胶凝砂砾石层面抗剪参数试验研究

王 莎，贾金生，任 权，张德全，杨会臣

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.大同市人民政府防汛抗旱指挥部办公室，山西 大同 037000；3.大同市御河水利管理处，山西 大同 037000）

1 研究背景

胶凝砂砾石坝是一种断面介于碾压混凝土和堆石坝之间的新型坝［1］，其特点是利用天然河床骨料，无需对骨料进行加工，单位体积的胶凝材料用量大幅降低，符合“宜材适构”筑坝理念［2］。由于其造价较低，环境友好、断面合理、地基适应性强，近年来在我国的坝工建设中得到了快速发展，国内已建顺江堰溢流坝、猫猫河山塘等永久工程及洪口等围堰工程，在建的有61.6m高的守口堡大坝、33.0m高的金鸡沟大坝等一批永久工程，但其试验研究滞后于工程实际。

胶凝砂砾石坝采用碾压工艺进行快速施工，碾压层面处理工艺、层面的抗滑（剪）参数、层面的抗滑稳定、抗渗安全成为大坝设计的关键［3-4］。但目前胶凝砂砾石的层面抗剪试验未见报道，基于此，本文开展了胶凝砂砾石层面室内抗剪试验及富浆胶凝砂砾石原位抗剪试验，旨在提供层面抗剪的室内参数和原位试验参数，提出胶凝砂砾石层面的处理方式，对指导工程实践具有重要意义。

2 室内抗剪试验

室内试验骨料采用守口堡工程坝址区坝基开挖砂砾料及上游1km范围河床覆盖层，剔除其中150mm以上粒径，由于40mm以上大石偏少，且含泥较多，为克服上述缺点，本次试验外掺25%道路开挖石，具体配合比参数详见表1。

为了克服剪切荷载下胶凝砂砾石试块的剪胀作用而导致的垂直压应力变化，本次试验采用中国水科院自主研发的WHY-500/1000型混凝土抗剪试验仪，通过计算分析优化剪断过程中水平和垂直荷载的分布，实现了两向荷载作用在同一断面上，有效消除抗剪过程中的压剪破坏现象，确保了试验数据的可靠性。

表1 胶凝砂砾石配合比

试件尺寸均采用150mm立方体，分两次成型，按配合比要求拌制胶凝砂砾石，取试件1/2高度所需胶凝砂砾石装入试模［5］，放入养护室养护至要求的间隔时间后，取出试件，按要求进行层面处理，再成型上半部分，并养护至试件要求的龄期，即180d，试件制作数量为一组15个。抗剪断试验垂直向压力均为2.0MPa。

根据胶凝砂砾石的层间间隔时间及层面处理方式，本次试验选取6种方案进行层面抗剪试验，详见表2。

表2 胶凝砂砾石碾压层面室内抗剪试验方案

3 原位抗剪试验

原位抗剪试验是在守口堡大坝富浆胶凝砂砾石垫层处进行，垫层采用碾压设备施工，分三层碾压，分别为KJ1、KJ2、KJ3层，其中KJ1测点位于坝基右岸，KJ2、KJ3测点位于左岸，每层厚度约为30cm，层面处理方式为高压水枪冲毛并铺筑砂浆垫层，在碾压后90d～100d对碾压层面进行原位抗剪试验［6］。材料配合比详见表3，由表可知，富浆胶凝砂砾石的配合比与碾压混凝土配合比相似，只是骨料级配不同。

表3 富浆胶凝砂砾石原位抗剪试验配合比

每个试验点包括5组试块，试块制取采用切割机安装锯片和磨片，根据试点的情况，先对胶凝砂砾石进行切取，然后人工使用簪子进行粗加工至预留的深度，再用切割机安装锯片和磨片对试点进行进一步的加工至预定的要求，在试块的制备过程中，要避免试块的扰动。每组试块的尺寸为50 cm×50cm×50cm，试块间的距离应大于试块的边长。

试验最大垂直应力为1200kPa，剪切面积为2500cm2，试验垂直应力分5级，每块分别施加不同垂直应力为240、480、720、960、1200kPa。按预估最大剪切荷载分10级施加，直至试件被剪断。本次试验试件剪切方向为S8°E。

4 试验结果分析

4.1 室内试验结果根据室内试验得到各方案下的抗剪断参数均值和抗剪参数均值详见表4。

表4 胶凝砂砾石层面室内抗剪试验结果

根据试验结果可知，方案1由于在初凝时间内浇筑上层胶凝砂砾石，因此在新旧层之间未形成冷缝，层面的内摩擦角比有冷缝的方案2大10.2%，但由于未加垫层砂浆，黏聚力c′比方案2小50.3%，层面在水泥水化作用下继续固化，摩擦角Φ′整体上比未进行冷缝处理的方案6增大7.0%，黏聚力c′增大9.3%。

根据方案3与方案4对比可知，摩擦角Φ′的大小取决于冷缝面凿毛处理的程度，刮毛露出石子后摩擦角比方案3整体增大约22.2%。方案3与方案1相比，摩擦角Φ′虽偏低，但黏聚力明显增大约2.15倍，这一点与未进行层面刮毛处理的方案2类似。

方案5的摩擦系数和粘聚力均大于方案6，冷缝处理后摩擦角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′，说明冷缝层面处理是增强胶凝砂砾石层间抗剪断能力的有效措施。

综上可知，胶凝砂砾石初凝时间内直接浇筑上层材料，层面的摩擦角及黏聚力系数均满足要求。终凝时间外浇筑上层材料，如果对缝面进行凿毛处理，可显著提高层面的内摩擦角Φ′，铺筑砂浆层则可显著提高缝面的黏聚力c′值。因此，初凝时间内连续浇筑、对冷缝进行层面处理并铺筑砂浆是提高碾压层面抗剪断能力的有效措施。

4.2 原位试验结果富浆胶凝砂砾石原位试验剪开断面，典型测点剪应力-位移关系曲线、剪应力-正应力关系曲线详见图1～图7。为了对比分析三组试验τ-s曲线间的关系，选取相同压力（本次分析取1200kPa）下3个典型测点τ-s曲线绘图，见图8。

图1 测点剪开剖面照片

图2 KJ1点τ-s关系曲线

图3 KJ1点τ-σ关系曲线

图4 KJ2点τ-s关系曲线

图5 KJ2点τ-σ关系曲线

图6 KJ3点τ-s关系曲线

图7 KJ3点τ-σ关系曲线

图8 相同压力作用下不同测点τ-s关关系曲线

与混凝土相比，连续加载情况下富浆胶凝砂砾石的τ-s曲线出现折角而不够光滑。经分析认为，出现该现象的主要原因是层面附近骨料的影响，在剪切面附近存在着各种粒径的骨料，随着剪应力的增大，剪切面发生滑移，即产生了剪切位移s，当剪切位移s足够大时，骨料与基材的黏结面处KⅡ＞KⅡC，此时骨料与基材接触面开始开裂，开裂后的大骨料在剪裂面继续滑移作用下发生转动，尤其是当这些大骨料形状规则，比较圆润时，这相当于给剪裂面安上了“轮子”，导致剪切面附近的开裂变成滚动摩擦而不是滑动摩擦，剪切刚度发生突变，后一段的剪切变形变得容易，这是富浆胶凝砂砾石τ-s曲线不够光滑的本质原因。

根据图8可知，单轴压力作用下不同测点的τ-s曲线直线段均较短，说明较小的剪应力作用下，富浆胶凝砂砾石碾压层面即开始发生剪切破坏，但仍能继续承载。偏离直线段后，曲线逐渐变缓，剪切刚度Ka值逐渐减小，试块剪裂变形逐渐加速。发生剪切破坏时的最大剪应力τKJ2＞τKJ1＞τKJ3，这是层面的物理形态不同引起的，从图1剪开断面的物理形态可知，KJ1剪断面周围的骨料离析较严重，KJ2为水泥砂浆层面，较为平整，KJ3剪断面周围骨料较圆润，且试验点高程最低，层面被水浸润，水的存在弱化了层面的抗剪断能力，因此KJ3最容易断裂，其次是KJ1，KJ2由于剪切面为砂浆垫层，增强了层面的抗剪断能力，但剪切面砂浆平整，层面粘接仍较弱。因此可知，在相同的配合比情况下，富浆胶凝砂砾石碾压层面的抗剪能力取决于其材料的均匀性和密实性，骨料离析或被水浸润的情况会降低层面抗剪能力，层间铺筑砂浆层有助提高富浆胶凝砂砾石抗剪断能力。

富浆胶凝砂砾石原位抗剪试验结果详见表5，由表可知，KJ3试块的内摩擦角及黏聚力均值小于KJ1和KJ2试块，这与上文中的分析结果相一致。富浆胶凝砂砾石的层面抗剪断参数与材料的均匀性、密实度、层面处理、骨料形态、是否被水浸润等因素均有关系。

表5 垫层C10富浆胶凝砂砾石原位抗剪试验结果

4.3 结果对比

4.3.1 原位与室内结果对比 将原位试验与室内试验结果对比，发现室内试验所获内摩擦角值为原位试验的1.9倍，黏聚力值约为原位试验的3.8倍。原位试验内摩擦角及黏聚力均小于室内试验，分析主要是以下几个原因造成的：（1）尺寸效应。现场试验的试块尺寸大于室内试验，且骨料采用全级配，室内试验采用湿筛二级配，试件及骨料的尺寸效应产生的“模壁效应”［7-8］，导致室内试验结果与现场不同；（2）由于局部骨料的离析导致材料不密实，以及砂浆垫层料效果欠佳，粘接面薄弱造成的；（3）龄期影响。现场试验时，富浆胶凝砂砾石的养护时间小于室内试验；（4）现场施工条件及质量控制。施工现场的温度、湿度、风速及施工层面的处理工艺等，都会影响到原位试验的结果。

胶凝砂砾石层面抗剪原位试验与室内试验结果的转换关系可表示如下：

其中，λ、α为室内试验摩擦角和黏聚力修正系数；φc、C′为室内试验所获内摩擦角与粘聚力。

具体的修正系数需要根据相同配比、龄期、养护条件的室内抗剪试验与原位抗剪试验结果确定。根据本次试验，λ取0.5～0.6，α取0.25～0.30。

4.3.2 原位与RCC结果对比 富浆胶凝砂砾石与国内部分碾压混凝土施工层面原位抗剪断参数详见表6［9-10］，由表可知，富浆胶凝砂砾石的原位抗剪断参数明显小于碾压混凝土。根据守口堡大坝富浆胶凝砂砾石层面原位抗剪试验可知，富浆胶凝砂砾石层面摩擦系数约为0.53～0.58之间，黏聚力介于0.48～0.51MPa，碾压混凝土层面摩擦系数约为0.92～1.70之间，黏聚力介于1.17～2.28（MPa）之间。

富浆胶凝砂砾石本体及层面、碾压混凝土层面的τ-s曲线如图9所示，从图中可知，富浆胶凝砂砾石层面的峰值τmax和剪切刚度Ka小于碾压混凝土层面，富浆胶凝砂砾石材料配比与碾压混凝土相当，造成该现象的主要原因是富浆胶凝砂砾石大骨料粒径远大于碾压混凝土，卸料时比碾压混凝土更容易产生骨料离析，从而导致层间碾压不密实。胶凝材料在硬化过程中体积收缩，产生了诸多微裂缝，加之离析作用导致碾压不密实，导致在剪切过程中，微裂缝继续迅速发展，裂缝之间开始相互贯通，产生剪切变形，因此富浆胶凝砂砾石随着剪切力的增大，剪切位移增大速度大于碾压混凝土，即剪切刚度Ka小于碾压混凝土。而碾压混凝土由于骨料粒径较小，分布均匀，骨料离析较轻，骨料与砂浆之间粘结较强，层间抗剪强度较富浆胶凝砂砾石层面高。

表6 国内部分工程碾压层（缝）面抗剪断参数

图9 不同材料τ-s曲线

5 结论

本文开展了胶凝砂砾石室内层面剪切试验与富浆胶凝砂砾石层面原位剪切试验，根据试验结果分析了剪切断裂的机理及破坏准则，得到如下结论：（1）胶凝砂砾石初凝时间内浇筑上层材料，即使两层之间未铺筑水泥砂浆，层面的摩擦角及黏聚力系数均满足要求。终凝时间外浇筑上层材料，如果对缝面进行凿毛处理，或铺筑砂浆，均可使层面的黏聚力增大约1倍，内摩擦角增大约8%～9%。初凝时间内浇筑、冷缝凿毛、铺筑砂浆是三种提高碾压层面抗剪断能力的有效措施。（2）受施工质量、尺寸效应、龄期等的影响，富浆胶凝砂砾石的原位抗剪断试验结果值小于胶凝砂砾石室内抗剪断试验，原位试验所获内摩擦角约为室内试验值的52.7%，黏聚力值约为室内试验值的26.2%。根据原位抗剪试验结果，综合考虑配比、尺寸效应、施工质量等因素，建议对本次室内150mm立方体试件的抗剪试验结果进行修正，内摩擦角修正系数取0.5～0.6左右，黏聚力修正系数取0.25～0.30左右。同时建议加强施工质量管理，保障现场施工的质量。（3）富浆胶凝砂砾石剪切过程中，随着剪切位移的产生，骨料脱离胶凝材料，可能产生滚动摩擦，导致层面的抗剪断能力迅速降低，反应在τ-s曲线上则为曲线斜率突变，即剪切刚度Ka发生突变。同时通过对比分析，得到了不同材料的τ-s曲线。（4）富浆胶凝砂砾石层面原位抗剪试验所得的Φ′值和c′小于本体和碾压混凝土层面的抗剪参数，本质原因是局部材料不密实、砂浆粘接面薄弱。层面的抗剪断参数与材料的均匀性、密实度、层面处理、骨料形态、是否被水浸润等因素均有关系。