東非某水電站碾壓混凝土層間結(jié)合面剪切破壞特征大型原位試驗(yàn)研究

鄭 星， 魏 偉 瓊， 楊 文 超， 徐 永 旺

(1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081； 2.貴州省巖土力學(xué)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引 言

碾壓混土(RCC)大壩中層間結(jié)合面的抗剪強(qiáng)度是控制巖基上混凝土壩整體穩(wěn)定的因素之一[1]。施工會(huì)產(chǎn)生大量的層間結(jié)合面，這些層間縫的形成質(zhì)量將影響RCC混凝土的整體性，從而影響大壩整體穩(wěn)定[2]。分層施工可能由于層間結(jié)合接縫表面的壓實(shí)不到位、層面受污染或者因曝露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而形成冷縫，導(dǎo)致層間結(jié)合面黏結(jié)性差，具有較低的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和較高的滲透性[3-13]。

某水電站位于東非坦桑尼亞，該電站攔河大壩壩型為碾壓混凝土重力壩，壩高131 m。通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)段上開展大量的原位大型剪切試驗(yàn)，獲取了RCC層面的峰值及殘余值強(qiáng)度參數(shù)，測(cè)量并統(tǒng)計(jì)分析了剪切破壞面上的形態(tài)特征參數(shù)，探究了RCC層面的剪切破壞機(jī)理及試件運(yùn)動(dòng)特征，系統(tǒng)地研究了層間結(jié)合面的抗剪強(qiáng)度特性，提供了合理的強(qiáng)度參數(shù)供大壩穩(wěn)定計(jì)算使用。

1 破壞準(zhǔn)則

RCC層間結(jié)合面抗剪強(qiáng)度一般用摩爾庫(kù)倫(M-C)準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)價(jià)，分為膠結(jié)和不膠結(jié)兩種情況。雖然都是用M-C理論描述其破壞模式，但兩種情況下的破壞機(jī)理和準(zhǔn)則并不盡相同。

M-C準(zhǔn)則是最早出現(xiàn)的抗剪強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則之一，用(1)式表示：

τ=C+σntanφ

(1)

式中τ為接觸面上的抗剪強(qiáng)度；C為擬合直線在剪應(yīng)力軸上的截距，一般稱為黏聚力；σn為有效法向應(yīng)力；φ為摩擦角。

廣泛使用M-C準(zhǔn)則是剪切破壞準(zhǔn)則的特殊情況，在實(shí)際使用中，它將剪切破壞面上非線性的正應(yīng)力-剪應(yīng)力關(guān)系簡(jiǎn)化擬合為線性關(guān)系。該強(qiáng)度準(zhǔn)則是目前使用最廣泛的抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則，在大多數(shù)的大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算中，用于評(píng)估壩基或壩體材料的抗剪強(qiáng)度。

1.1 膠結(jié)層面破壞準(zhǔn)則

一般來(lái)說(shuō)，若層間結(jié)合面完整，上下層結(jié)合緊密，則是膠結(jié)層面。若試件沿著層面處發(fā)生了破壞，造成上下層混凝土分離，或者澆筑時(shí)上下層混凝土結(jié)合很差，則是非膠結(jié)層面。圖1展示了膠結(jié)層面及非膠結(jié)層面的典型剪切應(yīng)力-位移關(guān)系曲線。曲線A代表膠結(jié)層面，在很小的剪切位移上就出現(xiàn)最大的抗剪強(qiáng)度，該強(qiáng)度稱為峰值抗剪強(qiáng)度或抗剪斷強(qiáng)度。隨著剪切位移增加，抗剪強(qiáng)度迅速降低并最終在很大的剪切位移下達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，稱為殘余強(qiáng)度，其破壞模式為脆性破壞。曲線B代表非膠結(jié)層面的剪切應(yīng)力-位移關(guān)系，其在一個(gè)較小的剪切位移上出現(xiàn)強(qiáng)度峰值，然后在較大的剪切位移之后出現(xiàn)殘余強(qiáng)度值。曲線C是材料的光滑接觸面的剪切應(yīng)力-位移關(guān)系，隨著剪切位移的增加，剪應(yīng)力持續(xù)增加直到達(dá)到最大摩擦強(qiáng)度，沒(méi)有明顯的峰值和殘余值[14]。

圖1 典型剪切應(yīng)力-位移關(guān)系曲線

混凝土層面(包括RCC)層間結(jié)合面的剪切破壞屬于脆性破壞，其剪應(yīng)力-剪切位移曲線類似于圖1中的A線。其破壞包絡(luò)線如圖2典型的直剪試驗(yàn)強(qiáng)度包線中的A線，其為膠結(jié)狀態(tài)的Mohr峰值強(qiáng)度包絡(luò)線，其與縱坐標(biāo)軸的交點(diǎn)為膠結(jié)層面的黏聚力，在實(shí)際應(yīng)用中一般用式(1)代表的直線來(lái)擬合以獲得φP值和Cp值，這里Cp稱為真實(shí)黏聚力。對(duì)于膠結(jié)較差或者沒(méi)有膠結(jié)的層間結(jié)合面，其破壞包線則是圖2中的B線或C線，就要取決于層面是起伏粗糙還是平整光滑。

圖2 典型的直剪試驗(yàn)強(qiáng)度包線

1.2 無(wú)膠結(jié)層面破壞準(zhǔn)則

當(dāng)膠結(jié)和完整的層間結(jié)合面發(fā)生剪切破壞后，就形成了一個(gè)貫通的破壞面，層面上的膠結(jié)強(qiáng)度立即喪失。初始的脆性破壞后繼續(xù)對(duì)層面進(jìn)行剪切，得到層面的殘余抗剪強(qiáng)度，殘余抗剪強(qiáng)度的摩爾包絡(luò)線如圖2中的B線所示。此時(shí)B線既代表完整膠結(jié)層面的殘余抗剪強(qiáng)度，又代表破壞面本身的峰值抗剪強(qiáng)度，而C線則是破壞面本身的殘余強(qiáng)度。理論上，由于破壞面上黏聚力喪失，B線是一條通過(guò)原點(diǎn)的曲線。對(duì)于這種無(wú)膠結(jié)的、粗糙起伏的硬性結(jié)構(gòu)面，Patton[15-16]等在1966年提出其抗剪強(qiáng)度是基本抗剪強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面上沿著滑動(dòng)方向的粗糙度的函數(shù)，用式(2)表示：

τ=σntan(φb+i)

(2)

式中σn為法向應(yīng)力；φb為沿著平整面的摩擦角，與材料類型有關(guān)，與法向應(yīng)力無(wú)關(guān)；i是破壞面上的粗糙度。在實(shí)際應(yīng)用中，一般也用式(1)代表的直線來(lái)擬合殘余強(qiáng)度參數(shù)。無(wú)膠結(jié)層面的抗剪強(qiáng)度也包括黏聚力Cr和層面間的抗滑摩擦阻力σntanφr，這里Cr稱為表觀黏聚力。

2 強(qiáng)度參數(shù)分析

2.1 峰值強(qiáng)度參數(shù)

對(duì)于膠結(jié)的、完整的層面，總的抗剪強(qiáng)度是黏聚力和內(nèi)摩擦角的總和。其中黏聚力主要來(lái)自膠凝材料的膠結(jié)強(qiáng)度，而內(nèi)摩擦角則與骨料的粒形、強(qiáng)度及層面的平整程度有關(guān)。

現(xiàn)場(chǎng)共計(jì)完成24組試驗(yàn)共計(jì)115個(gè)試件的剪切試驗(yàn)。將111個(gè)試件的法向應(yīng)力與峰值剪切應(yīng)力點(diǎn)繪在坐標(biāo)圖中，并用最小二乘法進(jìn)行擬合，得到不同工況下RCC層間結(jié)合面的綜合抗剪強(qiáng)度參數(shù)為f=1.46，C=1.28 MPa，層間結(jié)合面峰值強(qiáng)度參數(shù)擬合見圖3。

圖3 層間結(jié)合面峰值強(qiáng)度參數(shù)擬合

2.2 殘余強(qiáng)度參數(shù)

膠結(jié)良好、完整的RCC層間結(jié)合面，其破壞一般屬于脆性破壞，剪切試驗(yàn)過(guò)程中表現(xiàn)出明顯的峰值強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度。一般在達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)層面即發(fā)生破壞，形成貫通性破壞面。破壞面一旦形成，層面的膠結(jié)強(qiáng)度即喪失，依靠摩擦和破壞面上局部突起的咬合作用形成強(qiáng)度。此時(shí)的強(qiáng)度既是完整結(jié)構(gòu)面的殘余抗剪強(qiáng)度，也是破壞面形成以后其本身的峰值抗剪強(qiáng)度。

RCC層面殘余抗剪強(qiáng)度相當(dāng)于無(wú)膠結(jié)剛性巖體結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，包括殘余黏聚力和層面間的抗滑摩擦阻力。殘余黏聚力又稱為表觀黏聚力，它并非真實(shí)的黏聚力，它是采用直線擬合試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)而在τ～σ關(guān)系圖的縱軸上形成的截距。由于層面破壞后，其膠結(jié)強(qiáng)度即真實(shí)的黏聚力喪失，因此，理論上破壞面上是沒(méi)有任何黏聚力的。

殘余黏聚力即表觀黏聚力的值顯著低于峰值黏聚力，其大小跟法向應(yīng)力及破壞面的起伏粗糙程度有關(guān)。將試驗(yàn)中24組試驗(yàn)共計(jì)115個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的法向應(yīng)力及對(duì)應(yīng)的殘余抗剪強(qiáng)度畫在τ～σ關(guān)系圖上，得到層間結(jié)合面殘余強(qiáng)度參數(shù)擬合(圖4)。將圖中所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)用直線進(jìn)行最優(yōu)擬合，得到擬合線A，該線的擬合方程表示為式(3)：

圖4 層間結(jié)合面殘余強(qiáng)度參數(shù)擬合

τ=1.11σn+0.38

(3)

其代表的殘余強(qiáng)度最佳擬合參數(shù)為C=0.38 MPa，φ=48.0°。

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)下限值的擬合線是一條過(guò)原點(diǎn)的直線，即圖中的直線C，該線的擬合方程為式(4)：

τ=0.98σn

(4)

代表的殘余強(qiáng)度下限參數(shù)為C=0 MPa，φ=44.4°。

層間結(jié)合面被剪切破壞后，形成貫通性結(jié)構(gòu)面，對(duì)于這種無(wú)膠結(jié)的、粗糙起伏的硬性結(jié)構(gòu)面，其抗剪強(qiáng)度包線應(yīng)為過(guò)原點(diǎn)的曲線，在低法向力區(qū)間，采用過(guò)原點(diǎn)的直線來(lái)進(jìn)行分段擬合，更能合理地描述非膠結(jié)結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度特征。從圖4可以看出，當(dāng)法向應(yīng)力小于0.3 MPa(低法向應(yīng)力)左右時(shí)，采用過(guò)原點(diǎn)的直線B擬合更符合試驗(yàn)點(diǎn)的分布趨勢(shì)。因此，RCC層面的殘余強(qiáng)度擬合關(guān)系如下：

σn<0.3 MPa,C=0 MPa,φ=66.8°
σn≥0.3 MPa,C=0.38 MPa,φ=48.0°

(5)

3 剪切破壞面及試件的運(yùn)動(dòng)特征

3.1 剪切破壞面特征的量測(cè)與描述

試驗(yàn)完畢后，對(duì)剪切破壞面的特征進(jìn)行詳細(xì)描述，記錄破壞形式、起伏情況、擦痕的分布、剪斷面面積等信息。剪切破壞面的起伏粗糙程度對(duì)于確定強(qiáng)度參數(shù)非常重要。在本試驗(yàn)中，為了較精確地測(cè)定破壞面的起伏變化，自制了簡(jiǎn)便的表面輪廓測(cè)量?jī)x，用于測(cè)量剪切破壞面上沿著剪切方向的起伏粗糙程度，并繪制了破壞面上沿剪切方向起伏曲線(圖5)。從曲線上可以得到最大起伏差及最大起伏角等信息。

圖5 破壞面上沿剪切方向起伏曲線

3.2 剪切破壞模式

RCC層間結(jié)合面的直剪試驗(yàn)最終破壞模式有以下幾種：

(1)沿著層間結(jié)合面破壞；

(2)破壞面全部在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)；

(3)破壞面部分沿著層間結(jié)合面，部分在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)。

本次試驗(yàn)對(duì)150個(gè)試件破壞面出現(xiàn)的位置、破壞面上的最大起伏角度和最大起伏差進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)?？梢钥闯?，沿層間結(jié)合面破壞是剪切破壞的主要模式，全部沿RCC內(nèi)部破壞的比例模式所占比例次之，破壞面部分沿著層間結(jié)合面、部分從RCC內(nèi)部破壞的組合破壞所占比例最小。RCC層間結(jié)合面剪切破壞模式統(tǒng)計(jì)見圖6。

圖6 RCC層間結(jié)合面剪切破壞模式統(tǒng)計(jì)

3.3 破壞面形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)分析

最大起伏角是破壞面上的測(cè)量剖面沿著剪切方向的最大仰角，是剪切過(guò)程中試件沿著局部爬坡的最大爬坡角；最大起伏差是破壞面上最高點(diǎn)和最低點(diǎn)之間的高差。這兩個(gè)參數(shù)能反映破壞面上的粗糙起伏程度。

對(duì)在三種破壞模式下的最大起伏角與最大起伏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在這三種破壞模式中，沿層面破壞的破壞模式，其破壞面上的最大起伏角和最大起伏差是三種模式中最小的；全部沿RCC內(nèi)部破壞的破壞模式，其最大起伏角和最大起伏差是三種模式中最大的；部分沿層面、部分從RCC內(nèi)部破壞的組合破壞模式，其最大起伏角和最大起伏差位于前兩種模式之間。

根據(jù)美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水道試驗(yàn)站的文獻(xiàn)，可從試驗(yàn)記錄的試件剪切位移-法向位移關(guān)系曲線計(jì)算中得到試件在剪切過(guò)程中爬坡上升的仰角，該仰角近似等于剪切面上的最大起伏角，理論上用這兩種方式得到的起伏角接近。

將測(cè)量起伏角與計(jì)算起伏角關(guān)系繪在圖7中后可見，通過(guò)這兩種方式得到的破壞面起伏角呈較好的線性相關(guān)趨勢(shì)。用過(guò)原點(diǎn)的直線進(jìn)行擬合，擬合線的相關(guān)系數(shù)接近于1，說(shuō)明這兩種方式得到反映破壞面上的最大起伏角是比較接近的。

圖7 測(cè)量起伏角與計(jì)算起伏角關(guān)系

3.4 試件的運(yùn)動(dòng)特征

幾乎所有試件在初始破壞后，法向位移都是增加的，這表明在初始破壞后的繼續(xù)剪切過(guò)程中，試件一直在沿著一個(gè)斜面或多個(gè)局部斜面向上滑動(dòng)，存在“爬坡”現(xiàn)象。這是因?yàn)樵诔跏计茐暮?，層間結(jié)合面形成了一個(gè)貫通的破壞面。一般來(lái)說(shuō)，破壞面是不平整的，呈現(xiàn)出高低起伏的形態(tài)。試件受剪繼續(xù)向剪切方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，會(huì)沿著破壞面上局部向上傾斜的地方上移，這種現(xiàn)象也稱為“剪脹”現(xiàn)象。

試件在剪切過(guò)程中上移的絕對(duì)位移量值通過(guò)測(cè)量的法向位移來(lái)反映，法向位移和“爬坡角”的大小都與法向應(yīng)力有關(guān)。圖8、圖9中統(tǒng)計(jì)了所有試件的最大法向位移與法向應(yīng)力的關(guān)系和最大起伏角與法向應(yīng)力的關(guān)系。從兩圖中可見，法向位移和最大“爬坡角”都有隨著法向應(yīng)力的增大而降低的趨勢(shì)。該現(xiàn)象可這樣解釋：隨著法向應(yīng)力增大，破壞面上在低應(yīng)力下沒(méi)有被剪斷的一些微凸體在高應(yīng)力下被剪斷，或者破壞面上一些局部突起在高應(yīng)力下被磨平，就如Patton的試驗(yàn)一樣，試件在高應(yīng)力的作用下沿著更加平緩的斜面運(yùn)動(dòng)，因此，向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)減弱，同時(shí)由于破壞面局部被磨平而導(dǎo)致“爬坡角”變小，法向位移～剪切位移曲線的初始段較陡而隨后則較緩。總之，法向應(yīng)力的增大抑制了試件“剪脹”的趨勢(shì)。

圖8 最大法向位移與法向應(yīng)力的關(guān)系

圖9 最大起伏角與法向應(yīng)力的關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)碾壓混凝土層間結(jié)合面的剪切破壞特征大部分屬于脆性破壞，殘余值強(qiáng)度顯著低于峰值強(qiáng)度。大多數(shù)層面的峰值強(qiáng)度內(nèi)摩擦角都大于50°，黏聚力都大于1 MPa。少數(shù)間隔時(shí)間較長(zhǎng)而又沒(méi)有進(jìn)行沖毛處理的層間結(jié)合面，剪切過(guò)程類似于平面摩擦，幾乎不表現(xiàn)出黏聚力。

(2)由于層間間隔時(shí)間不同、層面處理方式不一和施工控制不完全一致等因素，導(dǎo)致剪切破壞面并不完全出現(xiàn)在層間結(jié)合面上，部分破壞面出現(xiàn)在RCC內(nèi)部，部分同時(shí)出現(xiàn)在結(jié)合面和RCC內(nèi)部，但結(jié)合面破壞仍然是主要的破壞模式，表明層間結(jié)合面仍然是壩體中的弱面。

(3)如Patton等人的試驗(yàn)結(jié)論所示，剛性結(jié)構(gòu)面在低應(yīng)力和高應(yīng)力下的破壞模式是不同的，可以用雙線性破壞包線來(lái)表示。本試驗(yàn)的殘余強(qiáng)度參數(shù)相當(dāng)于無(wú)膠結(jié)粗糙起伏結(jié)構(gòu)面的抗剪參數(shù)，在不同的法向應(yīng)力范圍內(nèi)，表現(xiàn)出了雙線性的特點(diǎn)。

(4)試件發(fā)生初始的剪切破壞后，在繼續(xù)剪切過(guò)程中，試件總是沿著局部的接觸面滑動(dòng)，這些接觸面是一些斜面，試件在沿著剪切方向向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還沿著這些斜面向上運(yùn)動(dòng)，發(fā)生“剪脹”。法向應(yīng)力越大，試件的法向位移和破壞面上的“爬坡角”越小。