含水率4%、竖向荷载250 kPa下的剪切试验结果(如图2所示)为例，分析如下：

(1)弹性阶段(OP段)。此阶段剪应力与剪切位移的关系近似为一条直线。接触面的剪应力主要由两种接触材料之间的静摩擦力提供，两种材料之间并未产生滑动摩擦，直至达到剪应力弹性极值(图2中的P点)。

(2)弹塑性阶段(PQ段)。随着剪切位移的增加，接触面剪应力超过了弹性极值后仍在持续增加，但变幅逐渐减小直至为零。在此阶段内，接触面的位移带动了周围土体的变形，在接触表面逐渐形成了一个剪切错动带。接触面的静摩擦力和带内土体的切向变形共同提供了剪应力。当剪切带内土体变形达到其破坏的临界值时，剪应力达到最大值，即接触面的抗剪强度(图2中的Q点)。

(3)应变软化阶段(QR段)。此阶段滑动区内的土体切向受力已达到极限。粘土与混凝土接触面附近的土体随着剪切位移的继续增加，接触面附近部分土体的原始结构遭受破坏，导致其抗剪强度降低，表现出应变软化现象。当含水率较大，或者竖向应力较高时，土体的原始结构性(孔隙结构)在剪切之前已发生改变，此时主要反映出剪切硬化特性。

图2 接触面剪应力与剪切位移关系曲线(ω=4%，σ=250 kPa时)

(4)残余摩擦阶段(RT段)。由于接触面附近土体的原始结构已经破坏，其剪应力主要由滑动摩擦提供，在法向荷载不变的情况下，该作用力基本保持恒定。此阶段剪应力随着剪切位移的增加基本保持不变。

3.2 接触面抗剪强度

由以上试验数据可得，固定含水率条件下，接触面抗剪强度与法向荷载之间仍近似成直线关系，可用摩尔-库仑破坏准则表示：

τf=σtanφsur+csur

(1)

式中，τf为剪应力峰值；σ为竖向荷载；φsur和csur分别表示粘土与混凝土接触面的内摩擦角和粘聚力。根据最小二乘法，分别绘出的土体含水率为4%、8%、12%、16%、22%、28%时的接触面σ-τf关系曲线，如图3所示。相应的接触面抗剪强度拟合公式和内摩擦角φsur及粘聚力csur列于表3。图4和图5分别为粘土与混凝土接触面内摩擦角和粘聚力与土体含水率的关系曲线。

图3 不同含水率下粘土与混凝土接触面 σ-τf 关系曲线

含水率ω/%强度线拟合公式粘聚力csur/kPa内摩擦角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

图4 接触面内摩擦角与含水率的关系曲线

图5 接触面粘聚力与含水率的关系曲线

分析表3和图4、5可知，在土体含水率小于12%时，粘土与混凝土接触面内摩擦角随含水率变化的幅度较小；当土体含水率超过12%时，内摩擦角随含水率增加显著减小；之后，内摩擦角随含水率的变化又趋于平缓。粘聚力随含水率的增加先增大后大幅减小。

图6是不同竖向荷载下，粘土与混凝土接触面抗剪强度与含水率的关系。从图6中可以看出，接触面抗剪强度随着含水率的增加，同样呈先稍有增加后明显减小的趋势，其中在竖向荷载较大的条件下，接触面抗剪强度随含水率增大减小最为明显，在高土石坝建设中应重点关注。

图6 不同竖向荷载下接触面抗剪强度与含水率的关系曲线

4 结 语

通过采用大型直剪仪对粘土与混凝土接触面开展直剪试验，研究了土体含水率与接触面力学特性的影响，结果表明：

(1)粘土与混凝土接触面剪应力-剪切位移呈非线性关系，主要表现为剪切硬化规律，可采用Duncan提出的双曲线模型进行参数拟合。然而，在土体含水率和竖向荷载较低的情况下，接触面应力-应变曲线出现略微的应力软化现象。

(2)在同一含水率下，粘土与混凝土接触面的法向应力-抗剪强度关系仍可用摩尔-库仑破坏直线模拟，在土体含水率小于12%时，内摩擦角略有增加，而后随含水率的增大逐渐减小，粘聚力则随含水率的增加表现为先增加后减小。

(3)在同一竖向荷载下，粘土与混凝土接触面抗剪强度随含水率增加先略有增加后逐渐减小，且竖向荷载越大，抗剪强度减小越明显。

根据粘土与混凝土接触面抗剪强度与含水率之间的关系，可确定接触部位土体在施工时的最优含水率，并对库水入渗后接触面的剪切位移进行评估，对土石坝心墙设计具有一定的参考作用。要说明的是，以上结果仅根据本次试验得出，对于其他土体与混凝土的接触面是否适用，有待进行深入研究。