碾壓混凝土壩溫度應(yīng)力研究

王復(fù)元

摘 要：本文從碾壓混凝土的材料特性、施工特定、溫度場(chǎng)溫度應(yīng)力變化特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)其仿真方法、目前進(jìn)展及具體要求和應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行介紹，結(jié)合工程總結(jié)了碾壓混凝土重力壩、拱壩的分縫方式，降低澆筑溫度、水管冷卻、表面保溫和斜層碾壓等溫控措施，采用微膨脹混凝土，提高材料抗裂性能的溫控防裂措施。

關(guān)鍵詞：碾壓混凝土；仿真分析；溫控

中圖分類號(hào)： TV5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）16-92-2

0 引言

在混凝土壩設(shè)計(jì)施工的過(guò)程中，防裂是主要的一項(xiàng)措施，因?yàn)榛炷林写嬖谥鴾囟葢?yīng)力，如果處理不當(dāng)，極容易導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生，要想在源頭上對(duì)裂縫進(jìn)行防范，就要做好溫度的控制工作，對(duì)結(jié)構(gòu)措施進(jìn)行采用，從而達(dá)到控制溫度應(yīng)力的目的，這種混凝土壩和傳統(tǒng)混凝土比起來(lái)，其材料參數(shù)和施工程序等都不具有相似性。需要有針對(duì)性的對(duì)其溫度應(yīng)力采用溫控措施。

1 碾壓混凝土壩的溫度和應(yīng)力的特點(diǎn)

1.1 材料性質(zhì)的影響

第一是絕熱溫升，因?yàn)樵谑┕み^(guò)程中，水泥遇水會(huì)生成一定的熱量，其熱量之大非粉煤灰所能比擬，所以跟常規(guī)的混凝土對(duì)比，碾壓混凝土需要使用的水泥數(shù)量非常小，保證其絕熱溫升低于常規(guī)混凝土，在對(duì)碾壓混凝土進(jìn)行使用的過(guò)程中要對(duì)粉煤灰進(jìn)行應(yīng)用，所以一定要添加，之所以這樣做，因?yàn)榉勖夯液退嘞啾?，其發(fā)熱比具有極大延遲的特點(diǎn)，將其應(yīng)用到碾壓混凝土中后，水化熱過(guò)程中，溫度提高非常慢，后期溫度也會(huì)具有非常高的提升，所以在很多情況下，在完成混凝土澆筑后，溫度升高問(wèn)題還是普遍存在的，第二是徐變度，其主要受到重要材料影響，因?yàn)椴牧系男再|(zhì)不同，容易對(duì)溫度應(yīng)力產(chǎn)生影響，在徐變過(guò)程中，溫度應(yīng)力會(huì)存在松弛情況，因?yàn)槠涑煞种心z凝材料還比較少，膠凝材料主要是硬性混凝土，這和其他混凝土比起來(lái)，具有非常小的徐變力，所以裂縫問(wèn)題更加容易產(chǎn)生。第三是極限拉伸，因?yàn)樵谑┕み^(guò)程中，碾壓混凝土容易受到配合比和施工方法的影響，所以和常態(tài)混凝土相比，它的極限拉伸參數(shù)比較低，最近，雖然混凝土在配合過(guò)程中應(yīng)用了較新型的技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中其精度也能在一定程度上得到增長(zhǎng)，碾壓混凝土在極限拉伸參數(shù)上對(duì)比過(guò)去，有了顯著的增長(zhǎng)，在實(shí)驗(yàn)情況下，部分碾壓混凝土極限拉伸的數(shù)值和其他普通混凝土相比，還是特別高的。但是在大多數(shù)情況下，三個(gè)月后的碾壓混凝土比起其他相同材料的混凝土來(lái)極限拉伸非常低，鉆孔取芯實(shí)測(cè)值也較低，所以，碾壓混凝土和其他常規(guī)混凝土比起來(lái)，其抗拉能力非常低，裂縫也會(huì)因此更加容易出現(xiàn)。

1.2 具體施工方式的影響

在常態(tài)混凝土澆筑過(guò)程中最重要的溫控措施是降低冷卻溫度和通水冷卻，但是這兩種方法在碾壓混凝土中卻難以使用，因?yàn)楣ば蚍倍?，?huì)給整個(gè)工程帶來(lái)難度，而且溫控效果不佳。所以對(duì)碾壓混凝土壩不進(jìn)行二期水冷，主要靠其后期散熱或者自身散熱，這種散熱方法非常緩慢，需要花費(fèi)大量的時(shí)間，有些大壩要冷卻一百年才能保證內(nèi)部溫度達(dá)到穩(wěn)定溫度，因?yàn)槔鋮s的時(shí)間太長(zhǎng)，其內(nèi)部溫度長(zhǎng)時(shí)間居高不下，這就導(dǎo)致了每逢寒冷季節(jié)，碾壓混凝土壩會(huì)因?yàn)閮?nèi)外溫差大出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象。

1.3 溫度應(yīng)力和溫度的特點(diǎn)

碾壓混凝土及其施工方法具有一定的特殊性，這就導(dǎo)致了它的溫度和應(yīng)力也有一些特點(diǎn)，首先是在對(duì)大壩進(jìn)行降溫的時(shí)候，其速度較慢，溫度很難降下來(lái)，其次，在控制溫差的過(guò)程中，內(nèi)外溫差是最主要的，上下層溫差是其次，在對(duì)順河向應(yīng)力的作用中，基礎(chǔ)溫差最弱。再次，碾壓混凝土壩其壩上游面中的強(qiáng)約束區(qū)很容易遭受內(nèi)外和基礎(chǔ)兩大溫差的影響，這就更加增加了劈頭裂縫出現(xiàn)的可能，然后是在分層之間，其強(qiáng)度較低，因?yàn)閮?nèi)外溫差的影響，裂縫極其容易出現(xiàn)。接著是在上游面的混凝土中有一定的防滲層，其產(chǎn)生拉應(yīng)力較大，而且出現(xiàn)概率非常高。最后是在混凝土的基礎(chǔ)墊層中，其超標(biāo)拉應(yīng)力出現(xiàn)概率也容易增加。

2 溫度應(yīng)力仿真分析研究

碾壓混凝土溫度應(yīng)力仿真分析和其他混凝土相比具有相似性，它們具有非常相似的基本方程，然而相比起來(lái)，碾壓混凝土其薄層碾壓特點(diǎn)更加突出，因此對(duì)施工溫度應(yīng)力保證其模擬合理性非常必要，碾壓層能夠用兩個(gè)單元進(jìn)行顯示，對(duì)大壩進(jìn)行三維仿真分析，其計(jì)算規(guī)模較大，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)技術(shù)還無(wú)法滿足其操作目的。所以采用并層解法和分區(qū)異步長(zhǎng)算法對(duì)于仿真分析具有必要性和實(shí)用性。并層解法的含義是在剛完成澆筑的混凝土中采用薄層精細(xì)單元技術(shù)，從而對(duì)溫度控制工作，碾壓層厚度的方向也會(huì)被應(yīng)用，在模擬的過(guò)程中，其分布更加具有梯度化，厚度超過(guò)閾值之后，溫度梯度逐漸減少，單元完成合并工作，分層積分，并層求解，在混凝土早期工作中，因?yàn)樗瘯?huì)散發(fā)出大量的熱量，隨著時(shí)間的推移，溫度會(huì)具有顯著的變化，到了后期溫度變化會(huì)逐漸平和，對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)的使用要有針對(duì)性，如果在早期，時(shí)間步長(zhǎng)要小，用計(jì)算機(jī)就可以進(jìn)行百萬(wàn)自由度的仿真分析問(wèn)題。仿真分析需要的對(duì)三個(gè)問(wèn)題進(jìn)行回答，分別是溫度和應(yīng)力的最大值、最大值和超標(biāo)值出現(xiàn)的部位和范圍，第三是最大值出現(xiàn)的時(shí)間，通過(guò)這三個(gè)問(wèn)題進(jìn)行解答，有針對(duì)性的采取措施，對(duì)溫度和應(yīng)力進(jìn)行控制。

3 碾壓混凝土的分縫

分縫是防止碾壓混凝土裂縫的主要措施，常規(guī)混凝土的橫縫間距不能超過(guò)二十米，而碾壓混凝土因?yàn)樗盟嗌伲療釡厣?，針?duì)分縫有自己獨(dú)特的措施。第一是重力壩，國(guó)內(nèi)外在之前都層采用不設(shè)橫縫的方法，然而通過(guò)實(shí)踐，如果壩段之間距離比較寬，裂縫問(wèn)題非常容易產(chǎn)生，從而造成了壩段被無(wú)形之中分裂成了很多段，進(jìn)行仿真分析之后，可以得出相對(duì)結(jié)果，在壩段寬度大于三十米的時(shí)候，在高溫天氣進(jìn)行澆筑的混凝土，其上游壩面的壩軸向拉應(yīng)力往往較大，其上游面也會(huì)更加容易出現(xiàn)豎向的裂縫，在蓄水的情況下，劈頭裂縫出現(xiàn)的概率也急劇增加，因此在對(duì)橫縫間距進(jìn)行處理的過(guò)程中，要保證間距為二十米，沿著河流方向采用通倉(cāng)澆筑的方法，在仿真之后，可以發(fā)現(xiàn)拱壩厚度比較小，其厚度一般在十六到三十米之間，游面散熱比較好，如果壩內(nèi)溫度很高，溫差內(nèi)外較小，在它表面的拉應(yīng)力也會(huì)比較低。因?yàn)閮?nèi)外溫度在回落時(shí)候，溫差變小，在蓄水的私活，壩內(nèi)溫度會(huì)顯著降低，重力壩其冷擊效果較差，在拱作用下，蓄水的壓力拱向中完成壓應(yīng)力，豎直向裂縫產(chǎn)生概率也極大減少，如果壩中間其壩段較寬，過(guò)水缺口會(huì)出現(xiàn)，局部產(chǎn)生較高的應(yīng)力，在缺口位置裂縫更加容易產(chǎn)生，通過(guò)對(duì)仿真分析進(jìn)行應(yīng)用，對(duì)地質(zhì)、水文、材料等條件進(jìn)行參照，其寬度會(huì)適時(shí)放寬。寬度能夠達(dá)到一百米，拱壩連桿壩段橫縫之間的距離要進(jìn)行縮減，按照仿真結(jié)果對(duì)寬度進(jìn)行設(shè)定。

4 溫度控制措施

對(duì)溫度進(jìn)行控制，并進(jìn)行簡(jiǎn)化工作，最后停止對(duì)溫度進(jìn)行控制，這是碾壓混凝土相比其他混凝土不具備的優(yōu)點(diǎn)，如果高壩體積較大，另外施工的過(guò)程中溫度較高，對(duì)溫度進(jìn)行控制在所難免，采用的方法主要是對(duì)骨料進(jìn)行預(yù)冷，添加冰塊進(jìn)行拌合，在倉(cāng)面進(jìn)行噴霧，并對(duì)倉(cāng)面進(jìn)行保溫，做好通水工作進(jìn)行充分冷卻，對(duì)斜層進(jìn)行碾壓。

第一是對(duì)澆筑溫度進(jìn)行降低，這主要是對(duì)加冰方法進(jìn)行充分應(yīng)用，這樣機(jī)口溫度能夠有效降低，如果溫度比較高，在對(duì)混凝固土進(jìn)行澆筑的時(shí)候，采用的方式主要是薄層碾壓，這種方式其入倉(cāng)的部分，溫度上升比較快，對(duì)噴霧和覆膜方式進(jìn)行應(yīng)用，能降低澆筑時(shí)候的溫度。

第二是倉(cāng)面保溫，在表面覆蓋一層1.5厘米的聚乙烯保溫被。

第三是水管冷卻，不在贅述。第四是采用微膨脹混凝土，可以采用MgO作為輔助原料，保證其具有微膨脹性，對(duì)溫度進(jìn)行控制，降低約束區(qū)和拉應(yīng)力，能防止裂縫產(chǎn)生。

參 考 文 獻(xiàn)

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