順坡向壓力荷載作用下擠壓邊墻的破碎研究

彭兆軒，王瑞駿，程金標(biāo)，張 帥，李 陽(yáng)

(1.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安710048；2.浙江省水利水電技術(shù)咨詢中心，浙江杭州310020)

0 引 言

混凝土擠壓邊墻施工技術(shù)是一種混凝土面板堆石壩上游坡面施工的新技術(shù)[1]。1999年巴西埃塔面板堆石壩首次運(yùn)用了擠壓邊墻技術(shù)，因其代替了傳統(tǒng)工藝中墊層料的超填、削坡、修整、碾壓等工序，加快了施工進(jìn)度，施工質(zhì)量得到了保證和提高[2，3]，隨后其他國(guó)家在興建面板混凝土堆石壩中逐漸采用該項(xiàng)技術(shù)[4]。

隨著擠壓邊墻施工技術(shù)的不斷發(fā)展與運(yùn)用，眾多學(xué)者對(duì)擠壓邊墻進(jìn)行了研究。周偉等[5]研究了擠壓邊墻對(duì)面板的應(yīng)力作用及面板的裂縫成因；石成名等[6]利用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)對(duì)擠壓邊墻的脫空情況進(jìn)行了檢查；趙新瑞等[7]對(duì)擠壓邊墻表面進(jìn)行了變形分析；羅先啟等[8]研究了擠壓邊墻對(duì)面板的應(yīng)

表1 面板混凝土配合比

力應(yīng)變影響；Yalin Arici[9]進(jìn)行了地震荷載作用下擠壓邊墻對(duì)混凝土面板性能的研究；張建明等[10]提出并論證了擠壓邊墻概化數(shù)值模型的合理性和適用性；陳洪天等[11]研究發(fā)現(xiàn)擠壓邊墻不是混凝土面板產(chǎn)生裂縫的主要原因，且其施工方法不會(huì)導(dǎo)致面板應(yīng)力的惡化。但對(duì)于擠壓邊墻在順坡向壓力荷載作用下的裂縫發(fā)展和破碎機(jī)理尚未有人進(jìn)行研究，因此進(jìn)行順坡向壓力荷載作用下擠壓邊墻壓裂破碎機(jī)理試驗(yàn)研究很有必要。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用大型DTD-2000KN動(dòng)靜三軸試驗(yàn)儀，試樣尺寸為150 mm×450 mm(直徑×高)。依據(jù)DL/T5422—2009《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻混凝土試驗(yàn)規(guī)程》以及相關(guān)文獻(xiàn)[12-21]，并參照某實(shí)際工程，確定面板混凝土和擠壓邊墻混凝土配合比如表1、表2所示。

表2 擠壓邊墻混凝土配合比

考慮試件的縮尺效應(yīng)，面板混凝土粗骨料選用最大粒徑為20 mm的卵石，擠壓邊墻混凝土選用最大粒徑為10 mm的人工碎石，墊層料選用最大粒徑為5 mm的級(jí)配良好的砂石料。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)原理

擠壓邊墻的上游是混凝土面板，下游是壓實(shí)后的墊層料以及堆石體，擠壓邊墻處于混凝土面板與墊層料之間。上部的壩體自重以及水的重力等都會(huì)對(duì)下部的擠壓邊墻產(chǎn)生一個(gè)順坡向的壓力荷載，這個(gè)荷載是長(zhǎng)期存在的，并且隨水位的升高，順坡向壓力荷載會(huì)逐漸增大，并且擠壓邊墻受到墊層料的約束不能自由變形。

結(jié)合實(shí)際工程中擠壓邊墻的特征與目前現(xiàn)有的試驗(yàn)條件，決定采用大型三軸試驗(yàn)儀來(lái)模擬擠壓邊墻的受力狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)特征，揭示擠壓邊墻在順坡向壓力荷載下的壓裂破碎規(guī)律，即模擬擠壓邊墻處于上游面板和下游墊層料之間、擠壓邊墻自身分層疊加、與面板以平面接觸、與墊層料以齒狀接觸的特殊結(jié)構(gòu)以及周?chē)嬖谝欢ǖ膰鷫?，順坡向壓力荷載不斷增大的受力狀態(tài)。由于三軸儀試件只能是圓柱體，所以用橫斷面為弧形的混凝土面板模擬實(shí)際工程中的混凝土面板，弧形面板最大厚度為45 mm，高度為450 mm，如圖1a所示。待擠壓邊墻試件達(dá)到試驗(yàn)齡期后從養(yǎng)護(hù)箱中取出，分層疊加、緊密靠在面板側(cè)，其他部位填最大粒徑為5 mm的砂礫石模擬墊層料，并用鋼筋插搗密實(shí)，運(yùn)用三軸儀施加圍壓和順坡向壓力荷載，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與受力狀態(tài)如圖1b所示，其中，a為弧形面板，b為擠壓邊墻，c為墊層料，σ1為主壓，σ2為圍壓。

圖1 擠壓邊墻混凝土試件示意

1.2.2 試驗(yàn)步驟

(1)試驗(yàn)前的準(zhǔn)備。包括模具的設(shè)計(jì)與制作、試驗(yàn)材料的選擇與制樣以及試件的養(yǎng)護(hù)等。

(2)試驗(yàn)階段。將養(yǎng)護(hù)好的試件取出，先把透水板與混凝土面板依次放置在三軸儀試驗(yàn)工作臺(tái)上，并套上熱縮套，固定其下端與底座，用PVC膠帶使之緊密貼合；接著把擠壓邊墻按照一定的順序放入熱縮套內(nèi)，在此過(guò)程中要不斷的添加墊層料并用鋼筋插搗密實(shí)，否則將會(huì)使邊墻受力不均，從而造成偏差[22]；然后放置上壓頭，用PVC膠帶使熱縮套與上壓頭完全密封；最后安裝傳感器，經(jīng)過(guò)調(diào)試后，利用小車(chē)將其送入壓力室開(kāi)始試驗(yàn)。

(3)試驗(yàn)后的處理。對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)及時(shí)保存，清理試驗(yàn)設(shè)備。

在該試驗(yàn)中主要考慮邊墻的3種搭接長(zhǎng)度，即10、15、20 cm；3種圍壓，即0.5、1、1.5 MPa；3種配合比，即A、B、C。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在進(jìn)行了大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得到了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和裂縫發(fā)生、發(fā)展以及擠壓邊墻破碎的圖片，經(jīng)過(guò)比對(duì)分析后，本文列舉有代表性的典型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用分類對(duì)比法分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出的規(guī)律。

通過(guò)大型三軸試驗(yàn)可以得出如下結(jié)果：①擠壓邊墻在順坡向壓力荷載作用下隨著順坡向壓力荷載的逐漸增大，會(huì)被逐漸壓裂破壞，但不會(huì)被徹底壓碎成為墊層的一部分；②擠壓邊墻在順坡向壓力荷載逐漸增大的過(guò)程中，當(dāng)壓力荷載增大到某一值時(shí)，第1條裂縫出現(xiàn)在擠壓邊墻搭接部位附近，方向近似垂直面板；③隨著壓力的進(jìn)一步增大，裂縫由兩側(cè)向中間發(fā)展直至將整個(gè)試件貫穿，同時(shí)由2個(gè)試件接觸部位向中間厚度較大處發(fā)展，最終整個(gè)試件被破壞，所有裂縫大致平行。

2.1 搭接長(zhǎng)度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響分析

搭接長(zhǎng)度為10、15、20 cm的擠壓邊墻出現(xiàn)裂縫時(shí)的壓力如表3所示。3種搭接長(zhǎng)度的擠壓邊墻最終破壞狀態(tài)相同，會(huì)被壓裂破壞但是不會(huì)被徹底壓碎成為墊層料的一部分，被壓裂破壞的順坡向壓力約為5.2 MPa。由試驗(yàn)結(jié)果和表3可知，擠壓邊墻之間的搭接長(zhǎng)度在順坡向壓力荷載作用下不會(huì)影響擠壓邊墻的最終破壞形態(tài)，但是對(duì)裂縫起裂時(shí)的荷載大小有影響，搭接長(zhǎng)度越大，裂縫起裂以及迅速發(fā)展增多時(shí)所需要的順坡向壓力就越大。

表3 不同搭接長(zhǎng)度的擠壓邊墻試件出現(xiàn)裂縫時(shí)的壓力

2.2 圍壓對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響分析

受到不同圍壓的擠壓邊墻在順坡向壓力荷載作用下，面板出現(xiàn)不同程度裂縫的壓力如表4所示。由表4可知，不同圍壓對(duì)擠壓邊墻在順坡向壓力荷載作用下的最終破壞沒(méi)有影響，但是對(duì)裂縫起裂時(shí)的荷載大小有影響，圍壓越大，裂縫起裂以及迅速發(fā)展時(shí)所需要的順坡向壓力荷載都越大。

表4 不同圍壓下擠壓邊墻試件出現(xiàn)裂縫時(shí)的壓力 MPa

2.3 配合比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響分析

不同配合比的擠壓邊墻試件出現(xiàn)裂縫時(shí)的壓力如表5所示，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和表5可知：①在順坡向壓力荷載作用下，擠壓邊墻會(huì)被壓裂破壞但是并不會(huì)被徹底壓碎；②擠壓邊墻配合比由A至C(即水膠比減小時(shí))，三軸試驗(yàn)試件抗壓強(qiáng)度沒(méi)有顯著變化，這是因?yàn)榛炷撩姘宓拇嬖冢姘寤炷恋膹椥阅Ａ窟h(yuǎn)遠(yuǎn)大于擠壓邊墻和墊層料，不易被壓縮，相同的壓力下面板混凝土的變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于擠壓邊墻和墊層料，當(dāng)壓力達(dá)到某一值時(shí)，壓力只由面板承受，而面板的最大厚高比為1∶10，容易被破壞而導(dǎo)致試驗(yàn)停止，這與實(shí)際工程中面板不會(huì)被順坡向的壓力壓壞的情況吻合；③擠壓邊墻在順坡向壓力荷載作用下被壓裂，起裂位置為擠壓邊墻之間的搭接部位，而不是深入墊層料的齒狀結(jié)構(gòu)處，裂縫方向大致垂直混凝土面板，當(dāng)壓力進(jìn)一步增大，裂縫持續(xù)發(fā)展，所有裂縫幾乎平行，直至將整個(gè)試件貫通；④隨著水膠比的減小，擠壓邊墻在順坡向壓力荷載作用下起裂以及裂縫發(fā)展所需要的順坡向壓力更大。

表5 不同配合比的擠壓邊墻試件出現(xiàn)裂縫時(shí)的壓力 MPa

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)擠壓邊墻在順坡向壓力荷載逐漸增大的過(guò)程中，第1條裂縫出現(xiàn)在擠壓邊墻搭接部位附近，方向近似垂直面板；隨著順坡向壓力的進(jìn)一步增大，裂縫由擠壓邊墻兩側(cè)向中間部位發(fā)展直至將整個(gè)試件貫穿，裂縫同時(shí)由2個(gè)試件搭接部位向中間厚度較大的部位發(fā)展，最終導(dǎo)致整個(gè)試件被破壞，所有裂縫大致平行；邊墻逐漸壓裂破壞，但是不會(huì)被徹底壓碎成為墊層的一部分。

(2)擠壓邊墻的水膠比對(duì)其在順坡向壓力荷載作用下被壓裂破壞的影響可以忽略，但是水膠比越小，裂縫起裂以及發(fā)展所需要的壓力越大。

(3)擠壓邊墻之間的搭接長(zhǎng)度和圍壓對(duì)于其最終破壞沒(méi)有影響，但是對(duì)于擠壓邊墻起裂以及裂縫的發(fā)展有影響，搭接長(zhǎng)度越大，圍壓越大，裂縫起裂以及發(fā)展所需要的壓力越大。

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