膠凝砂礫石層面抗剪參數(shù)試驗(yàn)研究

王 莎，賈金生，任 權(quán)，張德全，楊會臣

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.大同市人民政府防汛抗旱指揮部辦公室，山西 大同 037000；3.大同市御河水利管理處，山西 大同 037000）

1 研究背景

膠凝砂礫石壩是一種斷面介于碾壓混凝土和堆石壩之間的新型壩［1］，其特點(diǎn)是利用天然河床骨料，無需對骨料進(jìn)行加工，單位體積的膠凝材料用量大幅降低，符合“宜材適構(gòu)”筑壩理念［2］。由于其造價較低，環(huán)境友好、斷面合理、地基適應(yīng)性強(qiáng)，近年來在我國的壩工建設(shè)中得到了快速發(fā)展，國內(nèi)已建順江堰溢流壩、貓貓河山塘等永久工程及洪口等圍堰工程，在建的有61.6m高的守口堡大壩、33.0m高的金雞溝大壩等一批永久工程，但其試驗(yàn)研究滯后于工程實(shí)際。

膠凝砂礫石壩采用碾壓工藝進(jìn)行快速施工，碾壓層面處理工藝、層面的抗滑（剪）參數(shù)、層面的抗滑穩(wěn)定、抗?jié)B安全成為大壩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵［3-4］。但目前膠凝砂礫石的層面抗剪試驗(yàn)未見報道，基于此，本文開展了膠凝砂礫石層面室內(nèi)抗剪試驗(yàn)及富漿膠凝砂礫石原位抗剪試驗(yàn)，旨在提供層面抗剪的室內(nèi)參數(shù)和原位試驗(yàn)參數(shù)，提出膠凝砂礫石層面的處理方式，對指導(dǎo)工程實(shí)踐具有重要意義。

2 室內(nèi)抗剪試驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)骨料采用守口堡工程壩址區(qū)壩基開挖砂礫料及上游1km范圍河床覆蓋層，剔除其中150mm以上粒徑，由于40mm以上大石偏少，且含泥較多，為克服上述缺點(diǎn)，本次試驗(yàn)外摻25%道路開挖石，具體配合比參數(shù)詳見表1。

為了克服剪切荷載下膠凝砂礫石試塊的剪脹作用而導(dǎo)致的垂直壓應(yīng)力變化，本次試驗(yàn)采用中國水科院自主研發(fā)的WHY-500/1000型混凝土抗剪試驗(yàn)儀，通過計(jì)算分析優(yōu)化剪斷過程中水平和垂直荷載的分布，實(shí)現(xiàn)了兩向荷載作用在同一斷面上，有效消除抗剪過程中的壓剪破壞現(xiàn)象，確保了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

表1 膠凝砂礫石配合比

試件尺寸均采用150mm立方體，分兩次成型，按配合比要求拌制膠凝砂礫石，取試件1/2高度所需膠凝砂礫石裝入試模［5］，放入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至要求的間隔時間后，取出試件，按要求進(jìn)行層面處理，再成型上半部分，并養(yǎng)護(hù)至試件要求的齡期，即180d，試件制作數(shù)量為一組15個?？辜魯嘣囼?yàn)垂直向壓力均為2.0MPa。

根據(jù)膠凝砂礫石的層間間隔時間及層面處理方式，本次試驗(yàn)選取6種方案進(jìn)行層面抗剪試驗(yàn)，詳見表2。

表2 膠凝砂礫石碾壓層面室內(nèi)抗剪試驗(yàn)方案

3 原位抗剪試驗(yàn)

原位抗剪試驗(yàn)是在守口堡大壩富漿膠凝砂礫石墊層處進(jìn)行，墊層采用碾壓設(shè)備施工，分三層碾壓，分別為KJ1、KJ2、KJ3層，其中KJ1測點(diǎn)位于壩基右岸，KJ2、KJ3測點(diǎn)位于左岸，每層厚度約為30cm，層面處理方式為高壓水槍沖毛并鋪筑砂漿墊層，在碾壓后90d～100d對碾壓層面進(jìn)行原位抗剪試驗(yàn)［6］。材料配合比詳見表3，由表可知，富漿膠凝砂礫石的配合比與碾壓混凝土配合比相似，只是骨料級配不同。

表3 富漿膠凝砂礫石原位抗剪試驗(yàn)配合比

每個試驗(yàn)點(diǎn)包括5組試塊，試塊制取采用切割機(jī)安裝鋸片和磨片，根據(jù)試點(diǎn)的情況，先對膠凝砂礫石進(jìn)行切取，然后人工使用簪子進(jìn)行粗加工至預(yù)留的深度，再用切割機(jī)安裝鋸片和磨片對試點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的加工至預(yù)定的要求，在試塊的制備過程中，要避免試塊的擾動。每組試塊的尺寸為50 cm×50cm×50cm，試塊間的距離應(yīng)大于試塊的邊長。

試驗(yàn)最大垂直應(yīng)力為1200kPa，剪切面積為2500cm2，試驗(yàn)垂直應(yīng)力分5級，每塊分別施加不同垂直應(yīng)力為240、480、720、960、1200kPa。按預(yù)估最大剪切荷載分10級施加，直至試件被剪斷。本次試驗(yàn)試件剪切方向?yàn)镾8°E。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)得到各方案下的抗剪斷參數(shù)均值和抗剪參數(shù)均值詳見表4。

表4 膠凝砂礫石層面室內(nèi)抗剪試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，方案1由于在初凝時間內(nèi)澆筑上層膠凝砂礫石，因此在新舊層之間未形成冷縫，層面的內(nèi)摩擦角比有冷縫的方案2大10.2%，但由于未加墊層砂漿，黏聚力c′比方案2小50.3%，層面在水泥水化作用下繼續(xù)固化，摩擦角Φ′整體上比未進(jìn)行冷縫處理的方案6增大7.0%，黏聚力c′增大9.3%。

根據(jù)方案3與方案4對比可知，摩擦角Φ′的大小取決于冷縫面鑿毛處理的程度，刮毛露出石子后摩擦角比方案3整體增大約22.2%。方案3與方案1相比，摩擦角Φ′雖偏低，但黏聚力明顯增大約2.15倍，這一點(diǎn)與未進(jìn)行層面刮毛處理的方案2類似。

方案5的摩擦系數(shù)和粘聚力均大于方案6，冷縫處理后摩擦角Φ′增大9.3%，黏聚力c′增大1倍，黏聚力c′的提高程度大于摩擦角Φ′，說明冷縫層面處理是增強(qiáng)膠凝砂礫石層間抗剪斷能力的有效措施。

綜上可知，膠凝砂礫石初凝時間內(nèi)直接澆筑上層材料，層面的摩擦角及黏聚力系數(shù)均滿足要求。終凝時間外澆筑上層材料，如果對縫面進(jìn)行鑿毛處理，可顯著提高層面的內(nèi)摩擦角Φ′，鋪筑砂漿層則可顯著提高縫面的黏聚力c′值。因此，初凝時間內(nèi)連續(xù)澆筑、對冷縫進(jìn)行層面處理并鋪筑砂漿是提高碾壓層面抗剪斷能力的有效措施。

4.2 原位試驗(yàn)結(jié)果富漿膠凝砂礫石原位試驗(yàn)剪開斷面，典型測點(diǎn)剪應(yīng)力-位移關(guān)系曲線、剪應(yīng)力-正應(yīng)力關(guān)系曲線詳見圖1～圖7。為了對比分析三組試驗(yàn)τ-s曲線間的關(guān)系，選取相同壓力（本次分析取1200kPa）下3個典型測點(diǎn)τ-s曲線繪圖，見圖8。

圖1 測點(diǎn)剪開剖面照片

圖2 KJ1點(diǎn)τ-s關(guān)系曲線

圖3 KJ1點(diǎn)τ-σ關(guān)系曲線

圖4 KJ2點(diǎn)τ-s關(guān)系曲線

圖5 KJ2點(diǎn)τ-σ關(guān)系曲線

圖6 KJ3點(diǎn)τ-s關(guān)系曲線

圖7 KJ3點(diǎn)τ-σ關(guān)系曲線

圖8 相同壓力作用下不同測點(diǎn)τ-s關(guān)關(guān)系曲線

與混凝土相比，連續(xù)加載情況下富漿膠凝砂礫石的τ-s曲線出現(xiàn)折角而不夠光滑。經(jīng)分析認(rèn)為，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是層面附近骨料的影響，在剪切面附近存在著各種粒徑的骨料，隨著剪應(yīng)力的增大，剪切面發(fā)生滑移，即產(chǎn)生了剪切位移s，當(dāng)剪切位移s足夠大時，骨料與基材的黏結(jié)面處KⅡ＞KⅡC，此時骨料與基材接觸面開始開裂，開裂后的大骨料在剪裂面繼續(xù)滑移作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動，尤其是當(dāng)這些大骨料形狀規(guī)則，比較圓潤時，這相當(dāng)于給剪裂面安上了“輪子”，導(dǎo)致剪切面附近的開裂變成滾動摩擦而不是滑動摩擦，剪切剛度發(fā)生突變，后一段的剪切變形變得容易，這是富漿膠凝砂礫石τ-s曲線不夠光滑的本質(zhì)原因。

根據(jù)圖8可知，單軸壓力作用下不同測點(diǎn)的τ-s曲線直線段均較短，說明較小的剪應(yīng)力作用下，富漿膠凝砂礫石碾壓層面即開始發(fā)生剪切破壞，但仍能繼續(xù)承載。偏離直線段后，曲線逐漸變緩，剪切剛度Ka值逐漸減小，試塊剪裂變形逐漸加速。發(fā)生剪切破壞時的最大剪應(yīng)力τKJ2＞τKJ1＞τKJ3，這是層面的物理形態(tài)不同引起的，從圖1剪開斷面的物理形態(tài)可知，KJ1剪斷面周圍的骨料離析較嚴(yán)重，KJ2為水泥砂漿層面，較為平整，KJ3剪斷面周圍骨料較圓潤，且試驗(yàn)點(diǎn)高程最低，層面被水浸潤，水的存在弱化了層面的抗剪斷能力，因此KJ3最容易斷裂，其次是KJ1，KJ2由于剪切面為砂漿墊層，增強(qiáng)了層面的抗剪斷能力，但剪切面砂漿平整，層面粘接仍較弱。因此可知，在相同的配合比情況下，富漿膠凝砂礫石碾壓層面的抗剪能力取決于其材料的均勻性和密實(shí)性，骨料離析或被水浸潤的情況會降低層面抗剪能力，層間鋪筑砂漿層有助提高富漿膠凝砂礫石抗剪斷能力。

富漿膠凝砂礫石原位抗剪試驗(yàn)結(jié)果詳見表5，由表可知，KJ3試塊的內(nèi)摩擦角及黏聚力均值小于KJ1和KJ2試塊，這與上文中的分析結(jié)果相一致。富漿膠凝砂礫石的層面抗剪斷參數(shù)與材料的均勻性、密實(shí)度、層面處理、骨料形態(tài)、是否被水浸潤等因素均有關(guān)系。

表5 墊層C10富漿膠凝砂礫石原位抗剪試驗(yàn)結(jié)果

4.3 結(jié)果對比

4.3.1 原位與室內(nèi)結(jié)果對比 將原位試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)試驗(yàn)所獲內(nèi)摩擦角值為原位試驗(yàn)的1.9倍，黏聚力值約為原位試驗(yàn)的3.8倍。原位試驗(yàn)內(nèi)摩擦角及黏聚力均小于室內(nèi)試驗(yàn)，分析主要是以下幾個原因造成的：（1）尺寸效應(yīng)?，F(xiàn)場試驗(yàn)的試塊尺寸大于室內(nèi)試驗(yàn)，且骨料采用全級配，室內(nèi)試驗(yàn)采用濕篩二級配，試件及骨料的尺寸效應(yīng)產(chǎn)生的“模壁效應(yīng)”［7-8］，導(dǎo)致室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場不同；（2）由于局部骨料的離析導(dǎo)致材料不密實(shí)，以及砂漿墊層料效果欠佳，粘接面薄弱造成的；（3）齡期影響。現(xiàn)場試驗(yàn)時，富漿膠凝砂礫石的養(yǎng)護(hù)時間小于室內(nèi)試驗(yàn)；（4）現(xiàn)場施工條件及質(zhì)量控制。施工現(xiàn)場的溫度、濕度、風(fēng)速及施工層面的處理工藝等，都會影響到原位試驗(yàn)的結(jié)果。

膠凝砂礫石層面抗剪原位試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的轉(zhuǎn)換關(guān)系可表示如下：

其中，λ、α為室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Σ两呛宛ぞ哿π拚禂?shù)；φc、C′為室內(nèi)試驗(yàn)所獲內(nèi)摩擦角與粘聚力。

具體的修正系數(shù)需要根據(jù)相同配比、齡期、養(yǎng)護(hù)條件的室內(nèi)抗剪試驗(yàn)與原位抗剪試驗(yàn)結(jié)果確定。根據(jù)本次試驗(yàn)，λ取0.5～0.6，α取0.25～0.30。

4.3.2 原位與RCC結(jié)果對比 富漿膠凝砂礫石與國內(nèi)部分碾壓混凝土施工層面原位抗剪斷參數(shù)詳見表6［9-10］，由表可知，富漿膠凝砂礫石的原位抗剪斷參數(shù)明顯小于碾壓混凝土。根據(jù)守口堡大壩富漿膠凝砂礫石層面原位抗剪試驗(yàn)可知，富漿膠凝砂礫石層面摩擦系數(shù)約為0.53～0.58之間，黏聚力介于0.48～0.51MPa，碾壓混凝土層面摩擦系數(shù)約為0.92～1.70之間，黏聚力介于1.17～2.28（MPa）之間。

富漿膠凝砂礫石本體及層面、碾壓混凝土層面的τ-s曲線如圖9所示，從圖中可知，富漿膠凝砂礫石層面的峰值τmax和剪切剛度Ka小于碾壓混凝土層面，富漿膠凝砂礫石材料配比與碾壓混凝土相當(dāng)，造成該現(xiàn)象的主要原因是富漿膠凝砂礫石大骨料粒徑遠(yuǎn)大于碾壓混凝土，卸料時比碾壓混凝土更容易產(chǎn)生骨料離析，從而導(dǎo)致層間碾壓不密實(shí)。膠凝材料在硬化過程中體積收縮，產(chǎn)生了諸多微裂縫，加之離析作用導(dǎo)致碾壓不密實(shí)，導(dǎo)致在剪切過程中，微裂縫繼續(xù)迅速發(fā)展，裂縫之間開始相互貫通，產(chǎn)生剪切變形，因此富漿膠凝砂礫石隨著剪切力的增大，剪切位移增大速度大于碾壓混凝土，即剪切剛度Ka小于碾壓混凝土。而碾壓混凝土由于骨料粒徑較小，分布均勻，骨料離析較輕，骨料與砂漿之間粘結(jié)較強(qiáng)，層間抗剪強(qiáng)度較富漿膠凝砂礫石層面高。

表6 國內(nèi)部分工程碾壓層（縫）面抗剪斷參數(shù)

圖9 不同材料τ-s曲線

5 結(jié)論

本文開展了膠凝砂礫石室內(nèi)層面剪切試驗(yàn)與富漿膠凝砂礫石層面原位剪切試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了剪切斷裂的機(jī)理及破壞準(zhǔn)則，得到如下結(jié)論：（1）膠凝砂礫石初凝時間內(nèi)澆筑上層材料，即使兩層之間未鋪筑水泥砂漿，層面的摩擦角及黏聚力系數(shù)均滿足要求。終凝時間外澆筑上層材料，如果對縫面進(jìn)行鑿毛處理，或鋪筑砂漿，均可使層面的黏聚力增大約1倍，內(nèi)摩擦角增大約8%～9%。初凝時間內(nèi)澆筑、冷縫鑿毛、鋪筑砂漿是三種提高碾壓層面抗剪斷能力的有效措施。（2）受施工質(zhì)量、尺寸效應(yīng)、齡期等的影響，富漿膠凝砂礫石的原位抗剪斷試驗(yàn)結(jié)果值小于膠凝砂礫石室內(nèi)抗剪斷試驗(yàn)，原位試驗(yàn)所獲內(nèi)摩擦角約為室內(nèi)試驗(yàn)值的52.7%，黏聚力值約為室內(nèi)試驗(yàn)值的26.2%。根據(jù)原位抗剪試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮配比、尺寸效應(yīng)、施工質(zhì)量等因素，建議對本次室內(nèi)150mm立方體試件的抗剪試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正，內(nèi)摩擦角修正系數(shù)取0.5～0.6左右，黏聚力修正系數(shù)取0.25～0.30左右。同時建議加強(qiáng)施工質(zhì)量管理，保障現(xiàn)場施工的質(zhì)量。（3）富漿膠凝砂礫石剪切過程中，隨著剪切位移的產(chǎn)生，骨料脫離膠凝材料，可能產(chǎn)生滾動摩擦，導(dǎo)致層面的抗剪斷能力迅速降低，反應(yīng)在τ-s曲線上則為曲線斜率突變，即剪切剛度Ka發(fā)生突變。同時通過對比分析，得到了不同材料的τ-s曲線。（4）富漿膠凝砂礫石層面原位抗剪試驗(yàn)所得的Φ′值和c′小于本體和碾壓混凝土層面的抗剪參數(shù)，本質(zhì)原因是局部材料不密實(shí)、砂漿粘接面薄弱。層面的抗剪斷參數(shù)與材料的均勻性、密實(shí)度、層面處理、骨料形態(tài)、是否被水浸潤等因素均有關(guān)系。