瀝青混凝土水力劈裂及裂縫淤堵試驗(yàn)研究

佘 嬌

（三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

瀝青混合料是由瀝青、骨料和填料按比例配合，經(jīng)過加熱拌制而成，瀝青混合料經(jīng)壓密而成瀝青混凝土.由于瀝青混凝土自身具有較強(qiáng)適應(yīng)地基變形的能力和良好的不透水性，因此在土石壩心墻方面的應(yīng)用很廣泛.隨著水電建設(shè)向西南發(fā)展，土石壩正逐漸向高300m級發(fā)展，但在高瀝青混凝土壩的建設(shè)中，瀝青混凝土心墻面臨著水力劈裂等問題.判斷心墻在蓄水條件下是否發(fā)生水力劈裂，將直接關(guān)系到大壩能否安全運(yùn)行［1］.

20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外學(xué)者［2－6］對防滲土體水力劈裂的問題已進(jìn)行了深入研究，并取得了重要的成果.對于土石壩瀝青混凝土心墻防滲結(jié)構(gòu)水力劈裂的機(jī)理與產(chǎn)生條件，研究成果甚為稀少.一般認(rèn)為心墻的水力劈裂壓力與心墻土體的飽和度、固結(jié)度有關(guān).現(xiàn)場劈裂壓力值有確定的界限，上限和下限分別由飽和固結(jié)和飽和非固結(jié)水力劈裂試驗(yàn)得到，提高心墻與壩殼泊松比都有利于心墻防止水力劈裂，壩殼與心墻的彈性模量比越大，心墻越易產(chǎn)生水力劈裂.《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定當(dāng)Ui＞σmin＋｜σt｜（Ui為內(nèi)水壓，σmin為土體中某點(diǎn)的最小主應(yīng)力，σt為土體抗拉強(qiáng)度極限）即可能產(chǎn)生水力劈裂.本文針對水力劈裂這一熱點(diǎn)問題，利用瀝青混凝土試件，分別采取厚壁空心圓柱體試件和圓形平板試件進(jìn)行水力劈裂試驗(yàn)，研究其水力劈裂條件，將結(jié)構(gòu)效應(yīng)不同的試件產(chǎn)生的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，并在圓形平板試件的基礎(chǔ)上進(jìn)行裂縫淤堵試驗(yàn)，研究用泥漿淤堵裂縫的效果.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 厚壁空心圓柱體試件成型及試驗(yàn)方法

厚壁空心圓柱體式樣的水力劈裂試驗(yàn)［7］所用的試件，是按瀝青混凝土三軸試驗(yàn)試樣尺寸成型試樣，直徑為100mm，高度為200mm，每組試樣不少于4個.控制一組試樣間的密度之差不大于0.01g／cm3.待試樣在規(guī)定的溫度下養(yǎng)護(hù)48h后，在試樣的一端中心處采用立鉆鉆孔，孔徑不小于20mm，孔深為160mm，形成空芯試件；用環(huán)氧樹脂或加溫的瀝青將試件粘接在三軸剪力儀的底盤上，按類似三軸剪切試驗(yàn)或無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的方法進(jìn)行.先從儀器底盤上的底孔向粘接在三軸剪力儀上試樣的孔洞中充水排出空氣，待孔洞中空氣排盡并被水充滿后，關(guān)閉底孔閥門.

試驗(yàn)開始時先開啟連接試樣的排水閥門，緩慢地對瀝青混凝土試樣施加豎向壓力，當(dāng)試樣軸向變形達(dá)0.8%時，停止增加豎向壓力并維持該壓力；然后分級同時向?yàn)r青混凝土試件的空芯腔體施加內(nèi)水壓力和周圍壓力，隨時監(jiān)測排水管，觀察是否有氣、水排出；待內(nèi)水壓力和周圍壓力達(dá)到1.2MPa后，停止增加內(nèi)外水壓力.觀察一段時間，若無氣、水排出，則采取維持內(nèi)水壓力不變而逐步減小周圍壓力或同時減小周圍壓力和內(nèi)水壓力到某一壓力，然后再逐步施加內(nèi)水壓力，當(dāng)試件內(nèi)水壓力與周圍壓力的壓差達(dá)到一定量后，就可能產(chǎn)生水力劈裂.瀝青混凝土圓形平板試件水力劈裂裝置照片如圖1所示.

圖1 試樣水力劈裂前軸向受力

1.2 圓形平板試件成型及試驗(yàn)方法

圓形平板試件水力劈裂試驗(yàn)［8］是將瀝青混凝土板放置于上下兩腔體之間，并用法蘭盤來止水.上部帶法蘭盤的圓形腔體可施加水壓力，下部圓形腔體底部帶可調(diào)節(jié)底板，頂部帶法蘭盤.試驗(yàn)時下部腔體填充砂礫石過渡料；上下部兩個圓形腔體的直徑均為300mm.圓形板式瀝青混凝土試件被螺絲固定在上、下兩個腔體之間；上部腔體與瀝青混凝土板之間用密封圈密封，試驗(yàn)時逐級向上腔體內(nèi)施加壓力，觀察下部腔體滲水量的變化.根據(jù)滲水量的變化情況判斷在該級水壓條件下是否產(chǎn)生了水力劈裂現(xiàn)象.試驗(yàn)裝置如圖2所示.

圖2 圓形平板試件水力劈裂試驗(yàn)裝置（單位：mm）

試驗(yàn)開始時，在上腔體中逐級施加水壓力，每級壓力增量為0.2MPa，并穩(wěn)壓45min，觀察下腔體的滲水情況，至上腔體壓力達(dá)1.0MPa，下腔體仍無滲水情況發(fā)生，這就說明瀝青混凝土板在上腔體壓力達(dá)1.0MPa時未發(fā)生水力劈裂現(xiàn)象.在1.0MPa水壓力作用下未見水力劈裂條件下，逐步調(diào)整下部腔體的底板，使得瀝青混凝土板隨砂礫石過渡料一起產(chǎn)生變形，同時觀察下部腔體滲水量的變化，直至瀝青混凝土板破壞、水量大增為止.

1.3 瀝青混凝土裂縫淤堵試驗(yàn)方法

瀝青混凝土裂縫淤堵試驗(yàn)是在混凝土板水力劈裂試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的.試驗(yàn)方法與瀝青混凝土板水力劈裂試驗(yàn)類似.不同的是，為了進(jìn)行裂縫淤堵試驗(yàn)，試驗(yàn)前先在一塊厚60mm的瀝青混凝土板的中部切割一條長100mm、寬4mm的縫；另外增加一個施加泥漿壓力的裝置.

開始試驗(yàn)時，先用粘土將裂縫封住，以保證在施加水壓力之前，上部加壓腔體內(nèi)的水不會漏出.試驗(yàn)時，先將上部加壓腔體逐步施加水壓力，同時觀察底部出水量的變化；待底部有較大的出水量，瀝青混凝土形成了一定程度的裂縫時，停止施加水壓力而改加與水壓力同樣大小的泥漿壓力，連續(xù)觀測水量的變化；以判斷用泥漿淤堵裂縫的效果.

試驗(yàn)用的泥漿是用膨潤土和水?dāng)嚢瓒傻?，泥漿比重為1.304，試驗(yàn)后測量泥漿淤堵縫長約為3cm，瀝青混凝土板的過渡料表層有約2mm厚的一層泥漿層.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 厚壁空心圓柱體試件試驗(yàn)結(jié)果分析

假設(shè)試件為弱透水性，則當(dāng)外壓力作用于試樣時，可用拉密公式計算試件的內(nèi)力：

式中，a為空心圓柱的內(nèi)徑，b為空心圓柱的外徑，pi為空心圓柱的外壓力，p0為空心圓柱的內(nèi)壓力.

當(dāng)σt＝σθ時，試件破壞，則

式中，σt為抗拉強(qiáng)度.

根據(jù)空心圓柱試驗(yàn)所得破壞時的內(nèi)外壓力差即可求抗拉強(qiáng)度.

選用了4組擊實(shí)的瀝青混凝土試件，進(jìn)行了厚壁空心圓柱劈裂試驗(yàn).試驗(yàn)的密度為2.39～2.43t／m3，試驗(yàn)成果見表1.

表1 厚壁空心圓柱劈裂試驗(yàn)成果

1）在無側(cè)限情況下，當(dāng)內(nèi)孔壓力為0.15MPa，瀝青混凝土試件基本未產(chǎn)生變形；當(dāng)內(nèi)孔壓力為0.2 MPa，隨作用時間的增長，瀝青混凝土試件徑向變形逐漸增大，徑向變形達(dá)0.7%時仍未產(chǎn)生水力劈裂，徑向變形達(dá)到1.1%時，產(chǎn)生水力劈裂，破壞內(nèi)外水壓力差為0.2MPa，按式（3）換算σt約為0.2MPa.

2）在有側(cè)限的情況下，試件在經(jīng)過0.8%的豎向剪切變形后，施加0.3MPa的內(nèi)外水壓力，試件沒有出現(xiàn)水力劈裂現(xiàn)象，產(chǎn)生水力劈裂破壞內(nèi)外水壓力差可達(dá)0.4MPa，這與按式（3）換算的值約為0.4，幾乎一致.

3）厚壁空心圓柱劈裂試驗(yàn)與心墻壩水力劈裂判別準(zhǔn)則的受力狀態(tài)不完全一致，試驗(yàn)成果反映了徑向劈裂問題.無論是在有側(cè)限還是無側(cè)限條件下，試樣都是在內(nèi)外水壓存在壓差的情況下，并產(chǎn)生徑向變形后才產(chǎn)生水力劈裂.

2.2 圓形平板試件試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)成果見表2［7］.

表2 瀝青混凝土平板試件水力劈裂試驗(yàn)成果表

試驗(yàn)成果表明，圓形板試件承受1.0MPa的水壓力，瀝青混凝土板未發(fā)生水力劈裂現(xiàn)象.在承受1.0 MPa的水壓力的條件下，瀝青混凝土板的厚度分別為25mm、40mm、60mm，瀝青混凝土板發(fā)生周邊受到約束而被拉裂破壞時，底部變形量分別為7mm、9.3mm、11mm，破壞時發(fā)生的剪切變形率達(dá)18%.

2.3 瀝青混凝土裂縫淤堵試驗(yàn)

瀝青混凝土裂縫淤堵試驗(yàn)成果表見表3.

表3 瀝青混凝土裂縫淤堵試驗(yàn)成果表

由試驗(yàn)結(jié)果可以得出：用膨潤土和水?dāng)嚢瓒傻哪酀{充填瀝青混凝土的裂縫效果非常明顯，由水壓力改為泥漿壓力3～5min，出水量約為水壓力的15%，8～10min，約為施加水壓力時的1%，13～15min，裂縫基本被封堵.

3 結(jié) 論

本次試驗(yàn)根據(jù)室內(nèi)瀝青混凝土試件，分別采取圓柱體和圓形板式式樣，研究其水力劈裂的條件，并且在圓形平板試件的基礎(chǔ)上進(jìn)行瀝青混凝土裂縫淤堵試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）厚壁空心圓柱劈裂試驗(yàn)表明：無論是有側(cè)限還是在無側(cè)限條件下，瀝青混凝土試件都是在內(nèi)外水壓存在壓差的情況下，并產(chǎn)生一定的徑向變形后才發(fā)生徑向水力劈裂，均產(chǎn)生徑向水力劈裂.徑向拉伸應(yīng)力達(dá)200kPa以上，徑向變形需達(dá)1%左右.

2）平板試件劈裂試驗(yàn)表明：過渡料正常壓密條件下，厚度在25mm以上的瀝青混凝土板承受1 000 kPa的水壓力不會產(chǎn)生水力劈裂；在1 000kPa的水壓力作用下，瀝青混凝土的剪切變形率達(dá)18%時，才在周邊發(fā)生水力劈裂破壞.

3）從分別利用厚壁空心圓柱和平板這兩種不同結(jié)構(gòu)效應(yīng)的試件進(jìn)行水力劈裂試驗(yàn)的結(jié)果來看，劈裂壓力與瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度以及軸向應(yīng)力并不成正比.這表明，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》使用的判別土石壩發(fā)生水力劈裂的經(jīng)驗(yàn)公式Uif＜σ1＋T，（其中Uif是臨界水壓力，σ1是心墻所受的小主應(yīng)力，T是瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度），并不適用于瀝青混凝土心墻.

4）采用比重為1.034的膨潤土泥漿，在100kPa的壓力下，結(jié)合過渡料有較好的堵縫效果.

［1］ 王為標(biāo).土石壩瀝青防滲技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2004，23（6）：70－71.

［2］ 介玉新，李廣信.加筋土數(shù)值計算的等效附加應(yīng)力法［J］.巖土工程學(xué)報.1999，21（5）：614－616.

［3］ 介玉新，王乃東，李廣信.加筋土計算中等效附加應(yīng)力法的改進(jìn)［J］.巖土力學(xué).2007，S28：129－132.

［4］ 介玉新.加筋高邊坡及計算方法［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2010，18（Sup）：263－267.

［5］ 王清友，孫萬功，熊歡.塑性混凝土防滲墻［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［6］ 張丙印，李娜，李全明，等.土石壩水力劈裂發(fā)生機(jī)理及模型試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報，2005，27（11）：1277－1281.

［7］ 魯 超.土石壩瀝青混凝土壩心墻水力劈裂研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2010：32－33.

［8］ 朱 晨，魏匡民，饒錫保.土石壩瀝青混凝土心墻水力劈裂研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2013，32（1）：218.

［9］ 李廣信.高等土力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.