豎向荷載作用下厚覆蓋層防滲墻豎向變形模型試驗研究

林懿翀，王 榮*，史江偉

(1.中國港灣工程有限責(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實驗室，南京 210024)

目前，我國有多座250 m 甚至300 m 級的超高土石壩在設(shè)計或施工中?；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、模擬壩體施工全過程和不同材料分區(qū)等優(yōu)點，數(shù)值計算廣泛用于高土石壩的變形和應(yīng)力分析[1-2]。通過開展有限元數(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)對心墻壩應(yīng)力變形的參數(shù)分析。但是，數(shù)值計算結(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)模型試驗具有模擬復(fù)雜邊界條件和荷載條件的優(yōu)勢，被眾多學(xué)者用于研究混凝土防滲墻變形分析。陳慧遠[6]基于模型槽試驗，建立了防滲墻土壓力的計算公式，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度要求。通過開展混凝土防滲墻接頭的大比尺模型試驗，朱俊高等[7]研究了防滲墻接頭方式和插入方式對應(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]對防滲墻成槽施工工藝和泥漿配合比技術(shù)進行改進，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，研究混凝土心墻底部接頭形式對大壩變形的影響。以前學(xué)者大都開展有限元數(shù)值模擬研究防滲墻的變形機理，而本文通過開展室內(nèi)物理模型試驗，研究防滲墻墻底接觸剛度和墻-土接觸面屬性對防滲墻變形的影響。實測結(jié)果不僅是對數(shù)值模擬結(jié)果的補充，更可用于驗證有限元數(shù)值模擬結(jié)果。

1 室內(nèi)模型試驗

1.1 試驗方案

圖1為試驗所采用的三維矩形剛性模型槽，其尺寸為80 cm×40 cm×120 cm(長×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。每次試驗分7級加載，荷載施加后維持20 min，加下一級荷載。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 模型槽試驗立面圖Fig.2 Elevation view of physical model test

表1 模型試驗方案Tab.1 Testing program

為了研究防滲墻墻底剛度和墻-土接觸面屬性對混凝土防滲墻的變形影響，共進行4種工況的大尺寸室內(nèi)模型槽試驗，見表1。工況1和2重點研究防滲墻底部剛度對應(yīng)力變形的影響。工況1模擬混凝土成墻時底部存在“殘渣”，“殘渣”表示防滲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(見圖2)。為了確保墻底有無殘渣的試驗結(jié)果具有可比性，墻底有殘渣的模型試驗將覆蓋層和高塑性土整體抬升10 cm。對于墻底有、無殘渣的模型試驗，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)，墻底無殘渣的防滲墻直接坐落在模型箱底部；墻底有殘渣的防滲墻坐落在黏土表面。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 試驗材料

模型試驗采用雙江口堆石料模擬厚覆蓋層，土料的密度為2.2 g/cm3，相對密度為0.9。覆蓋層料上部為高塑性黏土，試驗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%?；炷练罎B墻的長、寬和高分別為40 cm、5 cm和65 cm。此混凝土防滲墻采用強度等級為M5砂漿制備。為了達到此強度，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28 d。采用同樣方法制作混凝土試塊，測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

試驗采用1/4橋補償片測量混凝土墻的應(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，用萬用表測量應(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，防止試驗過程中應(yīng)變片發(fā)生破壞。本次試驗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。試驗加荷過程中，采用百分表測量模型槽表面加壓蓋板沉降。

2 試驗結(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，不易于直接測量防滲墻沉降。因此，在剛性加壓鋼板頂部安裝了百分表測量了整個模型的變形量。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。每個試驗的覆蓋層厚度一致，相同壓力下的覆蓋層壓縮量可認為是一致的，各試驗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，底部殘渣和剛性工況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，工況2(剛性接觸)的沉降量僅為工況1(柔性接觸)沉降量的87%，表明底部殘渣變形增加了防滲墻的沉降。

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(殘渣)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。雖然防滲墻底部殘渣的存在能降低墻身應(yīng)變，但應(yīng)變的降低是以犧牲防滲墻沉降為代價的。

2.2 接觸面對防滲墻變形的影響

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。這主要是因為未包裹的黏土泥皮中水分易于被防滲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)生更大的負摩阻力，進而引起更大的壓縮變形。采用包裹的膨潤土做泥皮后，防滲墻的沉降明顯降低(比黏土泥皮的工況小25%)，且小于沒有泥皮的工況(工況1)。因此，采用膨潤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%。這主要是因為采用膨潤土泥皮后，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 膨潤土泥皮工況4圖7 不同接觸面泥皮對防滲墻應(yīng)變的影響Fig.7 Influence of wall-soil interface properties on compressive strain of concrete wall

3 結(jié)論

通過室內(nèi)大尺寸模型試驗，研究防滲墻墻底接觸剛度和墻-土接觸面屬性對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渣，防滲墻沉降量明顯大于底部為剛性的防滲墻。無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，采用膨潤土做泥皮后，防滲墻的沉降明顯降低。因此，采用膨潤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%。