离心模型试验借助离心场与引力场的近似性，使模型获得与原型相似的重力应力状态，以此保证模型具有与原型高度一致的应力路径、变形与破坏机理，从而满足工程整体性能评价与行为准确预测的要求[1]，因此离心模型试验是研究土石坝在施工填筑和运行期间应力变形形状的重要手段[2-3]。
许多学者针对土石坝开展了离心模型试验研究。牛起飞等[4]利用离心模型试验探究了坝肩变坡对心墙横向裂缝和水力劈裂的影响。蔡新等[5]研究了不同胶凝含量下面板堆石坝的工作性态，发现胶凝含量的增加能够有效提高坝体的抗剪强度和承载力，从而节省筑坝堆石料的用量。王年香等[6]依托汤浦水库混凝土面板堆石坝，通过离心模型试验探究了不同坝体加高方案对坝体、坝基和面板的应力和变形影响。徐泽平等[7]依托新疆察汗乌苏砂砾石面板坝，着重研究了深覆盖层上面板坝坝体和防渗墙的变形特性。
高心墙堆石坝大多建设于狭窄陡峭河谷中，在自重应力及水荷载作用下心墙会沿着岸坡产生相对滑动位移，影响着坝体安全稳定运行，因而通常在心墙与岸坡的接触部位设置高塑性接触黏土层，以协调心墙与岸坡的变形[8]。目前，接触黏土与岸坡接触面试验研究主要还是以探讨不同影响因素对接触面力学特性的影响为主[9-10]，对于探索原型坝体接触黏土与岸坡接触特性的试验研究依旧相对较少。由于土石坝体型庞大，普通物理模型很难客观反映其真实的应力变形特性。离心模型能实现模型与原型重力场相似，是研究土石坝应力变形性状的可用途径。然而，由于模型箱尺寸的限制，难以对高土石坝开展全模型试验。通常针对重点关注的研究对象，进行部分模型研究，在保证模型应力场与原型相似的同时，还需要保证切断边界对关注部分应力变形影响不大。
在经受离心机高速运转试验中，模型箱箱壁的摩擦约束作用会影响到模型边界附近处的变形性状[11]，因此要避免模型重点研究部分受到离心箱壁的约束作用，而该约束作用被称为边界效应[12]。目前，虽然已有学者开展了离心模型边界效应的研究[13-15]，但是对于边界效应的理论研究相对较少，对于接触面离心模型边界效应的研究也未见报道。本文重点研究心墙与岸坡的接触特性，即接触黏土的变形特性。为了尽可能提升模型尺度，采用局部模型进行研究，但在保证重力场相似的同时需要避免模型箱侧壁摩阻对接触面附近位移场的影响，因此有必要对接触面离心模型边界效应的影响范围进行深入探讨。
依托某300 m级心墙堆石坝，开展了4组局部离心模型试验来探究不同高程处接触黏土与岸坡接触面的力学特性，并基于理论分析，提出了1个计算接触黏土与岸坡接触面离心模型试验中边界效应影响范围的解析表达式，以确定接触面离心试验中试验模型的相似比尺，在试验过程中通过调整施加的上覆荷载大小来探讨不同高程处的接触面剪切位移发展规律，进而深化对心墙堆石坝内接触黏土与岸坡接触特性的认识。
提出了离心模型试验中一个能够确定接触黏土与岸坡接触面边界效应影响范围的解析公式，并通过试验进行了验证，得到3点结论。
(1) 在理论推导过程中将砾质心墙土视为非线性弹性体，并将研究截面的左侧边界复杂应力边界条件简化为K0状态，通过对比试验结果值与理论计算值可以发现两者具有相似的增长规律，推导的边界效应解析表达式可较好反映离心箱壁的影响，能够用于指导离心模型试验边界效应的影响范围取定。
(2) 在原型坝体的不同高程处，接触黏土与岸坡之间均会产生一定的剪切位移，但不会出现分离现象，最大剪切位移随坝体深度的增加而增大，因而在进行高心墙堆石坝的结构安全性分析过程中应考虑接触黏土与岸坡的接触效应。
(3) 接触黏土和砾质心墙土变形主要以竖向下沉为主，并且接触黏土与砾质心墙土之间的沉降等值线变化较为连续，未出现陡变情况，这说明接触黏土起到了很好地协调变形的作用。
本研究主要关注于模型箱右侧边界效应对模型土体的法向位移约束作用，通过离心试验对高心墙堆石坝接触黏土与岸坡接触特性进行定性分析，揭示接触黏土在实际工作状态下与与岸坡接触紧密，不会产生分离、脱空的情况。对于模型箱底部边界的对土体变形约束作用，还有待于更多试验结果进行数据支撑。
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《岩土工程学报》2024年第6期全文阅读
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