东非某水电站碾压混凝土层间结合面剪切破坏特征大型原位试验研究

郑 星， 魏 伟 琼， 杨 文 超， 徐 永 旺

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081； 2.贵州省岩土力学与工程安全重点实验室，贵州 贵阳 550081)

0 引 言

碾压混土(RCC)大坝中层间结合面的抗剪强度是控制岩基上混凝土坝整体稳定的因素之一[1]。施工会产生大量的层间结合面，这些层间缝的形成质量将影响RCC混凝土的整体性，从而影响大坝整体稳定[2]。分层施工可能由于层间结合接缝表面的压实不到位、层面受污染或者因曝露时间过长而形成冷缝，导致层间结合面黏结性差，具有较低的抗拉强度、抗剪强度和较高的渗透性[3-13]。

某水电站位于东非坦桑尼亚，该电站拦河大坝坝型为碾压混凝土重力坝，坝高131 m。通过在现场碾压试验段上开展大量的原位大型剪切试验，获取了RCC层面的峰值及残余值强度参数，测量并统计分析了剪切破坏面上的形态特征参数，探究了RCC层面的剪切破坏机理及试件运动特征，系统地研究了层间结合面的抗剪强度特性，提供了合理的强度参数供大坝稳定计算使用。

1 破坏准则

RCC层间结合面抗剪强度一般用摩尔库伦(M-C)准则进行评价，分为胶结和不胶结两种情况。虽然都是用M-C理论描述其破坏模式，但两种情况下的破坏机理和准则并不尽相同。

M-C准则是最早出现的抗剪强度破坏准则之一，用(1)式表示：

τ=C+σntanφ

(1)

式中τ为接触面上的抗剪强度；C为拟合直线在剪应力轴上的截距，一般称为黏聚力；σn为有效法向应力；φ为摩擦角。

广泛使用M-C准则是剪切破坏准则的特殊情况，在实际使用中，它将剪切破坏面上非线性的正应力-剪应力关系简化拟合为线性关系。该强度准则是目前使用最广泛的抗剪强度准则，在大多数的大坝抗滑稳定计算中，用于评估坝基或坝体材料的抗剪强度。

1.1 胶结层面破坏准则

一般来说，若层间结合面完整，上下层结合紧密，则是胶结层面。若试件沿着层面处发生了破坏，造成上下层混凝土分离，或者浇筑时上下层混凝土结合很差，则是非胶结层面。图1展示了胶结层面及非胶结层面的典型剪切应力-位移关系曲线。曲线A代表胶结层面，在很小的剪切位移上就出现最大的抗剪强度，该强度称为峰值抗剪强度或抗剪断强度。随着剪切位移增加，抗剪强度迅速降低并最终在很大的剪切位移下达到一个稳定值，称为残余强度，其破坏模式为脆性破坏。曲线B代表非胶结层面的剪切应力-位移关系，其在一个较小的剪切位移上出现强度峰值，然后在较大的剪切位移之后出现残余强度值。曲线C是材料的光滑接触面的剪切应力-位移关系，随着剪切位移的增加，剪应力持续增加直到达到最大摩擦强度，没有明显的峰值和残余值[14]。

图1 典型剪切应力-位移关系曲线

混凝土层面(包括RCC)层间结合面的剪切破坏属于脆性破坏，其剪应力-剪切位移曲线类似于图1中的A线。其破坏包络线如图2典型的直剪试验强度包线中的A线，其为胶结状态的Mohr峰值强度包络线，其与纵坐标轴的交点为胶结层面的黏聚力，在实际应用中一般用式(1)代表的直线来拟合以获得φP值和Cp值，这里Cp称为真实黏聚力。对于胶结较差或者没有胶结的层间结合面，其破坏包线则是图2中的B线或C线，就要取决于层面是起伏粗糙还是平整光滑。

图2 典型的直剪试验强度包线

1.2 无胶结层面破坏准则

当胶结和完整的层间结合面发生剪切破坏后，就形成了一个贯通的破坏面，层面上的胶结强度立即丧失。初始的脆性破坏后继续对层面进行剪切，得到层面的残余抗剪强度，残余抗剪强度的摩尔包络线如图2中的B线所示。此时B线既代表完整胶结层面的残余抗剪强度，又代表破坏面本身的峰值抗剪强度，而C线则是破坏面本身的残余强度。理论上，由于破坏面上黏聚力丧失，B线是一条通过原点的曲线。对于这种无胶结的、粗糙起伏的硬性结构面，Patton[15-16]等在1966年提出其抗剪强度是基本抗剪强度和结构面上沿着滑动方向的粗糙度的函数，用式(2)表示：

τ=σntan(φb+i)

(2)

式中σn为法向应力；φb为沿着平整面的摩擦角，与材料类型有关，与法向应力无关；i是破坏面上的粗糙度。在实际应用中，一般也用式(1)代表的直线来拟合残余强度参数。无胶结层面的抗剪强度也包括黏聚力Cr和层面间的抗滑摩擦阻力σntanφr，这里Cr称为表观黏聚力。

2 强度参数分析

2.1 峰值强度参数

对于胶结的、完整的层面，总的抗剪强度是黏聚力和内摩擦角的总和。其中黏聚力主要来自胶凝材料的胶结强度，而内摩擦角则与骨料的粒形、强度及层面的平整程度有关。

现场共计完成24组试验共计115个试件的剪切试验。将111个试件的法向应力与峰值剪切应力点绘在坐标图中，并用最小二乘法进行拟合，得到不同工况下RCC层间结合面的综合抗剪强度参数为f=1.46，C=1.28 MPa，层间结合面峰值强度参数拟合见图3。

图3 层间结合面峰值强度参数拟合

2.2 残余强度参数

胶结良好、完整的RCC层间结合面，其破坏一般属于脆性破坏，剪切试验过程中表现出明显的峰值强度及残余强度。一般在达到峰值强度时层面即发生破坏，形成贯通性破坏面。破坏面一旦形成，层面的胶结强度即丧失，依靠摩擦和破坏面上局部突起的咬合作用形成强度。此时的强度既是完整结构面的残余抗剪强度，也是破坏面形成以后其本身的峰值抗剪强度。

RCC层面残余抗剪强度相当于无胶结刚性岩体结构面的抗剪强度，包括残余黏聚力和层面间的抗滑摩擦阻力。残余黏聚力又称为表观黏聚力，它并非真实的黏聚力，它是采用直线拟合试验点数据而在τ～σ关系图的纵轴上形成的截距。由于层面破坏后，其胶结强度即真实的黏聚力丧失，因此，理论上破坏面上是没有任何黏聚力的。

残余黏聚力即表观黏聚力的值显著低于峰值黏聚力，其大小跟法向应力及破坏面的起伏粗糙程度有关。将试验中24组试验共计115个试验点的法向应力及对应的残余抗剪强度画在τ～σ关系图上，得到层间结合面残余强度参数拟合(图4)。将图中所有的试验数据用直线进行最优拟合，得到拟合线A，该线的拟合方程表示为式(3)：

图4 层间结合面残余强度参数拟合

τ=1.11σn+0.38

(3)

其代表的残余强度最佳拟合参数为C=0.38 MPa，φ=48.0°。

所有试验数据下限值的拟合线是一条过原点的直线，即图中的直线C，该线的拟合方程为式(4)：

τ=0.98σn

(4)

代表的残余强度下限参数为C=0 MPa，φ=44.4°。

层间结合面被剪切破坏后，形成贯通性结构面，对于这种无胶结的、粗糙起伏的硬性结构面，其抗剪强度包线应为过原点的曲线，在低法向力区间，采用过原点的直线来进行分段拟合，更能合理地描述非胶结结构面的强度特征。从图4可以看出，当法向应力小于0.3 MPa(低法向应力)左右时，采用过原点的直线B拟合更符合试验点的分布趋势。因此，RCC层面的残余强度拟合关系如下：

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

(5)

3 剪切破坏面及试件的运动特征

3.1 剪切破坏面特征的量测与描述

试验完毕后，对剪切破坏面的特征进行详细描述，记录破坏形式、起伏情况、擦痕的分布、剪断面面积等信息。剪切破坏面的起伏粗糙程度对于确定强度参数非常重要。在本试验中，为了较精确地测定破坏面的起伏变化，自制了简便的表面轮廓测量仪，用于测量剪切破坏面上沿着剪切方向的起伏粗糙程度，并绘制了破坏面上沿剪切方向起伏曲线(图5)。从曲线上可以得到最大起伏差及最大起伏角等信息。

图5 破坏面上沿剪切方向起伏曲线

3.2 剪切破坏模式

RCC层间结合面的直剪试验最终破坏模式有以下几种：

(1)沿着层间结合面破坏；

(2)破坏面全部在混凝土内部出现；

(3)破坏面部分沿着层间结合面，部分在混凝土内部出现。

本次试验对150个试件破坏面出现的位置、破坏面上的最大起伏角度和最大起伏差进行了统计。可以看出，沿层间结合面破坏是剪切破坏的主要模式，全部沿RCC内部破坏的比例模式所占比例次之，破坏面部分沿着层间结合面、部分从RCC内部破坏的组合破坏所占比例最小。RCC层间结合面剪切破坏模式统计见图6。

图6 RCC层间结合面剪切破坏模式统计

3.3 破坏面形态特征统计分析

最大起伏角是破坏面上的测量剖面沿着剪切方向的最大仰角，是剪切过程中试件沿着局部爬坡的最大爬坡角；最大起伏差是破坏面上最高点和最低点之间的高差。这两个参数能反映破坏面上的粗糙起伏程度。

对在三种破坏模式下的最大起伏角与最大起伏差进行统计，在这三种破坏模式中，沿层面破坏的破坏模式，其破坏面上的最大起伏角和最大起伏差是三种模式中最小的；全部沿RCC内部破坏的破坏模式，其最大起伏角和最大起伏差是三种模式中最大的；部分沿层面、部分从RCC内部破坏的组合破坏模式，其最大起伏角和最大起伏差位于前两种模式之间。

根据美国陆军工程兵团水道试验站的文献，可从试验记录的试件剪切位移-法向位移关系曲线计算中得到试件在剪切过程中爬坡上升的仰角，该仰角近似等于剪切面上的最大起伏角，理论上用这两种方式得到的起伏角接近。

将测量起伏角与计算起伏角关系绘在图7中后可见，通过这两种方式得到的破坏面起伏角呈较好的线性相关趋势。用过原点的直线进行拟合，拟合线的相关系数接近于1，说明这两种方式得到反映破坏面上的最大起伏角是比较接近的。

图7 测量起伏角与计算起伏角关系

3.4 试件的运动特征

几乎所有试件在初始破坏后，法向位移都是增加的，这表明在初始破坏后的继续剪切过程中，试件一直在沿着一个斜面或多个局部斜面向上滑动，存在“爬坡”现象。这是因为在初始破坏后，层间结合面形成了一个贯通的破坏面。一般来说，破坏面是不平整的，呈现出高低起伏的形态。试件受剪继续向剪切方向运动的同时，会沿着破坏面上局部向上倾斜的地方上移，这种现象也称为“剪胀”现象。

试件在剪切过程中上移的绝对位移量值通过测量的法向位移来反映，法向位移和“爬坡角”的大小都与法向应力有关。图8、图9中统计了所有试件的最大法向位移与法向应力的关系和最大起伏角与法向应力的关系。从两图中可见，法向位移和最大“爬坡角”都有随着法向应力的增大而降低的趋势。该现象可这样解释：随着法向应力增大，破坏面上在低应力下没有被剪断的一些微凸体在高应力下被剪断，或者破坏面上一些局部突起在高应力下被磨平，就如Patton的试验一样，试件在高应力的作用下沿着更加平缓的斜面运动，因此，向上运动的趋势减弱，同时由于破坏面局部被磨平而导致“爬坡角”变小，法向位移～剪切位移曲线的初始段较陡而随后则较缓。总之，法向应力的增大抑制了试件“剪胀”的趋势。

图8 最大法向位移与法向应力的关系

图9 最大起伏角与法向应力的关系

4 结 论

(1)碾压混凝土层间结合面的剪切破坏特征大部分属于脆性破坏，残余值强度显著低于峰值强度。大多数层面的峰值强度内摩擦角都大于50°，黏聚力都大于1 MPa。少数间隔时间较长而又没有进行冲毛处理的层间结合面，剪切过程类似于平面摩擦，几乎不表现出黏聚力。

(2)由于层间间隔时间不同、层面处理方式不一和施工控制不完全一致等因素，导致剪切破坏面并不完全出现在层间结合面上，部分破坏面出现在RCC内部，部分同时出现在结合面和RCC内部，但结合面破坏仍然是主要的破坏模式，表明层间结合面仍然是坝体中的弱面。

(3)如Patton等人的试验结论所示，刚性结构面在低应力和高应力下的破坏模式是不同的，可以用双线性破坏包线来表示。本试验的残余强度参数相当于无胶结粗糙起伏结构面的抗剪参数，在不同的法向应力范围内，表现出了双线性的特点。

(4)试件发生初始的剪切破坏后，在继续剪切过程中，试件总是沿着局部的接触面滑动，这些接触面是一些斜面，试件在沿着剪切方向向前运动的同时，还沿着这些斜面向上运动，发生“剪胀”。法向应力越大，试件的法向位移和破坏面上的“爬坡角”越小。