土石坝工程中填土料剪切力学试验特性研究

杨 勇

(天津市勘察设计院集团有限公司，天津 300191)

0 引言

水利工程建设中离不开水利材料，如混凝土[1]、岩石[2]、土体[3]等，水利材料的力学稳定性对水工建设的可靠性具有重要影响，不可忽视研究水利材料力学特征的重要作用。研究相关岩石、混凝土材料的力学特征，王开拓等[4]、黎柳坤等[5]基于颗粒流理论方法，引入PFC等离散元仿真平台，建立岩石类材料的颗粒流计算模型，通过单、三轴荷载模拟分析，可获得岩石类材料计算模型的细观特征，为工程建设提供一定依据。当然，离散元仿真计算结果有时过于理想化，与工程实际有所偏差，因而陈声震等[6]、徐婕等[7]认为可通过布设现场监测传感器，通过分析监测数据的关联性与变化特征，预判工程失稳前兆，为工程安全运行提供参照。工程现场的监测势必需要长期大量的数据，耗时较长，不利于工程早期设计、施工，而室内试验所用试样取自工程现场，且试验设备精度较高，结果可靠性较好；通过对工程现场取样的岩土试样，设计开展室内三轴[8]、渗流[9]或剪切[10]、拉伸[11]等力学试验，可获得不同因素影响下工程岩土体力学特性变化规律，为水工设计等提供基础数据。本文根据武烈河防洪干堤二次加高填筑料的剪切力学特性，利用室内剪切试验设备，分析了试样黏土成分含量与环境化学溶液浓度对其影响，为工程设计、施工提供参考。

1 试验概况

1.1 试验背景

为提升承德地区水利资源利用安全性，考虑对滦河支流流径区域内开展防洪加固，提升下游河道水利开发稳定性，特别是针对性开展武烈河防洪干堤的防洪性能标准提升。目前，武烈河防洪干堤分为南、北两侧，延伸长度最大为62 km，按照区域内50 a一遇洪水标准设计，堤坝设计为混合坝形式，包括有主体坝的橡胶坝与土石坝，堤坝底板高程为318.5～325.5 m，橡胶坝顶最高处为4.5 m，设计有浅式过槽，干流内正常水位高程为315.5～320 m。与橡胶坝相连接处，土石坝接触面采用了硬化整体式连接方式，在坝体内设计有连系梁结构，该连接结构采用型钢材料，直径为50 mm，插入土石坝内自由端长度为2.5 m，使之混合坝整体稳定性更佳。武烈河防洪干堤工程中水闸设施最大为二道河闸，其两侧均为土石坝结构，设计过闸流量最大为255 m3/s，平面式钢闸门控制过闸断面流量，单宽尺寸为1 m，设计有4个闸墩为支撑加固结构体系，每根墩径为0.6 m，并设计有八根锚杆加固支护，杆间距为0.2 m，该水闸平面设计如图1所示。水利监测设备表明，二道河子水闸周边土石坝内最大渗透坡降在雨季可达0.28，局部土体破裂面倾角可超过35°，极大威胁着土石坝运营安全性。工程设计部门综合二道河闸所在土石坝运营现状，提出对土石坝进行二次加固，所采用的填土料为干堤周边材料，主要为粉质黏土体等。工程勘察部门认为应开展该类型黏土体的力学特性分析，确保二次加固荷载满足土体力学稳定性，因而从现场取样开展该类型黏土体的剪切力学特性研究。

图1 水闸平面设计图

1.2 试验概况

本研究中重点考虑二次加高填筑土体的剪切力学特性，因而试验采用TT-DDS20型直剪仪设备，该试验设备包括有剪切荷载加载部分、数据采集部分及试验控制系统三部分，如图2所示。剪切试验盒内可适配不同尺寸、不同类型的试样，本试验中主要采用圆柱体剪切截面形态，试验中法向荷载与剪切荷载加载精度为1‰，试验控制系统可根据试验进度控制加载速率，为避免试验控制参量对试验结果影响，本试验中各组试样剪切速率均稳定在0.8 mm/min，法向荷载加载范围可为0～3 000 kPa，本文试验中法向应力均保持为300 kPa，水平剪切荷载最大为2 500 kPa。数据采集部分包括有传感器监测系统、数据处理设备，其中传感器包括有LVDT设备、机器位移采集系统等，LVDT设备监测量程为-25～25 mm，数据采集间隔设定为0.5s，数据采集监测误差最大不超过1‰，试验前各设备均已标定。该实验控制设备涉及有数据观测及实验程序控制功能，确保剪切试验稳定进行。

图2 TT-DDS20型土体剪切试验设备

根据对武烈河防洪干堤周围黏土体现场测试发现，粉质黏土体黏土成分含量差异性较大，分布范围为25%～90%，此对黏土体颗粒结构产生影响，导致现场取样的土体出现局部软弱夹层，不利于土体整体承载稳定性。对现场取样土体采用密度测井方法[12,13]，分别获得土体黏土成分含量30%、40%、50%、60%、70%、80%试验组，各黏土成分含量组中含量误差不超过5%。由于本次黏土体工程背景为防洪干堤，势必会有一定程度上氯盐冲蚀影响，因而本试验中亦探讨环境参量对黏土体剪切力学影响，设计氯盐溶液浓度分别为1 g/L、3 g/L、5 g/L、7 g/L，环境参量试验组中各试样在指定氯盐溶液浓度中浸泡12 h后才可开始剪切试验。各组具体试验方案参数如表1所示。

表1 试验方案具体参数表

2 土体剪切应力变形特征分析

2.1 试样状态的影响

根据试样状态试验组试样剪切加载试验，获得黏土成分含量影响下土体剪切应力变形特征曲线，如图3所示。从图中可知，黏土成分含量对黏土体剪切荷载影响具有阶段性节点，当黏土成分含量低于60%时，黏土剪切应力水平随黏土成分含量增大而递增，当环境溶液为无氯盐成分时，在相同剪切位移1 mm时，黏土成分含量30%试样的剪切应力为104.7 kPa，而黏土含量40%、60%试样剪切应力较前者增长了64.4%、172.7%，即黏土成分含量有助于提升黏土体抗剪切性能。当黏土成分含量超过60%后，各试样剪切应力呈下降趋势，特别是黏土成分含量70%、80%试样的剪切应力较转折节点(含量60%)分别降低了37%、50.3%。笔者认为，黏土成分含量对黏土体试样影响具有区间变化性，当黏土成分含量低于60%时，黏土成分含量愈多，其对粘土体的影响乃是正向作用，此时颗粒粒径较细的黏土质矿物在土体骨架中具有填充、密实作用，有利于提升土体整体承载稳定性；但不可忽视，黏土质矿物相比土体主骨架乃是承载性能较弱，其成分含量的过大，会使土体形成软弱面，极易在软弱面处出现剪切破坏，故而抗剪切性能较弱。当环境参量为氯盐溶液浓度3 g/L时，黏土成分含量对土体剪切应力影响与无化学成分溶液中一致，但影响幅度显著高于前者，同样是剪切位移1 mm下黏土成分含量60%试样的剪切应力较含量30%时增长了222.5%，而黏土成分含量80%下相比含量60%时分别减少了56.8%；从化学溶液腐蚀作用来看，其会加剧黏土成分含量对黏土体剪切性能影响。

从剪切变形特征对比可知，黏土成分含量超过60%后，其剪切应力位移曲线在峰值剪切应力后呈硬化特征，以无化学成分溶液环境参量试验组为例，黏土成分含量70%、80%试样在峰值剪切应力后期应力波动幅度分别不超过0.7%、1.1%，而含量30%、40%试样在峰值剪切应力后期具有显著脆性应力下跌态势，最大降幅分别可达36.8%、38.3%。从峰值应变来看，无化学溶液环境参量试验组中各试样的峰值剪切位移稳定在1.9 mm左右；而线弹性模量受黏土成分含量影响特征与剪切力学变形特性基本一致，黏土成分含量60%试样的线弹性模量最大，无化学溶液环境参量组中达271.1 kPa，而黏土成分含量30%、70%、80%试样的线弹性模量较前者分别降低了63.7%、38.6%、48.3%。当改变溶液环境参量为氯盐浓度3 g/L时，线弹性模量影响特征无太大变化，但各黏土成分含量试样的峰值应变受化学溶液浓度影响，以高黏土成分含量试样的峰值应变更大，表明化学溶液浓度对峰值应变影响超过黏土成分含量影响效应。

图3 黏土成分含量影响下土体剪切应力变形

2.2 环境参量的影响

同理，对环境溶液参量试验组黏土体剪切力学试验数据进行处理，获得环境参量影响下土体剪切应力位移特征，如图4所示。从图中可知，环境参量溶液浓度与剪切应力水平具有负相关关系，当环境参量为无化学成分时，剪切位移1 mm下的剪切应力为200.6 kPa，而化学溶液浓度为3 g/L、7 g/L时试样的剪切应力较前者分别减少了27%、65.6%，当化学成分溶液浓度愈高，对黏土体腐蚀作用愈强，愈不利于黏土体颗粒骨架稳定性[14]。从变形特征亦可知，相同黏土成分含量下各试样在峰值剪切应力后期的走向基本一致，呈脆性剪切破坏特征，无塑性应变硬化现象，表明黏土体峰值应力后期的应变硬化很大程度上取决于黏土成分含量，环境参量对其影响较小。分析不同试样的线弹性模量可知，环境溶液浓度为1 g/L时弹性模量为152.2 kPa，而溶液浓度为5 g/L、7 g/L时试样的弹性模量较之分别降低了35.4%、55.5%；整体上来看，环境参量溶液浓度平均增长2 g/L，可导致黏土体弹性模量降幅22.8%，由此可见，控制环境参量有利于提升黏土体试样线弹性变形能力。

图4 化学溶液浓度影响下土体剪切应力变形

3 土体抗剪强度分析

根据对试验状态、环境参量试验组黏土体剪切力学分析，获得各试样抗剪强度变化特征关系，如图5所示。从图中抗剪强度变化可知，黏土成分含量以60%为节点，在含量60%以内区间，黏土体抗剪强度与成分含量为正相关，在无化学溶液环境参量组中，黏土成分每增加10%，土体抗剪强度平均增幅为24.1%；而黏土成分含量超过60%后，黏土体抗剪强度与之为负相关，抗剪强度随黏土成分含量变化的平均降幅为12.3%。当环境参量溶液浓度增大后，黏土体抗剪强度显著降低，而黏土成分含量对土体影响幅度也有差异，在环境参量溶液浓度3 g/L试验组中，黏土含量60%前、后区间内的抗剪强度增幅、降幅分别为27.4%、17.8%，即化学溶液浓度耦合黏土成分含量影响，具有增强黏土质成分对土体抗剪强度影响效应。在环境参量溶液试验组中，溶液浓度每增大2 g/L，抗剪强度平均降幅15%，此为同一黏土成分含量50%下；而在黏土成分含量80%下，土体受环境参量溶液浓度影响的平均降幅为8.3%；即黏土成分含量愈高，土体承受化学腐蚀作用愈强，受环境参量影响愈小。

图5 各试样抗剪强度变化特征关系

4 结语

本文主要得到以下三点结论：

(1)黏土成分含量对黏土体剪切应力影响具有阶段节点，以含量60%为抗剪强度最高，在该含量前、后区间内分别为递增、递减趋势，当环境参量溶液浓度增大，黏土成分含量对土体剪切应力影响具有促进效应。

(2)环境参量溶液浓度与剪切应力水平具有负相关关系，在黏土成分含量50%与80%试验组中，溶液浓度每增大2 g/L，抗剪强度平均降幅分别为15%、8.3%；黏土成分含量愈高，土体受化学腐蚀作用愈强。

(3)黏土成分含量超过60%后，土体峰值剪切应力后期呈应变硬化型，环境氯盐溶液浓度对峰值应力后期走向影响较小；弹性模量均以黏土成分含量60%试样为最高，而环境参量溶液浓度平均增长2 g/L，可导致黏土体弹性模量降幅22.8%。