瀝青混凝土在剪脹條件下的水力劈裂模型試驗(yàn)研究

曹 巖，郝巨濤，汪正興，魯一暉

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100038）

1 研究背景

工程界最早是在1960年代的基礎(chǔ)劈裂灌漿實(shí)踐中了解水力劈裂的。1970年代起，土石壩的水力劈裂問(wèn)題逐漸引起工程界的重視，特別是1976年美國(guó)壩高126.5m的Teton寬心墻土石壩發(fā)生潰決，經(jīng)調(diào)查是由于右岸基巖截滲齒槽內(nèi)的粉砂土體發(fā)生水力劈裂引發(fā)土體管涌造成的，且水力劈裂與槽內(nèi)土體的拱效應(yīng)有關(guān)，并提出水力劈裂發(fā)生在土的抗拉強(qiáng)度與最小主應(yīng)力之和小于靜水壓力的區(qū)域[1]。

對(duì)于心墻水力劈裂黃文熙[2]曾指出，如果心墻某點(diǎn)上的主應(yīng)力與土的抗拉強(qiáng)度之和小于該點(diǎn)處的孔隙水壓力，心墻就將因水力劈裂產(chǎn)生水平或豎向裂縫。然而，Jaworski等[3]用均勻試樣并模擬心墻上游面條件進(jìn)行的試驗(yàn)，卻未能使水力劈裂發(fā)生，表明黃文熙給出的條件并不一定充分。對(duì)此Sherard[4]注意到當(dāng)庫(kù)水位僅比潛在的水力劈裂面高出1～2 m時(shí)就可能進(jìn)入防滲體，而不是原先人們以為的必須高出許多才能進(jìn)入，并指出其原因是，土質(zhì)防滲體含有許多施工中產(chǎn)生的裂縫，盡管這些裂縫在上覆壩體自重下擠壓閉合，但仍是閉合的裂縫，一旦水壓力大于土壓力庫(kù)水就會(huì)進(jìn)入這些閉合的裂縫，并開(kāi)始水力劈裂的進(jìn)程。庫(kù)水進(jìn)入裂縫幾厘米后，水壓力就作用在最小抗力面（縫面），如果水壓力繼續(xù)增大就會(huì)楔開(kāi)裂縫，產(chǎn)生水力劈裂。因此以后人們推測(cè)，防滲土體的內(nèi)部缺陷（如閉合裂縫）也可能是導(dǎo)致水力劈裂發(fā)生的一個(gè)條件。對(duì)此，張丙印等研制了一個(gè)含有滲透軟弱面的土料水力劈裂試驗(yàn)裝置并進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，當(dāng)在土樣內(nèi)存在初始的滲透軟弱面時(shí)，水壓力的升高可以誘導(dǎo)發(fā)生水力劈裂，并認(rèn)為除了堆石體對(duì)心墻的拱效應(yīng)可減小心墻的豎向應(yīng)力，增加其發(fā)生水力劈裂的可能性外，在土石壩心墻中可能存在的滲水弱面以及在水庫(kù)快速蓄水過(guò)程中所產(chǎn)生的弱面水壓楔劈效應(yīng)，是心墻發(fā)生水力劈裂的另一個(gè)重要條件[5]。

隨著筑壩技術(shù)的發(fā)展，瀝青混凝土心墻堆石壩壩高已達(dá)到100 m以上，如挪威的Storglomvatn壩壩高128 m，我國(guó)四川的冶勒壩壩高125.5m等[6]。在高瀝青混凝土心墻堆石壩的建設(shè)中，瀝青心墻的水力劈裂問(wèn)題不時(shí)引發(fā)人們的關(guān)注。

2 現(xiàn)狀分析

瀝青混凝土與防滲土料相比明顯不同。當(dāng)土體填筑含水量為10%時(shí)，其孔隙率可達(dá)20%～30%，土體中的孔隙水可以形成連續(xù)分布的靜水壓力。而瀝青混凝土孔隙率很低，一般小于3%，加之瀝青本身憎水，其內(nèi)部無(wú)法形成連續(xù)分布孔隙水壓力。另外10℃時(shí)的瀝青黏度已經(jīng)大到無(wú)法量測(cè)，已有試驗(yàn)證實(shí)，水壓力通過(guò)瀝青傳遞壓力的可能性也微乎其微。由于孔隙水壓力及其壓力傳遞這一主要先決條件不存在，瀝青混凝土的水力劈裂一般可以不考慮[7]。然而工程建設(shè)中對(duì)于瀝青混凝土的水力劈裂仍很慎重。三峽茅坪溪瀝青混凝土心墻壩建設(shè)時(shí)認(rèn)為，當(dāng)瀝青混凝土模量數(shù)低于400時(shí)，應(yīng)用黏土心墻水力劈裂判據(jù)，即心墻豎向應(yīng)力小于或等于相應(yīng)處水壓力，心墻拱效應(yīng)明顯，可能產(chǎn)生水力劈裂。但瀝青混凝土具有一定的抗拉強(qiáng)度，需論證瀝青混凝土的水力劈裂條件及裂縫自愈能力[8]。參照國(guó)內(nèi)外鉆孔壓水水力劈裂試驗(yàn)成果，進(jìn)行了厚壁空心圓筒水力劈裂試驗(yàn)和圓形平板水力劈裂試驗(yàn)。圓筒水力劈裂試驗(yàn)在高壓三軸儀上進(jìn)行，通過(guò)施加內(nèi)外水壓力研究水力劈裂條件。結(jié)果表明，瀝青混凝土厚壁筒在一定內(nèi)外壓差、并產(chǎn)生一定徑向變形后會(huì)產(chǎn)生水力劈裂，且均為徑向水力劈裂。圓形平板水力劈裂試驗(yàn)是將瀝青混凝土板放置于上下兩腔體之間，并用法蘭盤(pán)止水。上部帶法蘭盤(pán)的圓形腔體施加水壓力，下部圓形腔體填充砂礫石過(guò)渡料，并在底部設(shè)可調(diào)節(jié)底板。通過(guò)逐級(jí)向上部腔體內(nèi)施加壓力，觀察下部腔體滲水量的變化，了解是否產(chǎn)生水力劈裂。試驗(yàn)結(jié)果表明，過(guò)渡料正常壓密條件下，厚度25 mm以上的瀝青混凝土板承受1 MPa的水壓力不產(chǎn)生水力劈裂；但在1 MPa水壓力下，瀝青混凝土板剪切變形達(dá)18%時(shí)，在周邊發(fā)生了水力劈裂破壞。

西安理工大學(xué)也曾采用厚壁空心圓筒試件進(jìn)行了瀝青混凝土水力劈裂試驗(yàn)，圓筒試件中心空腔用砂子填充以模擬過(guò)渡區(qū)料并施加水壓力，所不同的是試驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖1）采用厚壁鋼筒以限制圓筒試件外表面的徑向位移，同時(shí)還對(duì)試件施加軸向拉伸應(yīng)變和軸向壓力，以研究水力劈裂壓力與試件受力狀態(tài)和試件抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，試驗(yàn)溫度分別取5℃、10℃和20℃。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)內(nèi)水壓力為0.5 MPa、軸向施加拉應(yīng)變?yōu)?%～1.4%時(shí)試件破壞漏水，該破壞應(yīng)變小于試件瀝青混凝土的10℃單軸蠕變拉伸破壞應(yīng)變2.7%（試件尺寸：220 mm×40 mm×40 mm，初始拉應(yīng)力0.25 MPa，隨后每24 h增加0.125 MPa并記錄應(yīng)變過(guò)程，直至試件出現(xiàn)裂紋），表明水壓力對(duì)拉伸強(qiáng)度是有影響的。同時(shí)試驗(yàn)表明，瀝青混凝土的抗水力劈裂能力比土石壩強(qiáng)得多[9-10]。但因圓筒試件特點(diǎn)使試件內(nèi)側(cè)環(huán)向拉應(yīng)力成為破裂控制點(diǎn)，與試件軸向拉壓方向不一致，是該裝置的缺點(diǎn)。

圖1 厚壁空心圓柱體試件試驗(yàn)[9]

與土石壩水力劈裂研究歷程類似，瀝青混凝土心墻堆石壩的水力劈裂研究一開(kāi)始也是關(guān)注水壓力的荷載作用，上述茅坪溪壩的研究和西安理工大學(xué)的研究均屬此類，從劈裂機(jī)理方面均類似于水力劈裂的早期鉆孔壓水（漿）劈裂問(wèn)題。然而正如Sherard[4]指出的，鉆孔壓漿水力劈裂與大壩心墻水力劈裂有本質(zhì)不同，后者常由缺陷引起，并導(dǎo)致心墻沿缺陷發(fā)生集中滲漏。目前國(guó)內(nèi)外還鮮有針對(duì)瀝青混凝土心墻缺陷開(kāi)展水力劈裂研究的，當(dāng)然這并不意味著工程中此類心墻沒(méi)有缺陷。

奧地利的Finstertal瀝青混凝土斜心墻壩壩高150 m，壩頂高程2325 m，心墻底部高程2229 m，心墻壩頂區(qū)域厚50 cm，中部60 cm，底部70 cm。于1977—1980年興建，該壩施工時(shí)在主斷面3個(gè)高程處埋設(shè)有量測(cè)心墻厚度變化的監(jiān)測(cè)設(shè)備[11]。1981年庫(kù)水位達(dá)到2307 m時(shí)，3個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備均觀測(cè)到心墻厚度開(kāi)始顯著增加，見(jiàn)表1，并與心墻向下游的位移明顯相關(guān)，直至水庫(kù)達(dá)到最高蓄水位2322 m，見(jiàn)圖2，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)心墻厚度增加了4～5 cm，并明顯與心墻的水平位移有關(guān)。

表1 Finstertal壩心墻增厚觀測(cè)值[11]

圖2 Finstertal壩監(jiān)測(cè)結(jié)果[11]

圖3 室內(nèi)模型試驗(yàn)[11]

為了解心墻增厚對(duì)心墻結(jié)構(gòu)的影響研究人員還進(jìn)行了室內(nèi)模擬試驗(yàn)，如圖3所示。試驗(yàn)采用內(nèi)襯聚四氟乙烯的Φ76×96 cm圓筒進(jìn)行，筒內(nèi)設(shè)立厚15 cm、高96 cm的瀝青混凝土板模擬心墻，板上下游側(cè)填充過(guò)渡區(qū)料，上游側(cè)過(guò)渡料可以施加水壓力，心墻頂部通過(guò)千斤頂可施加3.5 MPa壓應(yīng)力，下游側(cè)通過(guò)移動(dòng)圓弧支撐板可模擬心墻水平位移。通過(guò)實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)了觀測(cè)到的心墻增厚現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)瀝青混凝土板切片，發(fā)現(xiàn)板上下游側(cè)孔隙率增大，最大可達(dá)4%，中心約38%墻厚區(qū)域孔隙率仍小于3%，見(jiàn)圖3。因此，心墻邊界區(qū)域可受到剪脹影響，中心區(qū)域仍保持低孔隙率和防滲性，研究人員認(rèn)為在今后心墻厚度設(shè)計(jì)應(yīng)考慮這一因素[11]。

本文結(jié)合某工程進(jìn)行了剪脹后瀝青混凝土水力劈裂模型試驗(yàn)研究。該工程壩高169 m，設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)心墻局部區(qū)域（最大水頭13 m）剪應(yīng)力水平可達(dá)0.67。根據(jù)西安理工大學(xué)針對(duì)該瀝青混凝土心墻材料及配合比試驗(yàn)報(bào)告中的三軸試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)分析可得該配合比瀝青混凝土在不同側(cè)壓力σ3下的剪脹特征數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，及圖4和圖5，其中將剪脹開(kāi)始出現(xiàn)時(shí)的應(yīng)力稱作剪脹起始應(yīng)力。從表2中看出，當(dāng)小主應(yīng)力為0.5 MPa時(shí)，剪脹起始應(yīng)力比S0為0.74，最大剪脹時(shí)的應(yīng)力比Smax為0.87，最大剪脹值為0.20%。以表中數(shù)據(jù)外推，當(dāng)小主應(yīng)力趨于0時(shí)，剪脹起始應(yīng)力比S0可降至0.67，最大剪脹時(shí)的應(yīng)力比Smax降至0.83，最大剪脹值可升至0.24%?；谶@些試驗(yàn)結(jié)果并考慮一定的安全裕度，選定本試驗(yàn)研究中采用的孔隙率為3.5%。同時(shí)與該區(qū)域緊鄰的心墻上部拉應(yīng)力可達(dá)0.12 MPa。為此，本文進(jìn)行了水力劈裂試驗(yàn)，探討綜合極端情況下發(fā)生水力劈裂的可能性。

表2 某瀝青混凝土三軸試驗(yàn)剪脹特征數(shù)據(jù)

圖4 剪脹特征應(yīng)力比與σ3的關(guān)系

圖5 最大剪脹值與σ3的關(guān)系

3 剪脹瀝青混凝土的水力劈裂試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置與模型制作提出的水力劈裂模型方案見(jiàn)圖6。模型內(nèi)填筑Φ48×40 cm瀝青混凝土柱，在豎向中間段設(shè)置高25 cm的缺陷區(qū)，并填充孔隙率3.5%的瀝青混凝土，缺陷區(qū)上下各設(shè)7.5 cm高的正常碾壓瀝青混凝土（孔隙率＜2%）。瀝青混凝土柱中心設(shè)12 mm直徑注水管，管壁黏貼塑性止水以防接觸滲漏，可按要求的水壓力向缺陷區(qū)注水，并可測(cè)量注水體積。模型試件上下表面采用膠黏劑黏于鋼板上，可通過(guò)千斤頂對(duì)試件施加要求的拉力。

模型制作時(shí)，首先在鋼筒內(nèi)壁涂刷底膠，并黏貼1 cm厚的塑性膩?zhàn)右詫?shí)現(xiàn)側(cè)邊止水，并防止瀝青混凝土與側(cè)邊鋼筒黏結(jié)。先在成型下部分7.5 cm厚的密實(shí)瀝青混凝土，然后成型中間25 cm厚3.5%孔隙率瀝青混凝土，并埋入注水管，最后成型上部7.5 cm厚密實(shí)瀝青混凝土。最后將試件上下表面黏接于上下鋼板上，以用千斤頂施加拉力。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程及分析

（1）無(wú)拉力充水過(guò)程。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程環(huán)境溫度為14.6℃。首先用0.05 MPa壓力向試件中充水，該過(guò)程不施加拉應(yīng)力，充水中觀測(cè)了進(jìn)入試件的水量和試件上表面的豎向位移，充水量變化過(guò)程見(jiàn)圖7（a），最大充水量為63.81 ml，且表面豎向位移保持為0。

圖6 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿嗝?/p>

圖7 充水量變化過(guò)程

隨后將水壓力升至0.13 MPa，仍保持拉應(yīng)力為0。該充水量變化過(guò)程見(jiàn)圖7（b），充水總量9.82 ml，且表面豎向位移仍為0。該結(jié)果表明，3.5%孔隙率瀝青混凝土在0.13 MPa的水壓力下不會(huì)發(fā)生水力劈裂。

（2）施加拉力及充水過(guò)程。本過(guò)程中通過(guò)千斤頂對(duì)試件施加0.06 MPa的拉應(yīng)力，且注水管中水壓力保持為0.13 MPa。入水體積及試件表面位移結(jié)果見(jiàn)圖8、圖9所示。

圖8 通入試件中水的體積變化

圖9 試件頂端位移變化

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)入水量達(dá)1000 ml時(shí)開(kāi)始急劇加大，且在幾分鐘后模型邊緣部位就出現(xiàn)了漏水，此時(shí)豎向平均位移16.8 mm，拉應(yīng)變?yōu)?.2%，且沒(méi)有收斂的趨勢(shì)，模型試件中應(yīng)已經(jīng)拉裂破壞。

按孔隙率3.5%估算，試件中間25 cm部分的孔隙體積約為1583 ml，由于試件拉伸1.68 cm形成的空隙體積約為3040 ml，孔隙體積共約4623 ml，實(shí)測(cè)進(jìn)入試件的水的體積為4335.9 ml，二者大致相當(dāng)。另外模型漏水時(shí)，豎向拉應(yīng)變?yōu)?.2%，按泊松比為0.35估算，其側(cè)向收縮應(yīng)變?yōu)?.5%，側(cè)向收縮量可達(dá)7.5 mm。雖然鋼筒內(nèi)壁和瀝青混凝土之間填有10 mm厚BGB塑性填料，但這一收縮量下已無(wú)法止水。

以上試驗(yàn)表明，在0.13 MPa水壓力作用下，3.5%孔隙率的瀝青混凝土不會(huì)出現(xiàn)水力劈裂。但在該水壓力和0.06 MPa拉應(yīng)力共同作用下，3.5%孔隙率瀝青混凝土試樣中部的出水口位置模型發(fā)生破壞，破壞后斷面如圖10所示。因此，當(dāng)心墻高剪應(yīng)力水平區(qū)域發(fā)生剪脹，且該區(qū)域小主應(yīng)力為0.06 MPa的拉應(yīng)力時(shí)，心墻可能發(fā)生開(kāi)裂破壞。

圖10 拉裂破壞后的模型試件

4 結(jié)論

本文針對(duì)工程中可能出現(xiàn)的剪脹導(dǎo)致孔隙率增大的瀝青混凝土進(jìn)行了模型試驗(yàn)，結(jié)果表明孔隙率3.5%的瀝青混凝土在13 m水頭作用下不會(huì)發(fā)生水力劈裂；但在該水頭作用下，孔隙率增大區(qū)域出現(xiàn)0.06 MPa的拉應(yīng)力時(shí)，心墻會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂。