面板堆石壩瀝青混凝土心墻動(dòng)力特性研究

許光遠(yuǎn)，穆萬(wàn)鵬，侯福江，馬海龍

（1．吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林敦化133700；2．桑河二級(jí)水電有限公司，云南昆明650214；3.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130061）

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面板堆石壩瀝青混凝土心墻動(dòng)力特性研究

許光遠(yuǎn)1，穆萬(wàn)鵬2，侯福江3，馬海龍1

（1．吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林敦化133700；2．桑河二級(jí)水電有限公司，云南昆明650214；3.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130061）

［摘 要］采用動(dòng)力三軸試驗(yàn)對(duì)面板堆石壩瀝青混凝土心墻的動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，得出其最大動(dòng)模量Edmax和最大剪切模量Gdmax隨著Kc發(fā)展關(guān)系；瀝青混凝土阻尼比為0.15，在不同圍壓和17℃試驗(yàn)條件下，對(duì)瀝青混凝土施加較大的動(dòng)應(yīng)力，在100振次以?xún)?nèi)所產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)變是很小的（不足0.1%），瀝青混凝土不存在動(dòng)強(qiáng)度破壞問(wèn)題。

［關(guān)鍵詞］瀝青混凝土心墻；動(dòng)力特性；阻尼比；動(dòng)彈模

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，瀝青混凝土心墻壩在我國(guó)的水利工程上得到了廣泛的應(yīng)用。但是，目前這種壩型的設(shè)計(jì)基本上還是經(jīng)驗(yàn)性的，很大程度上是以工程類(lèi)比和工程經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的。另外，在我國(guó)絕大部分的瀝青混凝土心墻壩都是建于中、低地震強(qiáng)度的地區(qū)，迄今尚無(wú)一座瀝青混凝土心墻壩經(jīng)受過(guò)強(qiáng)烈的地震作用，國(guó)內(nèi)尚缺乏瀝青混凝土心墻壩抗震的工程經(jīng)驗(yàn)［1］。因此，對(duì)于在地震作用下瀝青混凝土心墻壩的動(dòng)力特性的研究是很有意義的。

1　試驗(yàn)方法

瀝青混凝土的動(dòng)力特性主要是通過(guò)動(dòng)力三軸試驗(yàn)來(lái)研究的。此次動(dòng)力三軸試驗(yàn)所用的瀝青混凝土配合比取自國(guó)內(nèi)某在建瀝青心墻面板堆石壩工程，其瀝青含量為6.6%。

1.1試樣制備

試件的成型采用靜壓法，試件直徑為（100±1）mm、高度為（200±2）mm。成型時(shí)瀝青混合料的溫度控制在（140±3）℃，在恒壓10 MPa下穩(wěn)定3 m in。靜壓的試件同試模一起冷卻至常溫后脫膜。

1.2試驗(yàn)步驟［2］

根據(jù)工程的實(shí)際受力情況選擇固結(jié)比分別為1.2和1.5，圍壓等級(jí)選為300，500，700 kPa。施加壓力時(shí)，先施加20 kPa初始圍壓，逐漸增加圍壓和軸向壓力，至達(dá)到試驗(yàn)要求的固結(jié)比。設(shè)置動(dòng)荷載波形、大小、頻次以及振次等試驗(yàn)參數(shù)，此次試驗(yàn)選用動(dòng)荷載頻率為1 H z，振動(dòng)波形為正弦波。動(dòng)荷載施加過(guò)程中，由小至大逐級(jí)增加，直至達(dá)到試驗(yàn)要求的最大值。

2　試驗(yàn)成果整理

2.1穩(wěn)定應(yīng)力比

穩(wěn)定應(yīng)力比按式（1）計(jì)算：

式中：Kc——穩(wěn)定應(yīng)力比；σ1c——軸向穩(wěn)定應(yīng)力，kPa；σ3c——側(cè)向穩(wěn)定應(yīng)力，kPa。

2.2動(dòng)應(yīng)力

動(dòng)應(yīng)力按式（2）計(jì)算，精確至1 kPa：

式中：σd——?jiǎng)討?yīng)力，kPa；Pd——?jiǎng)雍奢d，荷載曲線上波峰的荷載值，N；A——試件面積，mm2。

2.3動(dòng)應(yīng)變

動(dòng)應(yīng)變按式（3）計(jì)算，精確至0.01%：

式中：εd——?jiǎng)討?yīng)變，%；δd——?jiǎng)幼冃?，變形曲線上的波峰值，mm；h——試件高度，mm。

2.4動(dòng)彈模

動(dòng)彈模按式（4）計(jì)算，精確至0.1MPa：

式中：Ed——?jiǎng)訌椥阅Ａ?，MPa。

用計(jì)算機(jī)采集動(dòng)應(yīng)力與動(dòng)應(yīng)變，按動(dòng)應(yīng)力和彈性應(yīng)變的峰值做出動(dòng)應(yīng)力～動(dòng)應(yīng)變關(guān)系曲線，根據(jù)每一對(duì)動(dòng)應(yīng)力和彈性應(yīng)變求出動(dòng)彈模，具體成果見(jiàn)表1。

表1　動(dòng)三軸試驗(yàn)成果表

從表1中可以看出，當(dāng)圍壓或固結(jié)比Kc增大時(shí)，最大動(dòng)模量Edmax和最大剪切模量Gdmax也相應(yīng)增大。這是因?yàn)?，?dāng)圍壓或者固結(jié)比Kc增大時(shí)，試件內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)更加趨于穩(wěn)定，試件強(qiáng)度增加，因此Edmax、和Gdmax也隨著增大。

2.5阻尼比

阻尼比按式（5）進(jìn)行計(jì)算，精確至0.01：

式中：λd——阻尼比；Ar——滯回環(huán)ABCD的面積，mm2；As——三角形AEBO的面積，mm2。

流變材料（瀝青混凝土）在周期性動(dòng)荷載作用下的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有兩個(gè)特點(diǎn)，非線性和滯后性［3］。在一個(gè)周期內(nèi)的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖1所示，是一個(gè)近似橢圓的滯回圈，滯回曲線反應(yīng)了應(yīng)變對(duì)應(yīng)力的滯后性。繪制瀝青混凝土試樣滯回環(huán)如圖2所示，測(cè)得瀝青混凝土阻尼比為0.15。

3　結(jié)　論

1）當(dāng)固結(jié)比Kc不等于1時(shí)（此次試驗(yàn)為1.2， 1.5），瀝青混凝土試件在振動(dòng)前受了初始剪應(yīng)力，使內(nèi)部骨架趨于更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。因此，最大動(dòng)模量Edmax和最大剪切模量Gdmax隨著Kc的增加而增加。

2）在不同圍壓和17℃試驗(yàn)條件下，對(duì)瀝青混凝土施加較大的動(dòng)應(yīng)力，在100振次以?xún)?nèi)所產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)變是很小的（不足0.1%）。按地震震級(jí)對(duì)應(yīng)的等效振次（如地震震級(jí)為8.0級(jí)對(duì)應(yīng)的等效振次為30次）使瀝青混凝土達(dá)到破壞應(yīng)變（例如5%）是不可能的，瀝青混凝土不存在動(dòng)強(qiáng)度破壞問(wèn)題。

［參考文獻(xiàn)］

［1］初偉.土石壩瀝青混凝土心墻材料基本性能研究——蠕變和動(dòng)力特性研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2004.

［2］DL/T 5362-2006，水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［3］李志強(qiáng)，張鴻儒，等.土石壩心墻瀝青混凝土三軸蠕變?cè)囼?yàn)研究［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，31（1）：77-80.

［中圖分類(lèi)號(hào)］TV641.4+1；TV312

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

［文章編號(hào)］1002—0624（2016）07—0050—02

［收稿日期］2015-12-02