碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫等效強度試驗及橢圓簡化模型的可靠性研究

王偉偉

(塔城地區(qū)水利水電勘察設(shè)計院，新疆 塔城 834700)

誘導(dǎo)縫是碾壓混凝土拱壩建設(shè)中在縫斷面埋設(shè)的中間存在一定縫隙的雙層混凝土板或金屬板[1]。誘導(dǎo)縫的主要作用是拱壩的縫斷面受到拉應(yīng)力作用時可以率先開裂，從而使拉應(yīng)力獲得釋放，保證周圍混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫破壞，以保證大壩混凝土結(jié)構(gòu)在溫度荷載作用下的安全穩(wěn)定[2]。誘導(dǎo)縫雖然具有抗拉能力，但是這種抗拉能力已經(jīng)被人為削弱[3]。因此，誘導(dǎo)縫能否達到控制壩體無序裂縫的實際效果，不僅取決于壩體在溫度荷載下的應(yīng)力狀態(tài)，還取決于誘導(dǎo)縫被人為削弱后剩余的抗拉強度(等效強度[4]。在這方面，清華大學(xué)的曾昭揚教授最早提出碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫等效強度概念，并進行了相關(guān)領(lǐng)域的深入研究，認(rèn)為誘導(dǎo)縫等效強度是研究和判斷誘導(dǎo)縫開裂特征的重要參數(shù)[5]。此外，國內(nèi)外眾多學(xué)者在進行誘導(dǎo)縫等效效度計算過程中，均將矩形誘導(dǎo)縫簡化為橢圓形誘導(dǎo)縫，并據(jù)此進行了等效強度的計算公式[6]。因此，相關(guān)學(xué)者在研究溫度荷載作用下大壩誘導(dǎo)縫數(shù)值模擬計算中，一般也是用橢圓形誘導(dǎo)縫代替矩形誘導(dǎo)縫，以降低計算難度[7]。顯然，對誘導(dǎo)縫橢圓簡化計算模型的可靠性進行研究具有重要的理論和工程實踐價值?；诖?，此次研究通過試件模擬試驗的方式，對碾壓混凝土拱壩矩形和橢圓誘導(dǎo)縫等效強度的特征和變化進行試驗研究，并進一步驗證橢圓簡化模型的可靠性。

1 試驗方案和試件制作

1.1 試驗方案設(shè)計

結(jié)合相關(guān)學(xué)者的研究成果，設(shè)計見表1的碾壓混凝土拱壩非穿透性誘導(dǎo)縫等效強度試驗方案[8]。其中，軸拉試驗考慮矩形和橢圓兩種誘導(dǎo)縫形式，40mm×90mm、55mm×100mm、70mm×110mm等3種不同尺寸以及7d、14d、28d、60d和90d等5種不同的齡期。為了保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，每種試驗方案制作3個試件，規(guī)格均為150mm×150mm×550mm，并將其試驗結(jié)果均值作為該方案的最終數(shù)據(jù)。誘導(dǎo)縫消弱度ω定義為誘導(dǎo)縫面積與試件截面面積的比值，為了對兩種不同形式的誘導(dǎo)縫的效果進行對比，試驗中橢圓形誘導(dǎo)縫的長軸和短軸的長度等于矩形誘導(dǎo)縫的長和寬[9]。

1.2 試件的制作和養(yǎng)護

試件的制作原料需要滿足碾壓混凝土重力壩的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，其中，試件制作用水采用普通自來水；水泥采用PO42.5普通硅酸鹽水泥；沙子采用級配良好、質(zhì)地堅硬的天然中沙；碎石采用的是最大粒徑為40mm的普通砂礫石材料，粉煤灰采用的是符合國家II 級標(biāo)準(zhǔn)的超細粉煤灰；減水劑為聚羧酸低引氣高效減水劑。試驗用誘導(dǎo)片為厚度2mm的金屬板，在埋片時涂抹一定量的礦物油，防止誘導(dǎo)片與周圍的混凝土發(fā)生黏連[10]。

表1 試驗方案設(shè)計表

按照碾壓混凝土重力壩施工規(guī)范要求進行混凝土拌合，在澆筑過程中每層混凝土利用平板振動器和搗振棒搗振，以模擬碾壓效果。試件成型后在室溫20℃、濕度50%的條件下保存48h 后拆模，然后在適度≥90%的條件下養(yǎng)護至試驗齡期。

1.3 試驗裝置和測量

本次試驗采用杭州萬高科技有限公司出品的WAW-3000C型萬能試驗機，進行軸拉試驗和數(shù)據(jù)采集。在試驗機上安裝試件，根據(jù)試驗要求設(shè)置好控制模式和試驗速度，在本次試驗中單步控制加載速度為0.4MPa/min，保持勻速加載，直到試件中的誘導(dǎo)縫發(fā)生斷裂破壞。數(shù)據(jù)采集項目包括：試件所承受的最大荷載；誘導(dǎo)縫尖端張開口的位移量。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 矩形誘導(dǎo)縫試驗結(jié)果分析

利用實驗結(jié)果繪制出見圖1和圖2所示的矩形誘導(dǎo)縫試件在不同齡期和消弱度與試件等效強度之間變化曲線。由試驗結(jié)果可知，在相同混凝土齡期條件下，矩形誘導(dǎo)縫的等效強度與誘導(dǎo)縫消弱強度之間呈顯著的負相關(guān)關(guān)系，也就是消弱度越大，試件的等效強度就越小。在誘導(dǎo)縫的消弱度相同條件下，矩形誘導(dǎo)縫等效強度和混凝土齡期之間呈現(xiàn)出復(fù)合指數(shù)相關(guān)關(guān)系。具體而言，誘導(dǎo)縫等效強度早期發(fā)展比較迅速，在28d齡期時即可達到90d等效強度的85%左右。由此可見，誘導(dǎo)縫等效強度的增長規(guī)律和碾壓混凝土強度的增長規(guī)律基本一致。

圖1 矩形誘導(dǎo)縫等效強度與消弱度擬合曲線

圖2 矩形誘導(dǎo)縫等效強度與齡期擬合曲線

2.2 橢圓誘導(dǎo)縫試驗結(jié)果分析

利用實驗結(jié)果繪制出見圖3和圖4所示的橢圓誘導(dǎo)縫試件在不同齡期和消弱度與試件等效強度之間變化曲線。由試驗結(jié)果可知，橢圓誘導(dǎo)縫試件的試驗結(jié)果與矩形誘導(dǎo)縫的試驗結(jié)果類似：在相同混凝土齡期條件下，橢圓誘導(dǎo)縫的等效強度與誘導(dǎo)縫消弱度之間呈顯著的負相關(guān)關(guān)系，也就是消弱度越大，試件的等效強度就越小。在誘導(dǎo)縫的消弱度相同條件下，橢圓誘導(dǎo)縫等效強度和混凝土齡期之間呈現(xiàn)出復(fù)合指數(shù)相關(guān)關(guān)系。具體而言，橢圓誘導(dǎo)縫等效強度早期發(fā)展比較迅速，而后期強度發(fā)展比較緩慢。由此可見，橢圓誘導(dǎo)縫等效強度的增長規(guī)律和碾壓混凝土強度的增長規(guī)律基本一致。

圖3 橢圓誘導(dǎo)縫等效強度與消弱度擬合曲線

圖4 橢圓誘導(dǎo)縫等效強度與齡期擬合曲線

2.3 橢圓簡化模型的可靠性驗證

在碾壓混凝土拱壩的誘導(dǎo)縫研究和數(shù)值模擬分析過程中，我國的眾多學(xué)者提出了眾多等效強度計算模型，這些模型一般都是將矩形誘導(dǎo)縫進行橢圓簡化。但是，在實際的工程設(shè)計過程中，一般是按照矩形形狀設(shè)置按照一定規(guī)律排列的雙向間隔誘導(dǎo)縫。因此，本次研究中，基于非穿透型碾壓混凝土誘導(dǎo)縫的等效強度軸拉試驗結(jié)果對上述簡化計算方式是否可靠進行驗證。根據(jù)試驗過程中獲得的矩形誘導(dǎo)縫和橢圓誘導(dǎo)縫等效強度試驗結(jié)果，計算獲得如表2所示的橢圓簡化模型等效強度誤差計算結(jié)果。

由計算結(jié)果可知，在相同的誘導(dǎo)片尺寸、混凝土齡期以及試驗條件均相同的前提條件下，橢圓形誘導(dǎo)縫和矩形誘導(dǎo)縫的等效強度試驗結(jié)果誤差均在8%以內(nèi)，同時，隨著誘導(dǎo)片尺寸的增加，誤差呈現(xiàn)出明顯減小的趨勢。由于本次試驗所使用的試件的尺寸大小基本一致，且采用的原料相同，因此誘導(dǎo)縫等效強度誤差分析結(jié)果具有較高的可靠性?；诖耍J(rèn)為橢圓簡化模型可以直接用于碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫數(shù)值模擬分析研究，基本不需要進行修正。

表2 兩種誘導(dǎo)縫等效強度誤差計算結(jié)果

3 結(jié) 論

本次研究利用試件模擬試驗的方法，對碾壓混凝土拱壩中非穿透型矩形誘導(dǎo)縫和橢圓形誘導(dǎo)縫等效強度與混凝土齡期和消弱度之間關(guān)系展開研究，并獲得如下結(jié)論：

1)無論是矩形誘導(dǎo)縫還是橢圓誘導(dǎo)縫，其等效強度與誘導(dǎo)縫消弱度之間呈顯著的負相關(guān)關(guān)系，也就是消弱度越大，試件的等效強度就越小；在誘導(dǎo)縫的消弱度相同條件下，誘導(dǎo)縫等效強度和混凝土齡期之間呈現(xiàn)出復(fù)合指數(shù)相關(guān)關(guān)系，誘導(dǎo)縫等效強度早期發(fā)展比較迅速，其增長規(guī)律和碾壓混凝土強度的增長規(guī)律基本一致。

2)根據(jù)橢圓簡化模型等效強度誤差計算結(jié)果，橢圓形誘導(dǎo)縫和矩形誘導(dǎo)縫的等效強度試驗結(jié)果誤差均在8%以內(nèi)，同時，隨著誘導(dǎo)片尺寸的增加，誤差呈現(xiàn)出明顯減小的趨勢，認(rèn)為橢圓簡化模型可以直接用于碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫數(shù)值模擬分析研究，基本不需要進行修正。