土石坝心墙填土恒压吸湿变形试验研究

郭 冲，邱秀梅，赵晓龙，卞汉兵

(山东农业大学 水利土木工程学院，山东泰安 271018)

1 引言

土石坝具有就地取材、对地形地质条件要求低、施工方法简单且造价低廉等诸多优点，因而在水利水电工程中得到广泛应用。据国内外已建坝的统计资料，土石坝的数量占总建坝(数的90%以上，其中粘土心墙坝是最为常用的坝型之一［1］。在土石坝的设计、建设以及运行管理过程中，存在很多极具挑战性的岩土工程问题，其中之一就是土石坝心墙的水力劈裂问题，心墙防渗体是否产生水力劈裂，将直接关系到大坝的安全与稳定［2］。

土石坝心墙中的裂缝及缺陷是形成水力劈裂的前提条件，而心墙材料的低透水性与心墙裂缝或缺陷的高透水性使得“水楔”作用形成，使水力劈裂的发生具备了力学条件［3］。对裂缝和缺陷的形成条件，国内外学者认为主要由两种原因造成［4］:一是施工中各碾压层之间及同层的不同施工段之间均是易形成裂缝或缺陷的部位，施工进度及施工环境(如环境温度、湿度等)的变化也有一定影响，这些裂缝在施工中应是闭合的。二是不均匀沉降及其引起的应力重分布是产生新的裂缝和使施工产生的闭合裂缝张开扩大的主要原因，即便是在不均匀沉降较小的情况下也可能形成这种裂缝［5］。而根据非饱和土力学理论，土体饱和度变化对其强度、渗流特性和体积都会产生影响［6］。文［7］针对土石坝心墙土在初次蓄水前为非饱和土分析了心墙土的渗透性、初始饱和度和蓄水速度等因素对心墙水力劈裂的影响。

本文通过一维固结试验发现不同压力下重塑粘性土在浸水饱和过程中的不同变形特征，为裂缝及缺陷的形成指出了另一种原因。

2 试验方法

2.1 试验流程

本试验通过一维固结试验将重塑土试件固结后，使其浸水饱和，观察其在饱和过程中的变形规律。所用仪器主要有击实仪、一维固结仪、电子称、台秤，烘箱等。击实仪用于制作重塑土;一维固结仪是本试验的主要仪器，用于观察试件的固结变形及加水饱和过程中的变形;电子称和烘箱用于确定试件的含水率及饱和度;台秤用于制作重塑土样时土的称量。试验流程如下:

图1 试验流程Fig.1 Test process

2.2 试验过程

将试验用土粉碎过0.5 mm筛后配置18%含水率的土样，静置后通过击实形成重塑土，然后用环刀制作试件。为保证各试件初始孔隙比的一致性，在用击实仪制备重塑土土样时，经过多次尝试，最终确定分五层击实，每层击数为九下，每层土样质量为400 g。每个击实样可以制作四个试件。

将所制作的6个试件放入固结仪，固结压力分别为 50 kPa，100 kPa，150 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa。经充分固结后(固结过程中不断记录试件的变形量)，将试件取出称重用以计算此时的含水率和饱和度。重新加载稳定两小时后，加水浸没试件，观察试件的竖向变形，记录变形量，直至变形趋于稳定。最后将试件取出将环刀上的水擦干后及烘干后分别称重。

由于试验条件限制，在取得加水前试件的饱和度数值时，需要将试件卸载从固结仪中取出称重。为减小卸载对沉降带来的误差，本试验假定试件重新放入固结仪稳定2 h后的变形量与试件卸载之前的变形量一致;并且认为再次加载时试件排水量很少，因此忽略再次加载时排水对饱和度产生的影响。

3 试验数据及分析

3.1 非饱和土固结过程试验数据及分析

含水率和饱和度的计算公式为:

式中: ω——含水率(%);

m——湿土质量(g);

ms——烘干土质量(g)。

Sr——试件的饱和度(%);

Vw——试件中水的体积(cm3);

Vv——试件中孔隙的体积(包括水的体积)(cm3);

Vs——试件中固体土颗粒的体积(cm3);

ρw——水的密度(g/cm3)，计算中取值为1.0 g/cm3;

60——试件的体积为60(cm3);

Gs——土粒比重，计算中取2.76。

由以上公式经计算得到固结前各试件的含水率和饱和度如表1所示。

表1 各压力下试件的初始含水率和饱和度Table 1 The initial moisture content and water saturation of each specimen

各试件初始含水率均在试验控制含水率18%左右，达到试验控制要求。各试件初始饱和度均在69%左右，故为非饱和土。

根据试验记录的数据，绘制出各级压力下固结过程中试件的变形曲线如图2所示。

图2 试件固结过程变形曲线Fig.2 The consolidation curve of specimens under different compression stresses

从上图可以看出，加水前的固结过程中，加载初期各试件变形量很大，随着时间的增加各试件沉降量逐渐趋于稳定。同时各试件变形量随压力增大而增大，具体结果表2所示。

表2 各压力下试件的固结沉降量和孔隙比变化Table 2 The settlements，the void ratios before and after consolidation vs.compression stresses

虽然初始孔隙比有所差异，但经过压缩固结过程，各试件在加水前随固结压力的增大孔隙比呈减小趋势，这与土石坝底部压力大孔隙比相对较小而上部压力小孔隙比较大是相吻合的。

3.2 加水饱和过程的试验数据及分析

固结完成后加水前以及加水饱和完成后将试件取出称重，并计算得到此时各试件的含水率和饱和度如表3所示。

表3 固结完成后及饱和完成后各试件的含水率和饱和度Table 3 The moisture content and saturation before and after the saturation process

固结过程同时为排水过程，所以固结完成后各试件含水率有所降低，同时高压力下孔隙比相比低压力下孔隙比偏低，所以呈现出了固结完成后高固结压力试件的饱和度相比低固结压力试件有所升高的现象。

在浸水饱和过程中，土的三相状态发生变化，由固液气三相逐渐转变为固液两相状态，此过程对土的本构关系会产生影响［8］。根据试验记录的数据，绘制出各级压力下加水饱和过程中试件的变形曲线如图3所示。

从上图可以看出，在固结完成后加水饱和的过程中，在50 kPa压力下，试件呈现出膨胀的特征;100 kPa、150 kPa和200 kPa压力下，呈现出先膨胀后压缩的特征，在最终变形量方面，100 kPa压力下呈明显膨胀，150 kPa压力下，与加水前相比基本未变化，200 kPa压力下略微收缩，在300 kPa和400 kPa压力下，试件压缩变形量明显增大，未观察到明显膨胀现象。说明不仅同一恒压不同饱和度下重塑粘性土可能呈现出不同的本构特征，而且压力大小对其变形特征也会产生明显影响。

在变形发生的时间方面，低压力下加水后试件迅速发生变形，变形达到稳定时经历的时间较短，而高压力下变形发生相对较慢，达到变形稳定时经历的时间也相对较长。这可能是由于密实度及孔隙连通性不同导致的渗透性不同而产生的。低固结压力下试件渗透系数较大，可认为其在加水后短时间内即完成了饱和过程，所以在浸水饱和过程的开始阶段就发生了明显的变形;而高压力下渗透系数相对较小，因而饱和过程相比低压力下持续时间长，所以试件发生变形相对较慢且持续时间较长。最终各压力下的试件变形量都趋于稳定，此时可认为试件达到了完全饱和状态。各试件最终沉降量和孔隙比如表4所示。

表4 各压力下试件的最终沉降量和孔隙比变化Table 4 The final settlements and the variation of the void ratios under different pressures

从上表可以看出，50 kPa和100 kPa压力下，最终孔隙比相比加水前明显增大，150 kPa压力下孔隙比未发生明显变化，200 kPa及以上压力下孔隙比都发生了不同程度的减小。

由于土石坝心墙在不同高度处所受到自身压力不同，再加上在水库蓄水过程中，土坝体不同高度会因浸水时间不同，引起心墙上下及前后各位置处饱和度的变化;同时由于心墙的低透水性，可以认为在浸水饱和过程中即使在试件内部的相邻位置，饱和度也可能存在较大差异。以上原因可能会导致坝体心墙某些相邻位置变形不一致，从而形成裂缝或者缺陷。而这可能成为土石坝发生水力劈裂或水力击穿破环的必要条件。

4 结论

(1)渗透性会影响此重塑粘性土饱和过程的经历的时间，从而对变形经历的时间和速率产生较大影响。

(2)不同压力下的重塑粘性土在饱和过程中的变形特征呈现较大差异。

(3)同一压力及不同压力下饱和过程的不同变形特征可能导致坝体心墙在蓄水过程中形成裂缝或缺陷，而这可能成为土石坝发生水力劈裂或水力击穿破环的必要条件。

［1］ 冯晓莹，徐泽平，栾茂田.黏土心墙水力劈裂机理的离心模型试验及数值分析［J］.水利学报，2009，40(1):109-121

［2］ 张 辉.堆石坝心墙水力劈裂试验与数值模拟研究［D］.南京:河海大学，2005

［3］ 王俊杰，朱俊高，张 辉.关于土石坝心墙水力劈裂研究的一些思考［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(增2):5664-5668

［4］ Sherard J L.Embankment dam cracking In:Hirschfeld R C，Poulos S J ed.Embankment-dam Engineering，Casagrande Volume［C］.New York:Wiley-interscience，1973.271–353

［5］ Dounias G T，Potts D M，Vaughan P R.Analysis of progressive failure and cracking in old British dams［J］.Geotechnique，1996，46(4):621 –640

［6］ 赵成刚，韦昌富，蔡国庆.土力学理论的发展和面临的挑战［J］.岩土力学，2011，32(12):3521-3540

［7］ 曹雪山，殷宗泽.土石坝心墙水力劈裂的非饱和土固结方法研究［J］.岩土工程学报，2009，31(12):1851-1857

［8］ Fredlund D G，Rahardjo H.非饱和土力学［M］.陈仲颐，等译.北京:中国建筑工业出版社，1997