不同压实度对接触黏土料工程力学性能的影响研究

车维斌，谭小军，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，其压实度控制标准为94%～100%，现有土石坝工程中，压实度控制设计要求基本只提出了下限值，本文通过对不同压实度下的各力学与渗透指标研究，基于接触黏土独有的剪切变形特性，提出了接触黏土受拉应力与剪应力时，其压实度控制范围，以揭示压实度变化情况下的接触黏土料变形、强度、渗透工程力学特性的变化情况。

2 室内力学试验

2.1 试验设计

根据室内标准击实功能下的击实试验成果，采用固定含水率Wop+1，压实度分别控制为94%、97%、100%、103%、106%，进行接触黏土自身压缩变形特性、自身抗剪强度特性、自身渗透特性试验。

2.2 压缩变形特性试验研究

按照试验方案进行试验，得出同一含水率不同压实度下的接触黏土自身压缩模量成果见表1、图1。

表1 接触黏土不同压实度下压缩模量成果

图1 不同压实度下接触黏土压实度与压缩模量关系

由图1可知：饱和与天然含水率(18.2%)下的接触黏土随着压实度的增大，压缩模量都逐渐增大，但是天然压缩模量要高于饱和压缩模量。

在同一含水量下，在此试验设计的压实度(击实功)范围内，随着击实功的增大，黏土颗粒的排列从无序不规则向排列紧密规则变化，因此干密度逐渐增大，压缩模量逐渐变大。从协调大坝沉降变形的角度看，宜提高接触黏土的压实度。

2.3 抗剪强度特性试验研究

按照试验方案进行试验，得出同一含水率不同压实度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 不同压实度下接触黏土压实度与摩擦角关系

由图2可知：饱和与天然含水率(18.2%)下的接触黏土随着压实度的增大，抗剪强度φ值都逐渐增大，压实度106%时抗剪强φ值最大，固结快剪φ值要高于天然快剪φ值。

在同一含水量下，在此试验设计的压实度(击实功)范围内，随着击实功的增加，黏土颗粒的排列从无序不规则向排列紧密规则变化，因此随着压实度逐渐增大，抗剪强度逐渐变大。

2.4 渗透特性试验研究

按照试验方案进行试验，得出同一含水率不同压实度下的接触黏土渗透系数成果见表3、图3。

表3 接触黏土不同压实度下渗透系数成果

图3 不同压实度下接触黏土压实度与渗透系数关系

由图3可知：天然含水率(18.2%)下的接触黏土随着压实度的增大，渗透系数随着压实度的增大逐渐减小，压实度106%时渗透系数值最小。

在同一含水量下，在此试验设计的压实度(击实功)范围内，随着击实功的增加，黏土颗粒的排列从无序不规则向排列紧密规则变化，因此随着压实度逐渐增大，黏土孔隙率逐渐减小，渗透系数逐渐降低。

3 接触面试验研究

取接触黏土在非饱和状态下进行的糙面混凝土接触面下的直剪试验(垂直压力σn=200kPa)成果进行统计分析，作出图4所示的不同压实度非饱和接触黏土在糙面混凝土下剪应力与剪切变形关系曲线。

图4 不同压实度非饱和接触黏土在糙面混凝土下剪应力与剪切变形关系

由图4可知，τ～Δl关系曲线的形状都呈双曲线形，土体所受剪应力在剪切初始阶段上升较快，随后缓慢上升，直剪试验曲线呈硬化现象，没有明显的软化现象。直剪试验曲线水平段均较长，可见高塑性黏土在达到抗剪强度后，在强度基本保持不变的情况下变形可以有很大的发展，表现出较强的变形适应能力。

94%～105%压实度下取强度值时的应变Δl～应力τ对应点分别为(13.5mm，155kPa)-94%、(12.5mm，165kPa)-97%、(8.0mm，190kPa)-100%、(7.05mm，200kPa)-103%、(6.5mm，210kPa)-105%。比较可知，不同压实度下剪切开始出现大变形时，随着压实度的增大，接触黏土与混凝土面的抗剪强度均有增大，但其达破坏强度时的剪切位移量也随着压实度的增大而减小。

因而，提高压实度有利于增加接触黏土与面板的抗剪强度，但其适应剪切变形的能力却逐渐减小，在接触黏土拉应力或剪应力区域，应控制其压实度上限。

4 结论

通过对不同压实度对接触黏土料工程力学性能的影响研究，可以得出如下结论：

(1)饱和与天然含水率18.2%工况下，接触黏土压实度从94%变化至106%时，压缩模量均逐渐提高，压实度106%时压缩模量最大，天然压缩模量要高于饱和压缩模量。

(2)饱和与天然含水率(18.2%)工况下的接触黏土随着压实度的增大，抗剪强度φ值逐渐增大，压实度106%时抗剪强度φ值最大，固结快剪φ值要高于天然快剪φ值。

(3)天然含水率(18.2%)下的接触黏土随着压实度的增大，渗透系数随着压实度的增大逐渐减小，压实度106%时渗透系数值最小。

(4)不同压实度下剪切开始出现大变形时，随着压实度的增大，接触黏土与混凝土面的抗剪强度略有增大，其达破坏强度时的剪切位移量随着压实度增加有所减小。

(5)综合不同接触黏土的压缩变形、渗透、剪切特性，建议在接触黏土主要受拉应力或剪应力区域，控制压实度范围为94%～102%。