泥浆渗透粗粒土与防渗墙接触面强度特性的试验研究

2021-09-17杨春鸣

水利与建筑工程学报 2021年4期

杨春鸣

(四川大渡河双江口水电开发有限公司，四川阿坝 624000)

粗粒土在自然界分布广泛，具有压实性能好、透水性强、抗剪强度高等工程特性。粗粒土颗粒大小相差很大，粒径范围较宽，当颗粒组成不同时，其性能差别非常显著[1]。粗粒土覆盖层具有成因复杂、类型多样、结构多变、地层不连续、松散且有架空层、物理力学性质不均匀等特点，深度可达几十米，有的甚至达到百米以上，在此类地层中建造防渗墙时，不良的地质条件会给工程施工带来很大困难[2-4]。为了确保防渗墙槽孔的稳定性，工程建设中普遍采用泥浆护壁的方法，泥浆护壁是利用槽孔内外流体压差来维持壁面稳定的，泥浆护壁过程中，泥浆会入渗到槽孔附近区域一定范围的粗粒土内部，该区域内粗粒土的性质会由于泥浆中黏土颗粒的入渗而得到改善，土的孔隙会在一定程度上被填充密实，渗透性降低[5-6]。当泥浆渗透稳定时，会在槽壁面上形成透水性很低的泥皮，防渗墙浇筑完成后，泥皮处于防渗墙混凝土和覆盖层土体之间。土体与结构材料接触面的力学特性已通过试验及数值模拟等手段进行了充分论证，但当土体与结构之间存在泥皮时，接触面的力学特性会发生变化[7-10]。已有研究表明，泥皮自身致密的结构在抗渗以及防渗墙结构受力和变形时的缓冲和协调方面能够发挥一定作用[11-13]。

本文以泥浆渗透粗粒土和防渗墙接触面为研究对象，在不同条件下对接触面的力学性质开展试验研究，分析不同的泥皮形成条件对接触面力学指标的影响，直观地对接触面的强度特性进行描述，进而为准确反映工程建设中防渗墙真实的受力状态，合理分析泥皮的存在对于防渗墙应力和变形特性的影响提供依据。

1 接触面强度特性的试验方案

影响泥皮性质的因素主要包括地层结构状况、泥浆渗透条件、泥皮自身特性等[14]。地层结构状况可由粗粒土的孔隙特征加以反映，文献[14-15]提出了单粒平均孔隙体积的概念来对粗粒土的孔隙特征进行了定量描述；泥浆渗透条件包括渗透压差及渗透时间，槽孔开挖深度不同，泥浆渗透的压差不同，渗透时间也不同，相对较大的渗透压差及较长渗透时间条件下所形成泥皮的抗渗性能更好、强度更高；泥浆自身特性包括泥浆的黏度、比重、含砂量等，黏度大、密度大、含砂量高的泥浆，更有利于泥皮的形成，且泥皮的结构越致密、越完整。为了研究泥浆渗透粗粒土与混凝土防渗墙接触面的强度特性，首先进行泥浆在粗粒土中的渗透试验，试验过程中会在粗粒土试样入渗面一侧形成一定厚度的泥皮，试验装置如图1所示，各组泥浆渗透试验结束后，取出泥皮附近区域的粗粒土试样，将其作为直接剪切试验的粗粒土材料，防渗墙材料采用预制混凝土试块模拟，将泥浆渗透试验过程中形成的泥皮置于粗粒土与混凝土试块之间，通过直接剪切试验对不同影响因素条件下泥浆渗透形成泥皮后的接触面的力学性质进行分析。

图1 泥浆渗透试验装置

1.1 粗粒土泥浆渗透试验

1.1.1 不同粗粒土空隙特征的试验方案

为了反映泥浆在不同地层结构条件下向粗粒土中渗透形成泥皮的情况，试验根据不同的粗粒土孔隙特征将泥浆渗透试验分为10组，各组粗粒土的孔隙特征指标、泥浆渗透压差、泥浆渗透时间等试验参数见表1。

表1 不同粗粒土孔隙特征条件下泥浆渗透试验参数

1.1.2 不同泥浆渗透压差的试验方案

泥浆护壁过程中，不同槽孔深度处的泥浆渗透压差大小有所不同，混凝土浇筑成墙后，槽孔壁面粗粒土与混凝土之间泥皮的力学特性也存在差异。试验根据泥浆渗透压差的不同共分为4组，各组泥浆渗透试验中粗粒土的孔隙特征指标、泥浆渗透压差、泥浆渗透时间等试验参数见表2。

表2 不同压差条件下泥浆渗透试验参数

1.1.3 不同泥浆渗透时间的试验方案

不同时长的泥浆渗透试验共包括7组，渗透时间最短为60 min，最长为7 200 min。表3列出了不同渗透时间条件下泥浆渗透试验的粗粒土孔隙特征指标、泥浆渗透时间、泥浆渗透压差等各项试验参数。

表3 不同渗透时间条件下泥浆渗透试验参数

以上各组试验所选用的泥浆均为优质钠基膨润土泥浆，将膨润土置于水中并加入适量纯碱拌合而成。在完成泥浆制备后对泥浆的性能指标进行测试，测试结果见表4。

表4 泥浆性能指标

1.1.4 不同泥浆黏度的试验方案

为了研究泥浆的自身的材料性质对于泥皮力及接触面学特性的影响，在不同泥浆性能指标条件进行泥浆在粗粒土中的渗透试验。试验共分为5组，制备了不同黏度的泥浆，各组泥浆渗透试验的粗粒土孔隙特征指标、泥浆渗透时间、泥浆渗透压差、泥浆黏度等各项参数取值见表5。

表5 不同泥浆黏度条件下泥浆渗透试验的各项参数

1.2 直接剪切试验

上述各组泥浆渗透试验结束后，相应的开展夹有泥皮条件下泥浆渗透粗粒土与混凝土接触面的直接剪切试验。直接剪切试验利用四联直剪仪完成，直剪仪下剪切盒为预制混凝土试件，上剪切盒为泥浆渗透粗粒土试样。将泥浆渗透形成的泥皮附近渗透距离内的粗粒土试样取出，根据粗粒土质量及其所占据试样管的容积来计算土体的密度。直接剪切试验装样时，应控制粗粒土的密度与泥浆渗透结束时保持一致，根据密度要求以及上剪切盒的环刀内部容积确定泥浆渗透粗粒土的质量，并按照计算得出的质量将粗粒土置于上剪切盒的环刀内部，在法向应力作用下固结密实。试验分别采用100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa四种不同的法向应力，剪切速率设定为0.006 4 mm/min。

2 接触面强度指标的试验结果

2.1 不同粗粒土孔隙特征条件下接触面直接剪切试验结果

按照表1中颗粒级配和孔隙比的要求制备各组粗粒土试样，利用表4中性能指标的泥浆，在相同的渗透压差、渗透时间条件下利用图1所示的仪器设备进行泥浆渗透试验，在形成泥皮的情况下进行泥浆渗透粗粒土与混凝土结构之间接触面的直接剪切试验。在不同粗粒土孔隙特征条件下，各组试验剪切强度与法向应力之间的关系曲线如图2所示。由直接剪切试验可以得出泥皮接触面的黏聚力、摩擦角等强度指标，结果见表6。

图2 剪切强度与法向应力之间的关系曲线

表6 不同粗粒土孔隙特征条件下接触面直接剪切试验结果

可以看出，接触面强度指标与泥浆渗透试验所采用粗粒土的孔隙特征存在关联性。泥浆在不同孔隙特征粗粒土中渗透所形成泥皮的质量存在差异，而泥皮的性质在一定程度上决定了接触面的强度特性。粒径、孔隙大小不同的粗粒土与泥皮的接触状态的差别会对试验结果产生影响，泥浆在粒径、孔隙较小的粗粒土中渗透容易形成结构更加完整、致密的泥皮。粗粒土的粒径越小，其表面更加平整，粗糙度较低，泥皮结构的完整性能够得到较好的保持，在剪切试验过程中，粗粒土与混凝土试件之间形成了比较完整的泥皮接触面，此时，接触面的强度特性更接近于泥皮本身的性质，黏聚力较高，摩擦角较小。当粗粒土粒径、孔隙较大时，泥浆渗透形成的泥皮结构较为疏松，结构完整性较差，采用泥浆渗透形成的泥皮进行直接剪切试验时，在局部区域内会形成粗粒土与混凝土结构直接接触的情况，泥皮的作用被削弱，接触面的强度特性趋近于粗粒土与混凝土之间没有泥皮的状态，黏聚力相对较低，摩擦角较大。

由于接触面的强度特性与泥浆渗透过程中粗粒土的孔隙特征有关，将各组直接剪切试验得出的强度指标以及所对应的粗粒土孔隙特征指标进行整理和汇总，可以得到二者之间的关系曲线。由图3可以看出，接触面黏聚力随着粗粒土单粒平均孔隙体积的增大呈减小的趋势，而摩擦角随着粗粒土单粒平均孔隙体积的增大而增大。

图3 接触面强度指标与粗粒土孔隙特征指标间的关系

2.2 不同泥浆渗透压差条件下接触面直接剪切试验结果

按照表2中各组粗粒土试样的孔隙特征指标、泥浆渗透压差、泥浆渗透时间等参数，采用表4中性能指标的泥浆，利用图1所示的仪器设备进行不同渗透压差条件下的泥浆渗透试验，在形成泥皮的情况下进行泥浆渗透粗粒土与混凝土结构之间接触面的直接剪切试验，各组试验剪切强度与法向应力之间的关系曲线如图4所示。通过直接剪切试验可以得出接触面的黏聚力、摩擦角等强度指标，表7为不同泥浆渗透压差条件下接触面强度指标的试验结果。

图4 剪切强度与法向应力之间的关系曲线

表7 不同泥浆渗透压差条件下接触面直接剪切试验结果

试验结果表明，粗粒土与混凝土结构接触面的强度特性会随泥皮形成过程中渗透压差的不同而发生改变。当粗粒土孔隙特征相同时，在直接剪切试验过程中，可以忽略由于粗粒土孔隙大小不同而对接触面泥皮结构产生的影响，泥皮的质量是决定接触面强度特性的唯一因素。通过对不同泥浆渗透压差条件下形成泥皮的性质进行分析可知，泥浆渗透压差越大，所形成的泥皮结构越致密，泥皮强度越高，接触面部位的泥皮结构更加完整，直接剪切试验所反映的更趋近于泥皮的强度特性，黏聚力较大，摩擦角较小。随着泥浆渗透压差的减小，泥浆渗透所形成泥皮的致密程度降低，直接剪切试验过程中，接触面部位的泥皮完整程度下降，试验反映出的性质更加接近于粗粒土与混凝土结构直接接触的情况，接触面黏聚力减小，摩擦角增大。

粗粒土与混凝土结构接触面的强度特性与泥浆渗透过程中的渗透压差有关。由图5中所显示的接触面强度指标随泥浆渗透压差的变化规律可以看出，随着泥浆渗透压差的增大，接触面的黏聚力有逐渐增大的趋势，而接触面的摩擦角随着泥浆渗透压差的增大而减小。

图5 接触面强度指标与泥浆渗透压差之间的关系

2.3 不同泥浆渗透时间条件下接触面直接剪切试验结果

根据表3中的试验方案，对于具有相同孔隙特征的粗粒土试样，采用表4中性能指标的泥浆，在相同的泥浆渗透压差作用下进行不同时长的泥浆渗透试验，在形成泥皮的情况下进行泥浆渗透粗粒土与混凝土结构之间接触面的直接剪切试验。在不同泥浆渗透时间条件下，各组试验剪切强度与法向应力之间的关系曲线如图6所示，通过直接剪切试验得出不同泥浆渗透时间形成泥皮条件下的接触面黏聚力、摩擦角等强度指标见表8。

图6 剪切强度与法向应力之间的关系曲线

表8 不同泥浆渗透时间条件下接触面直接剪切试验结果

通过试验结果可知，在泥浆渗透时间不同的情况下，接触面的强度指标也会随之发生变化。试验结果的差异源于泥皮性质的不同，当渗透时间较短时，泥皮尚未完全形成，此时，在直接剪切试验过程中，粗粒土混凝土结构之间没有被完整的泥皮隔离开，接触面的强度性质表现出更加接近于粗粒土与混凝土直接接触时的状态，黏聚力较低，摩擦角较大。在一定时间范围内，随着渗透时间的延长，泥皮逐渐形成且结构愈加致密，泥皮的厚度也有一定程度的增加，泥皮结构的不断完善提高了接触面的完整程度，使得试验结果能够反映出泥皮自身的强度特性，黏聚力增大，摩擦角减小，但这一变化趋势随着泥浆渗透时间的延长逐渐减弱，说明在已经形成结构完整、致密的泥皮结构时，继续延长泥浆渗透时间对于进一步提高泥皮结构的完整性效果不明显。

粗粒土与混凝土结构接触面的强度特性与泥浆渗透过程中的渗透时间有关。图7能够反映出接触面力学指标随泥浆渗透时间的变化规律，可以看出，在一定时间范围内，接触面的黏聚力随着泥浆渗透时间的延长而增大，摩擦角呈逐渐减小的趋势，超出一定时间范围后，进一步延长泥浆渗透时间对于接触面强度特性的影响逐步减弱。

图7 接触面强度指标与泥浆渗透时间之间的关系

2.4 不同泥浆黏度条件下接触面直接剪切试验结果

按照表5中各组粗粒土试样的孔隙特征指标、泥浆渗透压差、泥浆渗透时间等参数，采用不同黏度的泥浆进行泥浆渗透试验，在形成泥皮的情况下进行泥浆渗透粗粒土与混凝土结构之间接触面的直接剪切试验。在不同泥浆黏度条件下，各组试验剪切强度与法向应力之间的关系曲线如图8所示。表9中列出了所选取泥浆材料的黏度不同时，通过直接剪切试验得出的接触面黏聚力、摩擦角等强度指标。

表9 不同泥浆黏度条件下接触面直接剪切试验结果

图8 剪切强度与法向应力之间的关系曲线

试验结果表明，接触面的强度特性会受到泥浆渗透试验中选用泥浆黏度的影响，泥浆黏度越小，直接剪切试验中测得的接触面黏聚力越小，摩擦角越大；随着泥浆黏度的增大，试验测试得到的接触面黏聚力逐渐提高，摩擦角逐渐降低。接触面强度特性的这种变化规律主要由泥浆渗透过程中所形成泥皮的性质决定，而泥浆黏度是决定泥皮性质的关键因素。在相同的渗透压差、渗透时间条件下，在具有相同孔隙特征粗粒土中进行泥浆渗透试验时，所选用泥浆的黏度越大，越有利于形成结构致密的泥皮，从而在粗粒土与混凝土结构之间形成完整的泥皮接触面，通过直接剪切试验得到的测试结果更加接近于泥皮的强度指标；反之，当泥浆黏度较小时，泥浆渗透形成泥皮的结构致密程度降低，置于粗粒土与混凝土结构之间的泥皮在荷载作用下容易被扰动破坏，进而导致粗粒土与混凝土结构直接接触的可能性增大，直接剪切试验测试得到的结果更加接近于二者之间没有泥皮的接触面强度指标。

作为决定泥浆自身特性的重要因素，泥浆黏度的变化会对接触面的力学指标会产生影响。图9为接触面的力学指标与泥浆黏度之间的关系，可以看出，接触面的黏聚力有随着泥浆黏度的增大而逐渐增大的趋势，而接触面的摩擦角随着泥浆黏度的增大而减小。