王 莎，賈金生，任 權，張德全，楊會臣

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.大同市人民政府防汛抗旱指揮部辦公室，山西 大同 037000；3.大同市御河水利管理處，山西 大同 037000）

1 研究背景

膠凝砂礫石壩是一種斷面介于碾壓混凝土和堆石壩之間的新型壩［1］，其特點是利用天然河床骨料，無需對骨料進行加工，單位體積的膠凝材料用量大幅降低，符合“宜材適構”筑壩理念［2］。由于其造價較低，環(huán)境友好、斷面合理、地基適應性強，近年來在我國的壩工建設中得到了快速發(fā)展，國內(nèi)已建順江堰溢流壩、貓貓河山塘等永久工程及洪口等圍堰工程，在建的有61.6m高的守口堡大壩、33.0m高的金雞溝大壩等一批永久工程，但其試驗研究滯后于工程實際。

膠凝砂礫石壩采用碾壓工藝進行快速施工，碾壓層面處理工藝、層面的抗滑（剪）參數(shù)、層面的抗滑穩(wěn)定、抗?jié)B安全成為大壩設計的關鍵［3-4］。但目前膠凝砂礫石的層面抗剪試驗未見報道，基于此，本文開展了膠凝砂礫石層面室內(nèi)抗剪試驗及富漿膠凝砂礫石原位抗剪試驗，旨在提供層面抗剪的室內(nèi)參數(shù)和原位試驗參數(shù)，提出膠凝砂礫石層面的處理方式，對指導工程實踐具有重要意義。

2 室內(nèi)抗剪試驗

室內(nèi)試驗骨料采用守口堡工程壩址區(qū)壩基開挖砂礫料及上游1km范圍河床覆蓋層，剔除其中150mm以上粒徑，由于40mm以上大石偏少，且含泥較多，為克服上述缺點，本次試驗外摻25%道路開挖石，具體配合比參數(shù)詳見表1。

為了克服剪切荷載下膠凝砂礫石試塊的剪脹作用而導致的垂直壓應力變化，本次試驗采用中國水科院自主研發(fā)的WHY-500/1000型混凝土抗剪試驗儀，通過計算分析優(yōu)化剪斷過程中水平和垂直荷載的分布，實現(xiàn)了兩向荷載作用在同一斷面上，有效消除抗剪過程中的壓剪破壞現(xiàn)象，確保了試驗數(shù)據(jù)的可靠性。

表1 膠凝砂礫石配合比

試件尺寸均采用150mm立方體，分兩次成型，按配合比要求拌制膠凝砂礫石，取試件1/2高度所需膠凝砂礫石裝入試模［5］，放入養(yǎng)護室養(yǎng)護至要求的間隔時間后，取出試件，按要求進行層面處理，再成型上半部分，并養(yǎng)護至試件要求的齡期，即180d，試件制作數(shù)量為一組15個?？辜魯嘣囼灤怪毕驂毫鶠?.0MPa。

根據(jù)膠凝砂礫石的層間間隔時間及層面處理方式，本次試驗選取6種方案進行層面抗剪試驗，詳見表2。

表2 膠凝砂礫石碾壓層面室內(nèi)抗剪試驗方案

3 原位抗剪試驗

原位抗剪試驗是在守口堡大壩富漿膠凝砂礫石墊層處進行，墊層采用碾壓設備施工，分三層碾壓，分別為KJ1、KJ2、KJ3層，其中KJ1測點位于壩基右岸，KJ2、KJ3測點位于左岸，每層厚度約為30cm，層面處理方式為高壓水槍沖毛并鋪筑砂漿墊層，在碾壓后90d～100d對碾壓層面進行原位抗剪試驗［6］。材料配合比詳見表3，由表可知，富漿膠凝砂礫石的配合比與碾壓混凝土配合比相似，只是骨料級配不同。

表3 富漿膠凝砂礫石原位抗剪試驗配合比

每個試驗點包括5組試塊，試塊制取采用切割機安裝鋸片和磨片，根據(jù)試點的情況，先對膠凝砂礫石進行切取，然后人工使用簪子進行粗加工至預留的深度，再用切割機安裝鋸片和磨片對試點進行進一步的加工至預定的要求，在試塊的制備過程中，要避免試塊的擾動。每組試塊的尺寸為50 cm×50cm×50cm，試塊間的距離應大于試塊的邊長。

試驗最大垂直應力為1200kPa，剪切面積為2500cm2，試驗垂直應力分5級，每塊分別施加不同垂直應力為240、480、720、960、1200kPa。按預估最大剪切荷載分10級施加，直至試件被剪斷。本次試驗試件剪切方向為S8°E。

4 試驗結果分析

4.1 室內(nèi)試驗結果根據(jù)室內(nèi)試驗得到各方案下的抗剪斷參數(shù)均值和抗剪參數(shù)均值詳見表4。

表4 膠凝砂礫石層面室內(nèi)抗剪試驗結果

根據(jù)試驗結果可知，方案1由于在初凝時間內(nèi)澆筑上層膠凝砂礫石，因此在新舊層之間未形成冷縫，層面的內(nèi)摩擦角比有冷縫的方案2大10.2%，但由于未加墊層砂漿，黏聚力c′比方案2小50.3%，層面在水泥水化作用下繼續(xù)固化，摩擦角Φ′整體上比未進行冷縫處理的方案6增大7.0%，黏聚力c′增大9.3%。

根據(jù)方案3與方案4對比可知，摩擦角Φ′的大小取決于冷縫面鑿毛處理的程度，刮毛露出石子后摩擦角比方案3整體增大約22.2%。方案3與方案1相比，摩擦角Φ′雖偏低，但黏聚力明顯增大約2.15倍，這一點與未進行層面刮毛處理的方案2類似。

方案5的摩擦系數(shù)和粘聚力均大于方案6，冷縫處理后摩擦角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′，說明冷縫層面處理是增強膠凝砂礫石層間抗剪斷能力的有效措施。

綜上可知，膠凝砂礫石初凝時間內(nèi)直接澆筑上層材料，層面的摩擦角及黏聚力系數(shù)均滿足要求。終凝時間外澆筑上層材料，如果對縫面進行鑿毛處理，可顯著提高層面的內(nèi)摩擦角Φ′，鋪筑砂漿層則可顯著提高縫面的黏聚力c′值。因此，初凝時間內(nèi)連續(xù)澆筑、對冷縫進行層面處理并鋪筑砂漿是提高碾壓層面抗剪斷能力的有效措施。

4.2 原位試驗結果富漿膠凝砂礫石原位試驗剪開斷面，典型測點剪應力-位移關系曲線、剪應力-正應力關系曲線詳見圖1～圖7。為了對比分析三組試驗τ-s曲線間的關系，選取相同壓力（本次分析取1200kPa）下3個典型測點τ-s曲線繪圖，見圖8。

圖1 測點剪開剖面照片

圖2 KJ1點τ-s關系曲線

圖3 KJ1點τ-σ關系曲線

圖4 KJ2點τ-s關系曲線

圖5 KJ2點τ-σ關系曲線

圖6 KJ3點τ-s關系曲線

圖7 KJ3點τ-σ關系曲線

圖8 相同壓力作用下不同測點τ-s關關系曲線

與混凝土相比，連續(xù)加載情況下富漿膠凝砂礫石的τ-s曲線出現(xiàn)折角而不夠光滑。經(jīng)分析認為，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是層面附近骨料的影響，在剪切面附近存在著各種粒徑的骨料，隨著剪應力的增大，剪切面發(fā)生滑移，即產(chǎn)生了剪切位移s，當剪切位移s足夠大時，骨料與基材的黏結面處KⅡ＞KⅡC，此時骨料與基材接觸面開始開裂，開裂后的大骨料在剪裂面繼續(xù)滑移作用下發(fā)生轉動，尤其是當這些大骨料形狀規(guī)則，比較圓潤時，這相當于給剪裂面安上了“輪子”，導致剪切面附近的開裂變成滾動摩擦而不是滑動摩擦，剪切剛度發(fā)生突變，后一段的剪切變形變得容易，這是富漿膠凝砂礫石τ-s曲線不夠光滑的本質原因。

根據(jù)圖8可知，單軸壓力作用下不同測點的τ-s曲線直線段均較短，說明較小的剪應力作用下，富漿膠凝砂礫石碾壓層面即開始發(fā)生剪切破壞，但仍能繼續(xù)承載。偏離直線段后，曲線逐漸變緩，剪切剛度Ka值逐漸減小，試塊剪裂變形逐漸加速。發(fā)生剪切破壞時的最大剪應力τKJ2＞τKJ1＞τKJ3，這是層面的物理形態(tài)不同引起的，從圖1剪開斷面的物理形態(tài)可知，KJ1剪斷面周圍的骨料離析較嚴重，KJ2為水泥砂漿層面，較為平整，KJ3剪斷面周圍骨料較圓潤，且試驗點高程最低，層面被水浸潤，水的存在弱化了層面的抗剪斷能力，因此KJ3最容易斷裂，其次是KJ1，KJ2由于剪切面為砂漿墊層，增強了層面的抗剪斷能力，但剪切面砂漿平整，層面粘接仍較弱。因此可知，在相同的配合比情況下，富漿膠凝砂礫石碾壓層面的抗剪能力取決于其材料的均勻性和密實性，骨料離析或被水浸潤的情況會降低層面抗剪能力，層間鋪筑砂漿層有助提高富漿膠凝砂礫石抗剪斷能力。

富漿膠凝砂礫石原位抗剪試驗結果詳見表5，由表可知，KJ3試塊的內(nèi)摩擦角及黏聚力均值小于KJ1和KJ2試塊，這與上文中的分析結果相一致。富漿膠凝砂礫石的層面抗剪斷參數(shù)與材料的均勻性、密實度、層面處理、骨料形態(tài)、是否被水浸潤等因素均有關系。

表5 墊層C10富漿膠凝砂礫石原位抗剪試驗結果

4.3 結果對比

4.3.1 原位與室內(nèi)結果對比 將原位試驗與室內(nèi)試驗結果對比，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)試驗所獲內(nèi)摩擦角值為原位試驗的1.9倍，黏聚力值約為原位試驗的3.8倍。原位試驗內(nèi)摩擦角及黏聚力均小于室內(nèi)試驗，分析主要是以下幾個原因造成的：（1）尺寸效應?，F(xiàn)場試驗的試塊尺寸大于室內(nèi)試驗，且骨料采用全級配，室內(nèi)試驗采用濕篩二級配，試件及骨料的尺寸效應產(chǎn)生的“模壁效應”［7-8］，導致室內(nèi)試驗結果與現(xiàn)場不同；（2）由于局部骨料的離析導致材料不密實，以及砂漿墊層料效果欠佳，粘接面薄弱造成的；（3）齡期影響?，F(xiàn)場試驗時，富漿膠凝砂礫石的養(yǎng)護時間小于室內(nèi)試驗；（4）現(xiàn)場施工條件及質量控制。施工現(xiàn)場的溫度、濕度、風速及施工層面的處理工藝等，都會影響到原位試驗的結果。

膠凝砂礫石層面抗剪原位試驗與室內(nèi)試驗結果的轉換關系可表示如下：

其中，λ、α為室內(nèi)試驗摩擦角和黏聚力修正系數(shù)；φc、C′為室內(nèi)試驗所獲內(nèi)摩擦角與粘聚力。

具體的修正系數(shù)需要根據(jù)相同配比、齡期、養(yǎng)護條件的室內(nèi)抗剪試驗與原位抗剪試驗結果確定。根據(jù)本次試驗，λ取0.5～0.6，α取0.25～0.30。

4.3.2 原位與RCC結果對比 富漿膠凝砂礫石與國內(nèi)部分碾壓混凝土施工層面原位抗剪斷參數(shù)詳見表6［9-10］，由表可知，富漿膠凝砂礫石的原位抗剪斷參數(shù)明顯小于碾壓混凝土。根據(jù)守口堡大壩富漿膠凝砂礫石層面原位抗剪試驗可知，富漿膠凝砂礫石層面摩擦系數(shù)約為0.53～0.58之間，黏聚力介于0.48～0.51MPa，碾壓混凝土層面摩擦系數(shù)約為0.92～1.70之間，黏聚力介于1.17～2.28（MPa）之間。

富漿膠凝砂礫石本體及層面、碾壓混凝土層面的τ-s曲線如圖9所示，從圖中可知，富漿膠凝砂礫石層面的峰值τmax和剪切剛度Ka小于碾壓混凝土層面，富漿膠凝砂礫石材料配比與碾壓混凝土相當，造成該現(xiàn)象的主要原因是富漿膠凝砂礫石大骨料粒徑遠大于碾壓混凝土，卸料時比碾壓混凝土更容易產(chǎn)生骨料離析，從而導致層間碾壓不密實。膠凝材料在硬化過程中體積收縮，產(chǎn)生了諸多微裂縫，加之離析作用導致碾壓不密實，導致在剪切過程中，微裂縫繼續(xù)迅速發(fā)展，裂縫之間開始相互貫通，產(chǎn)生剪切變形，因此富漿膠凝砂礫石隨著剪切力的增大，剪切位移增大速度大于碾壓混凝土，即剪切剛度Ka小于碾壓混凝土。而碾壓混凝土由于骨料粒徑較小，分布均勻，骨料離析較輕，骨料與砂漿之間粘結較強，層間抗剪強度較富漿膠凝砂礫石層面高。

表6 國內(nèi)部分工程碾壓層（縫）面抗剪斷參數(shù)

圖9 不同材料τ-s曲線

5 結論

本文開展了膠凝砂礫石室內(nèi)層面剪切試驗與富漿膠凝砂礫石層面原位剪切試驗，根據(jù)試驗結果分析了剪切斷裂的機理及破壞準則，得到如下結論：（1）膠凝砂礫石初凝時間內(nèi)澆筑上層材料，即使兩層之間未鋪筑水泥砂漿，層面的摩擦角及黏聚力系數(shù)均滿足要求。終凝時間外澆筑上層材料，如果對縫面進行鑿毛處理，或鋪筑砂漿，均可使層面的黏聚力增大約1倍，內(nèi)摩擦角增大約8%～9%。初凝時間內(nèi)澆筑、冷縫鑿毛、鋪筑砂漿是三種提高碾壓層面抗剪斷能力的有效措施。（2）受施工質量、尺寸效應、齡期等的影響，富漿膠凝砂礫石的原位抗剪斷試驗結果值小于膠凝砂礫石室內(nèi)抗剪斷試驗，原位試驗所獲內(nèi)摩擦角約為室內(nèi)試驗值的52.7%，黏聚力值約為室內(nèi)試驗值的26.2%。根據(jù)原位抗剪試驗結果，綜合考慮配比、尺寸效應、施工質量等因素，建議對本次室內(nèi)150mm立方體試件的抗剪試驗結果進行修正，內(nèi)摩擦角修正系數(shù)取0.5～0.6左右，黏聚力修正系數(shù)取0.25～0.30左右。同時建議加強施工質量管理，保障現(xiàn)場施工的質量。（3）富漿膠凝砂礫石剪切過程中，隨著剪切位移的產(chǎn)生，骨料脫離膠凝材料，可能產(chǎn)生滾動摩擦，導致層面的抗剪斷能力迅速降低，反應在τ-s曲線上則為曲線斜率突變，即剪切剛度Ka發(fā)生突變。同時通過對比分析，得到了不同材料的τ-s曲線。（4）富漿膠凝砂礫石層面原位抗剪試驗所得的Φ′值和c′小于本體和碾壓混凝土層面的抗剪參數(shù)，本質原因是局部材料不密實、砂漿粘接面薄弱。層面的抗剪斷參數(shù)與材料的均勻性、密實度、層面處理、骨料形態(tài)、是否被水浸潤等因素均有關系。