含水率对接触黏土料工程力学性能的影响研究

车维斌，江万红

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066)

1 引言

目前，国内超过200m的高心墙土石坝与盖板搭接材料一般选择接触黏土料。糯扎渡、长河坝、两河口工程是目前高心墙土石坝施工的典型代表，糯扎渡、长河坝已建成，两河口已开工建设。

土石坝接触土料通常用于防渗心墙料与坝肩接触部位以及心墙与混凝土构件接触部位易发生应力集中的区域，作为协调软、硬两种不同介质不同变形的“填充剂”，通过自身较强的塑性变形能力，调整和适应坝体的变形。由于在坝体中的功能及作用，要求这类黏土材料不仅具有一定的柔塑性、缓冲性和黏韧性，还要求其具有满足工程的防渗抗渗性。

两河口大坝接触黏土料根据填筑施工技术要求，在两岸高程2640m～2845m之间为可能发生较大剪切变形区域，其含水率控制范围为Wop+1%～Wop+3.5%。现有土石坝工程中，接触黏土料含水率控制标准是基于经验提出大致范围，未做系统研究。本文通过室内试验，进行系列的力学性试验研究，以揭示含水率变化情况下的接触黏土料压缩特性、抗剪特性、渗透特性以及与接触面的抗剪与塑性延展性等工程力学特性的变化情况。

2 室内力学试验

2.1 压缩变形特性试验研究

2.1.1 试验方案

根据室内标准击实功能下的击实试验成果，采用固定压实度100%，含水率分别控制为Wop-1%、Wop、Wop+1%、Wop+3.5%(Wop为最优含水率)，进行室内压缩变形特性试验。

按照试验方案进行试验，得出同一压实度(100%)不同含水率下的接触黏土自身压缩模量成果见表1、图1。

表1 接触黏土不同含水率下压缩模量成果

图1 100%压实度下接触黏土含水率与压缩模量关系

由图1可知：接触黏土压缩模量随着含水率的增大而先增大后减小，在最优含水率处压缩模量值最大。

2.1.2 试验分析

同一压实度下，当含水量位于最优含水率的偏干侧时，土粒的水膜较薄，土粒的排列方向很不规则，呈片架结构，荷载作用下容易变形；当含水率高于最优含水率即偏湿状态时，土中水膜加厚，水占据大部分孔隙并将气体封闭，封闭气泡很难在压缩荷载下赶走，因此荷载作用下模量降低，在最优含水率处土粒与水结合最好，压缩模量最高。

当接触黏土填筑含水率为Wop+3.5%时，压缩模量值较低，为减小接触黏土与砾石土的不均匀沉降，可适当提高压缩模量值，可以通过控制填筑含水率上限来增加黏土的压缩模量。

2.2 抗剪强度特性试验研究

2.2.1 试验方案

根据室内标准击实功能下的击实试验成果，采用固定压实度100%，含水率分别控制为Wop-1%、Wop、Wop+1%、Wop+3.5%，进行接触黏土自身抗剪强度特性试验。

按照试验方案进行试验，得出同一压实度(100%)不同含水率下的接触黏土自身抗剪强度成果见表2、图2。

表2 接触黏土抗剪强度试验成果

图2 100%压实度下接触黏土含水率与摩擦角关系

由图2可知：天然状态下，接触黏土抗剪强度摩擦角φ值随着含水率的增大逐渐减小，在含水率增大到Wop后摩擦角衰减幅度增大。

2.2.2 试验分析

黏土含水率逐渐增大时，土的基质吸力逐渐降低，土颗粒之间的水膜加厚，导致土颗粒之间的黏结作用减弱，加之水分的润滑作用致使摩擦力降低，导致黏土的抗剪强度指标下降。

从接触黏土的自身抗剪强度特性可知，含水率增大到Wop+3.5%时，自身强度值φ值衰减到较低值，从自身强度考虑可适当减小含水率上限值以保证黏土的最低强度。

2.3 渗透特性试验研究

根据室内标准击实功能下的击实试验成果，采用固定压实度100%，含水率分别控制为Wop-1%、Wop+1%、Wop+3.5%，进行室内渗透特性试验。

按照试验方案进行试验，得出同一压实度(100%)不同含水率下的接触黏土渗透系数成果见表3、图3。

表3 接触黏土不同含水率下渗透系数成果

图3 100%压实度下接触黏土含水率与渗透系数关系

从图3可知：在同一压实度下，3种不同含水率下的接触黏土渗透系数随着含水率变化其变化不大，表明在同一压实度下，位于最优含水率附近的含水率对接触黏土的渗透系数影响不大，均能满足抗渗要求。

最优含水率附近处含水率的土料在压实过程中，土体中的颗粒之间滑动阻力减小，压实时产生的剪应变使得颗粒近乎于平行定向排列，以致孔隙尺寸减小，渗透性达到最小。

3 接触面试验研究

3.1 试验方案

根据室内标准击实功能下的击实试验成果，采用固定压实度94%，含水率分别控制为Wop-1%、Wop、Wop+1%、Wop+2.3%、Wop+3.5%、饱和状态(21.5%)，进行接触黏土与混凝土面的剪切特性试验。

按照试验方案进行试验，得出同一压实度(94%)不同含水率下接触黏土与光面、粗糙混凝土下不同工况直接剪切试验强度值与剪切位移(剪应力取值点对应的剪位移)成果见表4、表5和图4。

表4 接触黏土不同含水率下光面、糙面接触面剪切强度φ值成果

表5 接触黏土不同含水率下糙面接触面剪切位移(σn=400kPa)成果

图4 光面、糙面混凝土下非饱和接触黏土含水率与摩擦角关系

由图4可知：压实度94%情况下，非饱和黏土在光面、糙面接触面下均随着含水率的增大接触面抗剪强度φ值逐渐降低，从Wop+2.3%至Wop+3.5%时φ值急剧衰减到10°以下。同时，非饱和黏土在糙面混凝土接触面下的抗剪强度要略高于光面混凝土接触面，同一含水率下差值约0.5°～1.0°。

3.2 试验分析

黏土含水率逐渐增大时，土的基质吸力逐渐降低，土颗粒之间水膜加厚，随之水分的润滑作用致使摩擦力降低，导致黏土的抗剪强度指标下降。另外，超湿的土易在土体内产生超静孔隙水压力，强度降低，填土易形成“橡皮土”，故强度值衰减极大。

压实度94%情况下，非饱和黏土在糙面接触面下均随着含水率的增大剪切位移逐渐增大，并随着单位含水率的增加对应的剪切位移增长幅度变大，含水率越高黏土的塑性及延展性越好。

含水率偏低时，包围土颗粒的水膜厚度较薄，在外荷载作用下，土颗粒间不易剪切移动；在含水率逐渐变大时，土颗粒周围水膜变厚，润滑作用逐渐增强，土颗粒相互间易于移动而出现剪切移动，当含水率增加较大时颗粒间的润滑作用达到最充分效果，此时剪切位移急剧增长。

通过不同含水率、不同粗糙度接触面剪切试验成果可知：接触黏土随着含水率的增大抗剪强度逐渐降低，但是由剪切位移指标所展现的黏土塑性及延展性随含水率增大逐渐变好。

4 结论

通过研究含水率对接触黏土料工程力学性能的影响，可以得出如下结论：

(1)接触黏土压缩模量随着含水率的增大先增大而后减小，在最优含水率处压缩模量值最大。当填筑含水率为Wop+3.5%时，压缩模量值较低，为减小接触黏土与砾石土的不均匀沉降，可考虑通过适当减少填筑含水率来增加黏土的压缩模量。

(2)接触黏土抗剪强度摩擦角φ值随着含水率的增大逐渐减小，在含水率增大到Wop后摩擦角衰减幅度增大。当填筑含水率为Wop+3.5%时，自身强度值φ值衰减到较低值，从自身强度考虑可适当减小含水率上限值以保证黏土的最低强度。

(3)不同含水率下的接触黏土渗透系数随着含水率变化渗透系数变化不大，表明在同一压实度下位于最优含水率附近含水率对接触黏土的渗透系数影响不大，均能满足抗渗要求。

(4)接触黏土随着含水率的增大接触面抗剪强度逐渐降低，但是由剪切位移指标所展现的黏土塑性及延展性随含水率增大逐渐变好。由于Wop+3.5%时φ值急剧衰减到10°以下，强度略偏低，综合考虑强度与塑性及延展性的要求，宜控制好含水率的上下限。

(5)综合接触黏土压缩特性、抗剪特性、渗透特性以及与接触面的抗剪与塑性延展性等工程特性要求，将目前填筑含水率范围控制在Wop+0.5%～Wop+3.0%可更好地适应以上各方面工程特性的要求。