林懿翀，王 榮*，史江偉

(1.中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027；2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210024)

目前，我國(guó)有多座250 m 甚至300 m 級(jí)的超高土石壩在設(shè)計(jì)或施工中?；炷练罎B墻是深厚覆蓋層地基土石壩防滲處理的有效措施。然而，壩體填筑期和蓄水期間，防滲墻受力極其復(fù)雜，準(zhǔn)確計(jì)算混凝土防滲墻的變形和應(yīng)力是土石壩工程亟待解決的問(wèn)題。有限元數(shù)值模擬具有考慮防滲墻-土體相互作用、模擬壩體施工全過(guò)程和不同材料分區(qū)等優(yōu)點(diǎn)，數(shù)值計(jì)算廣泛用于高土石壩的變形和應(yīng)力分析[1-2]。通過(guò)開(kāi)展有限元數(shù)值分析，黃華新等[3]研究了覆蓋層及防滲墻物理力學(xué)參數(shù)對(duì)心墻壩應(yīng)力變形的參數(shù)分析。但是，數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于土體模型參數(shù)、土-結(jié)構(gòu)接觸面參數(shù)等[4-5]。室內(nèi)模型試驗(yàn)具有模擬復(fù)雜邊界條件和荷載條件的優(yōu)勢(shì)，被眾多學(xué)者用于研究混凝土防滲墻變形分析。陳慧遠(yuǎn)[6]基于模型槽試驗(yàn)，建立了防滲墻土壓力的計(jì)算公式，發(fā)現(xiàn)普通混凝土防滲墻能夠滿足數(shù)十米深覆蓋層防滲墻的強(qiáng)度要求。通過(guò)開(kāi)展混凝土防滲墻接頭的大比尺模型試驗(yàn)，朱俊高等[7]研究了防滲墻接頭方式和插入方式對(duì)應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)軟接頭方式可以降低墻內(nèi)應(yīng)力。任海軍和高元太[8]對(duì)防滲墻成槽施工工藝和泥漿配合比技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，成功降低了深厚覆蓋層的防滲墻應(yīng)力集中現(xiàn)象。徐建國(guó)等[9]研究了高聚物防滲墻在土石壩防滲加固工程中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)忽視滲流-應(yīng)力耦合作用導(dǎo)致壩體位移和應(yīng)力偏小。另有一些學(xué)者[10-11]采用模型槽試驗(yàn)，研究混凝土心墻底部接頭形式對(duì)大壩變形的影響。以前學(xué)者大都開(kāi)展有限元數(shù)值模擬研究防滲墻的變形機(jī)理，而本文通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，研究防滲墻墻底接觸剛度和墻-土接觸面屬性對(duì)防滲墻變形的影響。實(shí)測(cè)結(jié)果不僅是對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的補(bǔ)充，更可用于驗(yàn)證有限元數(shù)值模擬結(jié)果。

1 室內(nèi)模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

圖1為試驗(yàn)所采用的三維矩形剛性模型槽，其尺寸為80 cm×40 cm×120 cm(長(zhǎng)×寬×高)，鋼材厚度為5 mm。為了模擬混凝土防滲墻頂部荷載，采用2臺(tái)20 t油壓千斤頂施加豎向荷載。加壓板為2 cm厚鋼板，加載范圍為40 cm×80 cm。通過(guò)加壓鋼板，將千斤頂施加的軸向力轉(zhuǎn)為均布荷載。每次試驗(yàn)分7級(jí)加載，荷載施加后維持20 min，加下一級(jí)荷載。模型箱表面的豎向荷載分別為160、320、480、640、800、960和1 120 kPa。在模型箱內(nèi)部涂抹凡士林，以降低土樣與模型箱內(nèi)部的摩擦力。

圖1 三維模型槽示意圖 (單位:cm)Fig.1 Schematic view of three-dimensional model container 2-a 剛性接觸2-b 柔性接觸圖2 模型槽試驗(yàn)立面圖Fig.2 Elevation view of physical model test

表1 模型試驗(yàn)方案Tab.1 Testing program

為了研究防滲墻墻底剛度和墻-土接觸面屬性對(duì)混凝土防滲墻的變形影響，共進(jìn)行4種工況的大尺寸室內(nèi)模型槽試驗(yàn)，見(jiàn)表1。工況1和2重點(diǎn)研究防滲墻底部剛度對(duì)應(yīng)力變形的影響。工況1模擬混凝土成墻時(shí)底部存在“殘?jiān)?，“殘?jiān)北硎痉罎B墻底距離模型槽底板10 cm，之間填有覆蓋層料(軟接觸)；工況2中的混凝土防滲墻與鋼板接觸，即剛性接觸(見(jiàn)圖2)。為了確保墻底有無(wú)殘?jiān)脑囼?yàn)結(jié)果具有可比性，墻底有殘?jiān)哪Ｐ驮囼?yàn)將覆蓋層和高塑性土整體抬升10 cm。對(duì)于墻底有、無(wú)殘?jiān)哪Ｐ驮囼?yàn)，覆蓋層土和高塑性土厚度一致。為了模擬墻底接觸的兩種極限狀態(tài)，墻底無(wú)殘?jiān)姆罎B墻直接坐落在模型箱底部；墻底有殘?jiān)姆罎B墻坐落在黏土表面。為了研究墻-土接觸面的影響，設(shè)置2種泥皮的布置方式。工況3調(diào)制含水率為30%的黏土，直接涂抹在混凝土防滲墻表面；工況4配置一定含水率的膨潤(rùn)土，用塑料袋封裝，并壓制成0.5～1 cm的薄餅，連同塑料袋放置于防滲墻與填土之間。

1.2 試驗(yàn)材料

模型試驗(yàn)采用雙江口堆石料模擬厚覆蓋層，土料的密度為2.2 g/cm3，相對(duì)密度為0.9。覆蓋層料上部為高塑性黏土，試驗(yàn)采用的高塑性黏土干密度為1.71 g/cm3，含水率為最優(yōu)含水率，即10%。混凝土防滲墻的長(zhǎng)、寬和高分別為40 cm、5 cm和65 cm。此混凝土防滲墻采用強(qiáng)度等級(jí)為M5砂漿制備。為了達(dá)到此強(qiáng)度，砂漿水泥用量為230 kg/m3，砂漿用水量為330 kg/m3。防滲墻澆筑完畢后，在室溫條件下養(yǎng)護(hù)28 d。采用同樣方法制作混凝土試塊，測(cè)定的混凝土防滲墻的彈性模量為7.2 GPa。

圖3 應(yīng)變片布置圖Fig.3 Installation of strain gauge

1.3 傳感器

試驗(yàn)采用1/4橋補(bǔ)償片測(cè)量混凝土墻的應(yīng)變。首先，在防滲墻上需要貼應(yīng)變片的位置用粗砂紙磨平。然后，用502膠將應(yīng)變片粘貼在相應(yīng)位置。再次，連接應(yīng)變片導(dǎo)線，用萬(wàn)用表測(cè)量應(yīng)變片及導(dǎo)線連接是否正常。最后，在應(yīng)變片及接線端涂抹硅膠，防止試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變片發(fā)生破壞。本次試驗(yàn)沿防滲墻中軸線方向豎向布置應(yīng)變片，間隔為15 cm，防滲墻雙面均布置應(yīng)變片，如圖3所示。試驗(yàn)加荷過(guò)程中，采用百分表測(cè)量模型槽表面加壓蓋板沉降。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 防滲墻底剛度影響

圖4為不同墻底接觸剛度下模型槽頂部沉降。由于防滲墻埋在土體中，不易于直接測(cè)量防滲墻沉降。因此，在剛性加壓鋼板頂部安裝了百分表測(cè)量了整個(gè)模型的變形量。因此，文中沉降包括防滲墻頂部覆蓋層沉降和防滲墻本身沉降。每個(gè)試驗(yàn)的覆蓋層厚度一致，相同壓力下的覆蓋層壓縮量可認(rèn)為是一致的，各試驗(yàn)的防滲墻沉降便可直接比較。模型槽表面沉降大意味著防滲墻頂部沉降也大。發(fā)現(xiàn)隨著上部豎向荷載的增加，土體和防滲墻逐步被壓縮，因此，底部殘?jiān)蛣傂怨r的防滲墻沉降均隨荷載的增加而增加。底部為柔性接觸(工況1)的防滲墻沉降量明顯大于剛性接觸(工況2)的防滲墻沉降。當(dāng)豎向荷載為1 120 kPa時(shí)，工況2(剛性接觸)的沉降量?jī)H為工況1(柔性接觸)沉降量的87%，表明底部殘?jiān)冃卧黾恿朔罎B墻的沉降。

圖4 不同墻底剛性接觸的防滲墻沉降變形Fig.4 Influence of contact stiffness on settlement of concrete wall5-a 柔性接觸(殘?jiān)?工況15-b 剛性接觸工況2圖5 不同墻底剛性接觸的防滲墻應(yīng)變Fig.5 Influence of contact stiffness on compressive strain of concrete wall

圖5為墻底不同剛性接觸的防滲墻應(yīng)變。上部豎向荷載導(dǎo)致墻身被壓縮，產(chǎn)生壓應(yīng)變，最大壓應(yīng)變均位于1/2墻高處。對(duì)于工況1，防滲墻頂部和底部為高塑性黏土和堆石料，其剛度遠(yuǎn)小于混凝土防滲墻。因此，墻頂和墻底均能刺入土體，墻頂和墻底的應(yīng)變較接近。對(duì)于工況2，墻底部為鋼板，不能發(fā)生刺入，墻底的壓應(yīng)變明顯大于墻頂?shù)膽?yīng)變，工況2的壓應(yīng)變是工況1的1.44倍。雖然防滲墻底部殘?jiān)拇嬖谀芙档蛪ι響?yīng)變，但應(yīng)變的降低是以犧牲防滲墻沉降為代價(jià)的。

2.2 接觸面對(duì)防滲墻變形的影響

圖6為不同接觸面泥皮下模型槽頂部的沉降。采用未包裹的黏土做泥皮后，模型槽頂部的沉降比不考慮泥皮的工況(工況1)大25%。頂部變形大同樣也意味著防滲墻頂部沉降也大。這主要是因?yàn)槲窗酿ね聊嗥ぶ兴忠子诒环罎B墻和覆蓋層石料吸走，從而導(dǎo)致泥皮與防滲墻體緊緊貼合在一起，產(chǎn)生吸力，且平面不平整。防滲墻周邊土體下沉?xí)r，產(chǎn)生更大的負(fù)摩阻力，進(jìn)而引起更大的壓縮變形。采用包裹的膨潤(rùn)土做泥皮后，防滲墻的沉降明顯降低(比黏土泥皮的工況小25%)，且小于沒(méi)有泥皮的工況(工況1)。因此，采用膨潤(rùn)土做混凝土防滲墻能夠顯著降低上部荷載引起的墻體沉降。

圖7為不同泥皮下防滲墻的應(yīng)變。采用未包裹的黏土做泥皮，并不能改變防滲墻應(yīng)變的分布形式，最大壓應(yīng)變依然位于1/2墻高處。防滲墻的壓應(yīng)變比不考慮泥皮的工況(工況1)大16%，這與防滲墻的沉降一致的。若采用膨潤(rùn)土做防滲墻泥皮，墻體的壓應(yīng)變明顯降低，最大壓應(yīng)變位于防滲墻頂部和底部。相比于不考慮泥皮(工況1)、采用未包裹的黏性土做泥皮(工況2)，工況4的最大壓應(yīng)變分別降低了44%和52%。這主要是因?yàn)椴捎门驖?rùn)土泥皮后，防滲墻頂部的沉降變形變小(圖6)。由于防滲墻底部均為剛性接觸，墻頂部沉降小意味著防滲墻壓縮變形，應(yīng)變也相應(yīng)較小。

圖6 不同接觸面泥皮對(duì)防滲墻沉降的影響Fig.6 Influence of wall-soil interface properties on settlement of concrete wall7-a 黏土泥皮工況37-b 膨潤(rùn)土泥皮工況4圖7 不同接觸面泥皮對(duì)防滲墻應(yīng)變的影響Fig.7 Influence of wall-soil interface properties on compressive strain of concrete wall

3 結(jié)論

通過(guò)室內(nèi)大尺寸模型試驗(yàn)，研究防滲墻墻底接觸剛度和墻-土接觸面屬性對(duì)混凝土防滲墻變形的影響，得到結(jié)論如下：

(1)若防滲墻底部留有殘?jiān)?，防滲墻沉降量明顯大于底部為剛性的防滲墻。無(wú)論墻底柔性還是剛性接觸，防滲墻的最大壓應(yīng)變均位于1/2墻高處。剛性接觸的防滲墻身的壓應(yīng)變是柔性接觸的1.44倍。

(2)采用未包裹的黏土做泥皮后，防滲墻的沉降和壓應(yīng)變反而大于不考慮泥皮的工況。然而，采用膨潤(rùn)土做泥皮后，防滲墻的沉降明顯降低。因此，采用膨潤(rùn)土做混凝土防滲墻能夠顯著降低上部荷載引起的墻體沉降。

(3)采用膨潤(rùn)土做防滲墻泥皮，墻體的壓應(yīng)變明顯降低，最大壓應(yīng)變位于防滲墻頂部和底部。相比于不考慮泥皮和采用未包裹的黏性土做泥皮，膨脹土泥皮防滲墻的最大壓應(yīng)變降低了44%。