泥漿滲透粗粒土與防滲墻接觸面強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究

楊 春 鳴

(四川大渡河雙江口水電開(kāi)發(fā)有限公司， 四川 阿壩 624000)

粗粒土在自然界分布廣泛，具有壓實(shí)性能好、透水性強(qiáng)、抗剪強(qiáng)度高等工程特性。粗粒土顆粒大小相差很大，粒徑范圍較寬，當(dāng)顆粒組成不同時(shí)，其性能差別非常顯著[1]。粗粒土覆蓋層具有成因復(fù)雜、類(lèi)型多樣、結(jié)構(gòu)多變、地層不連續(xù)、松散且有架空層、物理力學(xué)性質(zhì)不均勻等特點(diǎn)，深度可達(dá)幾十米，有的甚至達(dá)到百米以上，在此類(lèi)地層中建造防滲墻時(shí)，不良的地質(zhì)條件會(huì)給工程施工帶來(lái)很大困難[2-4]。為了確保防滲墻槽孔的穩(wěn)定性，工程建設(shè)中普遍采用泥漿護(hù)壁的方法，泥漿護(hù)壁是利用槽孔內(nèi)外流體壓差來(lái)維持壁面穩(wěn)定的，泥漿護(hù)壁過(guò)程中，泥漿會(huì)入滲到槽孔附近區(qū)域一定范圍的粗粒土內(nèi)部，該區(qū)域內(nèi)粗粒土的性質(zhì)會(huì)由于泥漿中黏土顆粒的入滲而得到改善，土的孔隙會(huì)在一定程度上被填充密實(shí)，滲透性降低[5-6]。當(dāng)泥漿滲透穩(wěn)定時(shí)，會(huì)在槽壁面上形成透水性很低的泥皮，防滲墻澆筑完成后，泥皮處于防滲墻混凝土和覆蓋層土體之間。土體與結(jié)構(gòu)材料接觸面的力學(xué)特性已通過(guò)試驗(yàn)及數(shù)值模擬等手段進(jìn)行了充分論證，但當(dāng)土體與結(jié)構(gòu)之間存在泥皮時(shí)，接觸面的力學(xué)特性會(huì)發(fā)生變化[7-10]。已有研究表明，泥皮自身致密的結(jié)構(gòu)在抗?jié)B以及防滲墻結(jié)構(gòu)受力和變形時(shí)的緩沖和協(xié)調(diào)方面能夠發(fā)揮一定作用[11-13]。

本文以泥漿滲透粗粒土和防滲墻接觸面為研究對(duì)象，在不同條件下對(duì)接觸面的力學(xué)性質(zhì)開(kāi)展試驗(yàn)研究，分析不同的泥皮形成條件對(duì)接觸面力學(xué)指標(biāo)的影響，直觀地對(duì)接觸面的強(qiáng)度特性進(jìn)行描述，進(jìn)而為準(zhǔn)確反映工程建設(shè)中防滲墻真實(shí)的受力狀態(tài)，合理分析泥皮的存在對(duì)于防滲墻應(yīng)力和變形特性的影響提供依據(jù)。

1 接觸面強(qiáng)度特性的試驗(yàn)方案

影響泥皮性質(zhì)的因素主要包括地層結(jié)構(gòu)狀況、泥漿滲透條件、泥皮自身特性等[14]。地層結(jié)構(gòu)狀況可由粗粒土的孔隙特征加以反映，文獻(xiàn)[14-15]提出了單粒平均孔隙體積的概念來(lái)對(duì)粗粒土的孔隙特征進(jìn)行了定量描述；泥漿滲透條件包括滲透壓差及滲透時(shí)間，槽孔開(kāi)挖深度不同，泥漿滲透的壓差不同，滲透時(shí)間也不同，相對(duì)較大的滲透壓差及較長(zhǎng)滲透時(shí)間條件下所形成泥皮的抗?jié)B性能更好、強(qiáng)度更高；泥漿自身特性包括泥漿的黏度、比重、含砂量等，黏度大、密度大、含砂量高的泥漿，更有利于泥皮的形成，且泥皮的結(jié)構(gòu)越致密、越完整。為了研究泥漿滲透粗粒土與混凝土防滲墻接觸面的強(qiáng)度特性，首先進(jìn)行泥漿在粗粒土中的滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)在粗粒土試樣入滲面一側(cè)形成一定厚度的泥皮，試驗(yàn)裝置如圖1所示，各組泥漿滲透試驗(yàn)結(jié)束后，取出泥皮附近區(qū)域的粗粒土試樣，將其作為直接剪切試驗(yàn)的粗粒土材料，防滲墻材料采用預(yù)制混凝土試塊模擬，將泥漿滲透試驗(yàn)過(guò)程中形成的泥皮置于粗粒土與混凝土試塊之間，通過(guò)直接剪切試驗(yàn)對(duì)不同影響因素條件下泥漿滲透形成泥皮后的接觸面的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析。

圖1 泥漿滲透試驗(yàn)裝置

1.1 粗粒土泥漿滲透試驗(yàn)

1.1.1 不同粗粒土空隙特征的試驗(yàn)方案

為了反映泥漿在不同地層結(jié)構(gòu)條件下向粗粒土中滲透形成泥皮的情況，試驗(yàn)根據(jù)不同的粗粒土孔隙特征將泥漿滲透試驗(yàn)分為10組，各組粗粒土的孔隙特征指標(biāo)、泥漿滲透壓差、泥漿滲透時(shí)間等試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同粗粒土孔隙特征條件下泥漿滲透試驗(yàn)參數(shù)

1.1.2 不同泥漿滲透壓差的試驗(yàn)方案

泥漿護(hù)壁過(guò)程中，不同槽孔深度處的泥漿滲透壓差大小有所不同，混凝土澆筑成墻后，槽孔壁面粗粒土與混凝土之間泥皮的力學(xué)特性也存在差異。試驗(yàn)根據(jù)泥漿滲透壓差的不同共分為4組，各組泥漿滲透試驗(yàn)中粗粒土的孔隙特征指標(biāo)、泥漿滲透壓差、泥漿滲透時(shí)間等試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 不同壓差條件下泥漿滲透試驗(yàn)參數(shù)

1.1.3 不同泥漿滲透時(shí)間的試驗(yàn)方案

不同時(shí)長(zhǎng)的泥漿滲透試驗(yàn)共包括7組，滲透時(shí)間最短為60 min，最長(zhǎng)為7 200 min。表3列出了不同滲透時(shí)間條件下泥漿滲透試驗(yàn)的粗粒土孔隙特征指標(biāo)、泥漿滲透時(shí)間、泥漿滲透壓差等各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)。

表3 不同滲透時(shí)間條件下泥漿滲透試驗(yàn)參數(shù)

以上各組試驗(yàn)所選用的泥漿均為優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤(rùn)土泥漿，將膨潤(rùn)土置于水中并加入適量純堿拌合而成。在完成泥漿制備后對(duì)泥漿的性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 泥漿性能指標(biāo)

1.1.4 不同泥漿黏度的試驗(yàn)方案

為了研究泥漿的自身的材料性質(zhì)對(duì)于泥皮力及接觸面學(xué)特性的影響，在不同泥漿性能指標(biāo)條件進(jìn)行泥漿在粗粒土中的滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)共分為5組，制備了不同黏度的泥漿，各組泥漿滲透試驗(yàn)的粗粒土孔隙特征指標(biāo)、泥漿滲透時(shí)間、泥漿滲透壓差、泥漿黏度等各項(xiàng)參數(shù)取值見(jiàn)表5。

表5 不同泥漿黏度條件下泥漿滲透試驗(yàn)的各項(xiàng)參數(shù)

1.2 直接剪切試驗(yàn)

上述各組泥漿滲透試驗(yàn)結(jié)束后，相應(yīng)的開(kāi)展夾有泥皮條件下泥漿滲透粗粒土與混凝土接觸面的直接剪切試驗(yàn)。直接剪切試驗(yàn)利用四聯(lián)直剪儀完成，直剪儀下剪切盒為預(yù)制混凝土試件，上剪切盒為泥漿滲透粗粒土試樣。將泥漿滲透形成的泥皮附近滲透距離內(nèi)的粗粒土試樣取出，根據(jù)粗粒土質(zhì)量及其所占據(jù)試樣管的容積來(lái)計(jì)算土體的密度。直接剪切試驗(yàn)裝樣時(shí)，應(yīng)控制粗粒土的密度與泥漿滲透結(jié)束時(shí)保持一致，根據(jù)密度要求以及上剪切盒的環(huán)刀內(nèi)部容積確定泥漿滲透粗粒土的質(zhì)量，并按照計(jì)算得出的質(zhì)量將粗粒土置于上剪切盒的環(huán)刀內(nèi)部，在法向應(yīng)力作用下固結(jié)密實(shí)。試驗(yàn)分別采用100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa四種不同的法向應(yīng)力，剪切速率設(shè)定為0.006 4 mm/min。

2 接觸面強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同粗粒土孔隙特征條件下接觸面直接剪切試驗(yàn)結(jié)果

按照表1中顆粒級(jí)配和孔隙比的要求制備各組粗粒土試樣，利用表4中性能指標(biāo)的泥漿，在相同的滲透壓差、滲透時(shí)間條件下利用圖1所示的儀器設(shè)備進(jìn)行泥漿滲透試驗(yàn)，在形成泥皮的情況下進(jìn)行泥漿滲透粗粒土與混凝土結(jié)構(gòu)之間接觸面的直接剪切試驗(yàn)。在不同粗粒土孔隙特征條件下，各組試驗(yàn)剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力之間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示。由直接剪切試驗(yàn)可以得出泥皮接觸面的黏聚力、摩擦角等強(qiáng)度指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表6。

圖2 剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力之間的關(guān)系曲線(xiàn)

表6 不同粗粒土孔隙特征條件下接觸面直接剪切試驗(yàn)結(jié)果

可以看出，接觸面強(qiáng)度指標(biāo)與泥漿滲透試驗(yàn)所采用粗粒土的孔隙特征存在關(guān)聯(lián)性。泥漿在不同孔隙特征粗粒土中滲透所形成泥皮的質(zhì)量存在差異，而泥皮的性質(zhì)在一定程度上決定了接觸面的強(qiáng)度特性。粒徑、孔隙大小不同的粗粒土與泥皮的接觸狀態(tài)的差別會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，泥漿在粒徑、孔隙較小的粗粒土中滲透容易形成結(jié)構(gòu)更加完整、致密的泥皮。粗粒土的粒徑越小，其表面更加平整，粗糙度較低，泥皮結(jié)構(gòu)的完整性能夠得到較好的保持，在剪切試驗(yàn)過(guò)程中，粗粒土與混凝土試件之間形成了比較完整的泥皮接觸面，此時(shí)，接觸面的強(qiáng)度特性更接近于泥皮本身的性質(zhì)，黏聚力較高，摩擦角較小。當(dāng)粗粒土粒徑、孔隙較大時(shí)，泥漿滲透形成的泥皮結(jié)構(gòu)較為疏松，結(jié)構(gòu)完整性較差，采用泥漿滲透形成的泥皮進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)時(shí)，在局部區(qū)域內(nèi)會(huì)形成粗粒土與混凝土結(jié)構(gòu)直接接觸的情況，泥皮的作用被削弱，接觸面的強(qiáng)度特性趨近于粗粒土與混凝土之間沒(méi)有泥皮的狀態(tài)，黏聚力相對(duì)較低，摩擦角較大。

由于接觸面的強(qiáng)度特性與泥漿滲透過(guò)程中粗粒土的孔隙特征有關(guān)，將各組直接剪切試驗(yàn)得出的強(qiáng)度指標(biāo)以及所對(duì)應(yīng)的粗粒土孔隙特征指標(biāo)進(jìn)行整理和匯總，可以得到二者之間的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖3可以看出，接觸面黏聚力隨著粗粒土單粒平均孔隙體積的增大呈減小的趨勢(shì)，而摩擦角隨著粗粒土單粒平均孔隙體積的增大而增大。

圖3 接觸面強(qiáng)度指標(biāo)與粗粒土孔隙特征指標(biāo)間的關(guān)系

2.2 不同泥漿滲透壓差條件下接觸面直接剪切試驗(yàn)結(jié)果

按照表2中各組粗粒土試樣的孔隙特征指標(biāo)、泥漿滲透壓差、泥漿滲透時(shí)間等參數(shù)，采用表4中性能指標(biāo)的泥漿，利用圖1所示的儀器設(shè)備進(jìn)行不同滲透壓差條件下的泥漿滲透試驗(yàn)，在形成泥皮的情況下進(jìn)行泥漿滲透粗粒土與混凝土結(jié)構(gòu)之間接觸面的直接剪切試驗(yàn)，各組試驗(yàn)剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力之間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示。通過(guò)直接剪切試驗(yàn)可以得出接觸面的黏聚力、摩擦角等強(qiáng)度指標(biāo)，表7為不同泥漿滲透壓差條件下接觸面強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力之間的關(guān)系曲線(xiàn)

表7 不同泥漿滲透壓差條件下接觸面直接剪切試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，粗粒土與混凝土結(jié)構(gòu)接觸面的強(qiáng)度特性會(huì)隨泥皮形成過(guò)程中滲透壓差的不同而發(fā)生改變。當(dāng)粗粒土孔隙特征相同時(shí)，在直接剪切試驗(yàn)過(guò)程中，可以忽略由于粗粒土孔隙大小不同而對(duì)接觸面泥皮結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，泥皮的質(zhì)量是決定接觸面強(qiáng)度特性的唯一因素。通過(guò)對(duì)不同泥漿滲透壓差條件下形成泥皮的性質(zhì)進(jìn)行分析可知，泥漿滲透壓差越大，所形成的泥皮結(jié)構(gòu)越致密，泥皮強(qiáng)度越高，接觸面部位的泥皮結(jié)構(gòu)更加完整，直接剪切試驗(yàn)所反映的更趨近于泥皮的強(qiáng)度特性，黏聚力較大，摩擦角較小。隨著泥漿滲透壓差的減小，泥漿滲透所形成泥皮的致密程度降低，直接剪切試驗(yàn)過(guò)程中，接觸面部位的泥皮完整程度下降，試驗(yàn)反映出的性質(zhì)更加接近于粗粒土與混凝土結(jié)構(gòu)直接接觸的情況，接觸面黏聚力減小，摩擦角增大。

粗粒土與混凝土結(jié)構(gòu)接觸面的強(qiáng)度特性與泥漿滲透過(guò)程中的滲透壓差有關(guān)。由圖5中所顯示的接觸面強(qiáng)度指標(biāo)隨泥漿滲透壓差的變化規(guī)律可以看出，隨著泥漿滲透壓差的增大，接觸面的黏聚力有逐漸增大的趨勢(shì)，而接觸面的摩擦角隨著泥漿滲透壓差的增大而減小。

圖5 接觸面強(qiáng)度指標(biāo)與泥漿滲透壓差之間的關(guān)系

2.3 不同泥漿滲透時(shí)間條件下接觸面直接剪切試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3中的試驗(yàn)方案，對(duì)于具有相同孔隙特征的粗粒土試樣，采用表4中性能指標(biāo)的泥漿，在相同的泥漿滲透壓差作用下進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)的泥漿滲透試驗(yàn)，在形成泥皮的情況下進(jìn)行泥漿滲透粗粒土與混凝土結(jié)構(gòu)之間接觸面的直接剪切試驗(yàn)。在不同泥漿滲透時(shí)間條件下，各組試驗(yàn)剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力之間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖6所示，通過(guò)直接剪切試驗(yàn)得出不同泥漿滲透時(shí)間形成泥皮條件下的接觸面黏聚力、摩擦角等強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表8。

圖6 剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力之間的關(guān)系曲線(xiàn)

表8 不同泥漿滲透時(shí)間條件下接觸面直接剪切試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知，在泥漿滲透時(shí)間不同的情況下，接觸面的強(qiáng)度指標(biāo)也會(huì)隨之發(fā)生變化。試驗(yàn)結(jié)果的差異源于泥皮性質(zhì)的不同，當(dāng)滲透時(shí)間較短時(shí)，泥皮尚未完全形成，此時(shí)，在直接剪切試驗(yàn)過(guò)程中，粗粒土混凝土結(jié)構(gòu)之間沒(méi)有被完整的泥皮隔離開(kāi)，接觸面的強(qiáng)度性質(zhì)表現(xiàn)出更加接近于粗粒土與混凝土直接接觸時(shí)的狀態(tài)，黏聚力較低，摩擦角較大。在一定時(shí)間范圍內(nèi)，隨著滲透時(shí)間的延長(zhǎng)，泥皮逐漸形成且結(jié)構(gòu)愈加致密，泥皮的厚度也有一定程度的增加，泥皮結(jié)構(gòu)的不斷完善提高了接觸面的完整程度，使得試驗(yàn)結(jié)果能夠反映出泥皮自身的強(qiáng)度特性，黏聚力增大，摩擦角減小，但這一變化趨勢(shì)隨著泥漿滲透時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減弱，說(shuō)明在已經(jīng)形成結(jié)構(gòu)完整、致密的泥皮結(jié)構(gòu)時(shí)，繼續(xù)延長(zhǎng)泥漿滲透時(shí)間對(duì)于進(jìn)一步提高泥皮結(jié)構(gòu)的完整性效果不明顯。

粗粒土與混凝土結(jié)構(gòu)接觸面的強(qiáng)度特性與泥漿滲透過(guò)程中的滲透時(shí)間有關(guān)。圖7能夠反映出接觸面力學(xué)指標(biāo)隨泥漿滲透時(shí)間的變化規(guī)律，可以看出，在一定時(shí)間范圍內(nèi)，接觸面的黏聚力隨著泥漿滲透時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，摩擦角呈逐漸減小的趨勢(shì)，超出一定時(shí)間范圍后，進(jìn)一步延長(zhǎng)泥漿滲透時(shí)間對(duì)于接觸面強(qiáng)度特性的影響逐步減弱。

圖7 接觸面強(qiáng)度指標(biāo)與泥漿滲透時(shí)間之間的關(guān)系

2.4 不同泥漿黏度條件下接觸面直接剪切試驗(yàn)結(jié)果

按照表5中各組粗粒土試樣的孔隙特征指標(biāo)、泥漿滲透壓差、泥漿滲透時(shí)間等參數(shù)，采用不同黏度的泥漿進(jìn)行泥漿滲透試驗(yàn)，在形成泥皮的情況下進(jìn)行泥漿滲透粗粒土與混凝土結(jié)構(gòu)之間接觸面的直接剪切試驗(yàn)。在不同泥漿黏度條件下，各組試驗(yàn)剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力之間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖8所示。表9中列出了所選取泥漿材料的黏度不同時(shí)，通過(guò)直接剪切試驗(yàn)得出的接觸面黏聚力、摩擦角等強(qiáng)度指標(biāo)。

表9 不同泥漿黏度條件下接觸面直接剪切試驗(yàn)結(jié)果

圖8 剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力之間的關(guān)系曲線(xiàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，接觸面的強(qiáng)度特性會(huì)受到泥漿滲透試驗(yàn)中選用泥漿黏度的影響，泥漿黏度越小，直接剪切試驗(yàn)中測(cè)得的接觸面黏聚力越小，摩擦角越大；隨著泥漿黏度的增大，試驗(yàn)測(cè)試得到的接觸面黏聚力逐漸提高，摩擦角逐漸降低。接觸面強(qiáng)度特性的這種變化規(guī)律主要由泥漿滲透過(guò)程中所形成泥皮的性質(zhì)決定，而泥漿黏度是決定泥皮性質(zhì)的關(guān)鍵因素。在相同的滲透壓差、滲透時(shí)間條件下，在具有相同孔隙特征粗粒土中進(jìn)行泥漿滲透試驗(yàn)時(shí)，所選用泥漿的黏度越大，越有利于形成結(jié)構(gòu)致密的泥皮，從而在粗粒土與混凝土結(jié)構(gòu)之間形成完整的泥皮接觸面，通過(guò)直接剪切試驗(yàn)得到的測(cè)試結(jié)果更加接近于泥皮的強(qiáng)度指標(biāo)；反之，當(dāng)泥漿黏度較小時(shí)，泥漿滲透形成泥皮的結(jié)構(gòu)致密程度降低，置于粗粒土與混凝土結(jié)構(gòu)之間的泥皮在荷載作用下容易被擾動(dòng)破壞，進(jìn)而導(dǎo)致粗粒土與混凝土結(jié)構(gòu)直接接觸的可能性增大，直接剪切試驗(yàn)測(cè)試得到的結(jié)果更加接近于二者之間沒(méi)有泥皮的接觸面強(qiáng)度指標(biāo)。

作為決定泥漿自身特性的重要因素，泥漿黏度的變化會(huì)對(duì)接觸面的力學(xué)指標(biāo)會(huì)產(chǎn)生影響。圖9為接觸面的力學(xué)指標(biāo)與泥漿黏度之間的關(guān)系，可以看出，接觸面的黏聚力有隨著泥漿黏度的增大而逐漸增大的趨勢(shì)，而接觸面的摩擦角隨著泥漿黏度的增大而減小。

圖9 接觸面強(qiáng)度指標(biāo)與泥漿黏度之間的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1) 通過(guò)直接剪切試驗(yàn)對(duì)泥漿滲透粗粒土與混凝土接觸面的力學(xué)特性進(jìn)行研究，說(shuō)明了泥皮自身性質(zhì)、泥漿滲透形成泥皮的外界條件、地層土體的孔隙特征都會(huì)對(duì)接觸面的強(qiáng)度指標(biāo)產(chǎn)生影響。

(2) 在不同地層結(jié)構(gòu)條件下，粗粒土單粒平均孔隙體積越小，土中細(xì)顆粒含量越多，泥漿滲透形成的泥皮結(jié)構(gòu)越致密、越完整，接觸面所表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)特性越接近于泥皮自身的性質(zhì)，黏聚力較大，摩擦角較小。

(3) 在不同泥漿滲透條件下，滲透壓差越大、滲透時(shí)間越長(zhǎng)、泥漿黏度越大，越有利與形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、強(qiáng)度高的泥皮，荷載條件下接觸面泥皮結(jié)構(gòu)的完整性容易得到保證，接觸面的力學(xué)特性能夠更加突出地反映泥皮的強(qiáng)度特征。