水利工程中防滲結(jié)構(gòu)多類型材料單軸試驗(yàn)研究

王 毅，繆成美，薛亞民，張 誠，陳大雷

（1.淮安市淮河水利建設(shè)工程有限公司，江蘇 漣水 223400；2.江蘇淮陰水利建設(shè)有限公司，江蘇 淮安 223001；3.江蘇淮源工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，江蘇 淮安 223001）

1 引言

水利樞紐工程中，防滲措施重中之重，設(shè)計(jì)有效防滲措施，將顯著提升水利工程運(yùn)營安全穩(wěn)定性[1-3]。利用多類型混合料設(shè)計(jì)防滲墻結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)水利工程主體結(jié)構(gòu)與防滲墻的整體性，但不可忽視，多類混合料的力學(xué)特性同樣對水利樞紐工程安全穩(wěn)定具有重要作用，因而，設(shè)計(jì)開展混合料的力學(xué)特性影響特征分析具有重要作用[4,5]。已有一些學(xué)者利用水工模型試驗(yàn)，研究了防滲墻結(jié)構(gòu)在整體樞紐工程中長期運(yùn)營穩(wěn)定性，極大為防滲墻混合料設(shè)計(jì)使用提供參考[6]。當(dāng)然，亦有一些學(xué)者基于材料力學(xué)試驗(yàn)研究方法，設(shè)計(jì)了瀝青混凝土、改性膨潤土及其他水工混凝土材料力學(xué)特性，為水利工程中防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用提供對比參考[7,8]。本文將以水泥、土體等多類混合料為研究對象，探討其單軸力學(xué)特征[9,10]，為水利樞紐工程中防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)背景及試驗(yàn)儀器

某水利樞紐工程作為地區(qū)內(nèi)重要蓄水調(diào)水設(shè)施，包括有泄洪閘以及壩體部分，其中泄洪閘采用平面鋼閘門，以液壓式啟閉機(jī)作為調(diào)控設(shè)施，與下游灌區(qū)輸水渠道相通；另目前建設(shè)有長度約為400 m的混合壩體，包括150 m長度的土石壩，其他區(qū)段內(nèi)均采用C 25素混凝土一體式澆筑型的重力式大壩，壩趾處鋪設(shè)有細(xì)粒混凝土砌石地層，厚度30 cm，面板設(shè)置有聚氨酯填縫材料?，F(xiàn)為增強(qiáng)該樞紐工程壩體防滲穩(wěn)定性，考慮對壩體增設(shè)防滲墻結(jié)構(gòu)，厚度設(shè)計(jì)為60 cm，水庫管理部門考慮采用水泥-膨潤土為原材料，制作混合料性質(zhì)的防滲墻結(jié)構(gòu)，而混合料力學(xué)特性與防滲墻防滲性能息息相關(guān)，故而設(shè)計(jì)開展材料單軸力學(xué)破壞試驗(yàn)。

本次混合料單軸壓縮破壞試驗(yàn)采用RC 150混凝土材料試驗(yàn)機(jī)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與加載系統(tǒng)，加載臺(tái)上可適應(yīng)不同尺寸試樣試驗(yàn)，最大豎向荷載可達(dá)1 000 kN，可變換多種控制方式加載，精度誤差最小僅為0.2%；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)，采集間隔為0.5 s，力傳感器以及位移傳感器均在實(shí)驗(yàn)前均已標(biāo)定，位移傳感器最大可達(dá)12 mm，圖1為該混凝土材料試驗(yàn)系統(tǒng)。

圖1 混凝土材料試驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 試驗(yàn)方案

為研究防滲墻結(jié)構(gòu)中混合料單軸壓縮破壞特性，研究設(shè)計(jì)不同配合比方案，其中分為水與水泥比（水灰比）、水與膨潤土之比（水土比）兩個(gè)影響方案，水灰比參數(shù)設(shè)定為 6、5、4、3，水土比設(shè)定為 7.5、5.5、4.5、3.5，具體配合比及試驗(yàn)方案如表1所示。按照試驗(yàn)方案目標(biāo)配合比，取定量材料加水拌勻后，將膨潤土、水泥、土顆粒振搗接觸，保證所制作出試樣內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)在加載過程中各向同性；將拌勻后的水泥-膨潤土試樣置入模具中成型，徑高尺寸為100 mm×200 mm，倒入模具后應(yīng)保證模具端面平整，后放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)恒溫恒濕環(huán)境下養(yǎng)護(hù)48 h，后續(xù)完成脫模工作。相同配合比試驗(yàn)分別按照齡期15 d、30 d養(yǎng)護(hù)后，才可進(jìn)行后續(xù)單軸試驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)中參照規(guī)范[11]進(jìn)行單軸試驗(yàn)研究。

表1 混合料配合比試驗(yàn)方案

試驗(yàn)步驟簡介如下：

（1）經(jīng)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)目標(biāo)齡期后的試樣取出，完成試驗(yàn)前試樣各物理參數(shù)測定，安裝試樣至加載臺(tái)上，保證端面與加載中心對齊；

（2）試驗(yàn)系統(tǒng)中力傳感器清零，位移傳感器調(diào)整至合適量程，直接在試樣兩端安裝位移傳感器，后以荷載控制以及變形控制方式逐級(jí)加載，觀測試樣實(shí)時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，直至失穩(wěn)破壞，停止試驗(yàn)；

（3）結(jié)束數(shù)據(jù)采集后，卸掉殘余豎向荷載，更換試樣，繼續(xù)試驗(yàn)。

3 混合料單軸破壞力學(xué)特征

3.1 水灰比影響特性

圖2 水灰比影響下混合料單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線（養(yǎng)護(hù)齡期15 d）

圖3 水灰比與單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

基于單軸壓縮破壞實(shí)驗(yàn)，獲得不同配合比參數(shù)影響下混合料力學(xué)特征，限于篇幅，本文以養(yǎng)護(hù)齡期15 d試驗(yàn)結(jié)果開展分析，圖2為水灰比影響下混合料單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖中可看出，加載過程中加載應(yīng)力水平與水灰比為負(fù)相關(guān)關(guān)系，相同加載應(yīng)變下，以低水灰比試樣應(yīng)力水平較高，在相同水土比7.5、相同加載應(yīng)變1%時(shí)，水灰比為6試樣的應(yīng)力值為15.8 kPa，而相同情況下，水灰比為5、4、3試樣應(yīng)力相比前者分別增大了1.2倍、5.1倍、7倍；此種現(xiàn)象在水土比5.5等方案中亦是如此。分析認(rèn)為，水灰比參數(shù)愈小，則混合料中水泥占比含量愈高，即水泥可充分與混合料中顆粒骨架結(jié)構(gòu)膠凝，減少混合料內(nèi)部所存在孔隙孔間，增強(qiáng)試樣承載穩(wěn)定性，從而提高混合料單軸加載過程中應(yīng)力水平。另一方面，水灰比增大，對加載應(yīng)力水平的抑制影響，實(shí)質(zhì)上亦會(huì)弱化混合料單軸抗壓強(qiáng)度，圖3為兩個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期下混合料單軸抗壓強(qiáng)度隨水灰比變化曲線，從圖中可知，養(yǎng)護(hù)30 d、水土比7.5時(shí)，水灰比為3的試樣單軸抗壓強(qiáng)度為299.6 kPa，而水灰比為4、5、6試樣抗壓強(qiáng)度相比前者分別降低了28.7%、58.4%、61.8 %；另對比在相同養(yǎng)護(hù)齡期下，水土比為4.5時(shí)，前述水灰比試樣之間降低幅度分別為21.7%、49%、80.6%，即當(dāng)水土比降低，會(huì)提高低水灰比試樣與高水灰比試樣之間強(qiáng)度差異；分析表明，水土比降低，混合料中水含量減少會(huì)影響水泥膠凝特性，減弱試樣晶體框架結(jié)構(gòu)間粘結(jié)性能，表現(xiàn)在抗壓強(qiáng)度上為降低幅度增大。

從變形特征來看，水灰比愈大，則峰值應(yīng)力后軟化特性愈弱，低水灰比試樣峰值應(yīng)力后呈顯著脆性破壞特征，而高水灰比試樣峰值應(yīng)力后具有硬化特征。從圖2水土比4.5研究方案試驗(yàn)結(jié)果可知，峰值應(yīng)變最大為水灰比最高的試樣，達(dá)2.1%，而水灰比為5、4、3試樣峰值應(yīng)變分別為1.7%、1.6%、1.5%，且低水灰比試樣峰值前彈性階段持續(xù)較長，即高水灰比試樣塑性變形能力得到增強(qiáng)，混合料峰值應(yīng)變亦是以高水灰比試樣最大。

3.2 水土比影響特性

圖4為水土比影響下混合料單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖中可看出，在同為水灰比5、4、3試驗(yàn)方案中，加載應(yīng)力水平均與水土比為負(fù)相關(guān)關(guān)系，相同應(yīng)變下，以低水土比試樣應(yīng)力水平較高，當(dāng)相同水灰比4、加載應(yīng)變0.7%下，水土比為7.5試樣的加載應(yīng)力為107.5 kPa，而水土比3.5、4.5、5.5試樣相比前者分別增大了13.6%、11.7%、8.5%。當(dāng)水土比愈大，則土顆粒含量愈小，即混合料中承載骨架結(jié)構(gòu)愈弱，導(dǎo)致加載過程中應(yīng)力水平較低；分析認(rèn)為，土顆粒有助于提升混合料承載能力，在防滲墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)添加入適量土體。當(dāng)同為水灰比6時(shí)，加載過程中應(yīng)力水平最高者為水土比5.5，隨水土比增大，加載應(yīng)力水平為先增后減變化。圖5為兩種不同養(yǎng)護(hù)齡期條件下單軸抗壓強(qiáng)度受水土比影響特性曲線，養(yǎng)護(hù)齡期為30 d、水灰比為6時(shí)，水土比為5.5的試樣強(qiáng)度為171.9 kPa，而水土比為4.5、7.5試樣的抗壓強(qiáng)度相比前者分別降低了11.8%、32.7%，分析認(rèn)為，當(dāng)混合料中水灰比處于較高水平時(shí)，而水土比遞增至一定界限時(shí)，混合料中已不是傳統(tǒng)的三相材料，而是趨于二相體，進(jìn)而勢必會(huì)改變混合料中成型的骨架顆粒結(jié)構(gòu)，造成試樣單軸抗壓強(qiáng)度降低。從變形特征來看，在水灰比為6的試樣中，應(yīng)力硬化現(xiàn)象顯著，隨水土比遞減，硬化現(xiàn)象愈顯著；從峰值應(yīng)變來看，養(yǎng)護(hù)30 d下相同水灰比為5的實(shí)驗(yàn)方案中水土比 7.5、5.5、4.5、3.5 對應(yīng)的應(yīng)變值分別為 2.1 %、1.65%、2.1%、2.3%，整體上為遞增，但基本相近，即水土比對峰值應(yīng)變影響較弱，一致性關(guān)系并不顯著。

圖4 水土比影響下混合料單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線（養(yǎng)護(hù)齡期30 d）

圖5 水土比與單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

3.3 養(yǎng)護(hù)齡期影響特性

基于兩種不同養(yǎng)護(hù)齡期下混合料單軸破壞試驗(yàn)，獲得圖6所示養(yǎng)護(hù)齡期影響下的力學(xué)特性，另給出圖7所示抗壓強(qiáng)度受養(yǎng)護(hù)齡期影響特征。從整體應(yīng)力水平及抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)來看，養(yǎng)護(hù)齡期與混合料強(qiáng)度為正相關(guān)，當(dāng)相同水灰比5、水土比5.5時(shí)，養(yǎng)護(hù)15 d的混合料試樣抗壓強(qiáng)度為144.3 kPa，而相同配合比方案下養(yǎng)護(hù)30 d試樣抗壓強(qiáng)度相比前者增大了33.8%；分析認(rèn)為，混合料中包括有水泥這類膠凝材料，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期愈長，膠凝材料的水化反應(yīng)愈充分，試樣顆粒骨架結(jié)構(gòu)愈穩(wěn)固，因而強(qiáng)度增長顯著。從圖7（b）可看出，相同配合比方案在不同養(yǎng)護(hù)齡期條件下，強(qiáng)度變化幅度有較大顯著差異：在試驗(yàn)方案a組中，以水灰比參數(shù)較小的a-3、a-4增大幅度為最大，分別達(dá)116.6 kPa、171.7 kPa；而在試驗(yàn)方案b組中，同樣的b-3、b-4試樣強(qiáng)度增長亦較顯著，分析認(rèn)為，當(dāng)水灰比較小時(shí)，即混合料中水泥含量較多，可顯著提升養(yǎng)護(hù)齡期對試樣單軸抗壓強(qiáng)度的促進(jìn)效應(yīng)。當(dāng)水土比遞減，混合料中土顆粒含量有所增多之時(shí)，在達(dá)到一定含量時(shí)，如d-2試樣的強(qiáng)度增長幅度基本與c-2一致，即土顆粒含量對養(yǎng)護(hù)齡期促進(jìn)強(qiáng)度增長效應(yīng)具有上限性。

圖6 養(yǎng)護(hù)齡期影響下混合料單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖7 混合料抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系

4 結(jié)論

為研究某水利樞紐工程中防滲墻結(jié)構(gòu)多類型混合料力學(xué)特征，設(shè)計(jì)開展了不同因素影響特性試驗(yàn)，得到以下三點(diǎn)結(jié)論：

（1）獲得了防滲墻結(jié)構(gòu)混合料單軸應(yīng)力與水灰比為負(fù)相關(guān)，水灰比為4、5、6試樣抗壓強(qiáng)度相比水灰比為3試樣分別降低了28.7%、58.4%、61.8%；水土比降低，可提高水灰比對混合料強(qiáng)度的抑制效應(yīng)；高水灰比混合料塑性變形能力較強(qiáng)，峰值應(yīng)變最大。

（2）獲得了防滲墻結(jié)構(gòu)混合料單軸應(yīng)力與水土比為負(fù)相關(guān)；且當(dāng)混合料中水灰比為6時(shí)，在水土比低于5.5下，抗壓強(qiáng)度為遞增特性，水土比為4.5、7.5試樣的抗壓強(qiáng)度相比水土比為5.5試樣分別降低了11.8%、32.7%；水土比對峰值應(yīng)變影響較弱。

（3）分析了養(yǎng)護(hù)齡期對混合料應(yīng)力水平影響特性，養(yǎng)護(hù)齡期與混合料強(qiáng)度為正相關(guān)，相同配合比方案下養(yǎng)護(hù)30 d試樣抗壓強(qiáng)度相比養(yǎng)護(hù)15 d增大了33.8%；水泥成分可顯著提升養(yǎng)護(hù)齡期對混合料抗壓強(qiáng)度的促進(jìn)效應(yīng)，而土體含量改觀養(yǎng)護(hù)齡期的促進(jìn)效應(yīng)具有上限性。