不同應(yīng)變模型在瀝青混凝土中的適用性研究

劉珊珊

(齊齊哈爾市江東灌澇區(qū)服務(wù)中心，黑龍江 齊齊哈爾 161001)

1 緒 論

瀝青混凝土具有非常好的抗?jié)B性能，作為柔性材質(zhì)，水工瀝青混凝土適應(yīng)變形的能力很強，目前我國水利工程中瀝青混凝土作為防滲體應(yīng)用廣泛。瀝青混凝土面板防滲斷面形式分為簡式和復(fù)式，復(fù)式斷面結(jié)構(gòu)分為封閉層、上防滲層、排水層、下防滲層、整平膠結(jié)層共5層結(jié)構(gòu)，簡式斷面則省略排水層和下防滲層[1]。封閉層的作用是防止上防滲層因空氣、水等外界環(huán)境的老化作用，一般采用瀝青瑪蹄脂；上防滲層采用密級配瀝青混凝土，作用是阻止入庫滲水，整平膠結(jié)層是冬雨季節(jié)保護碎石墊層，同時作為防滲面板基礎(chǔ)層，優(yōu)化調(diào)整下防滲層厚度，確保大壩防滲面板的材料完整性和構(gòu)造連續(xù)性；整平膠結(jié)層一般采用粗級配瀝青混凝土。

2 彈性模型對應(yīng)力應(yīng)變的分析

2.1 完全理想彈塑性模型

塑性力學可將應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進行曲線簡化如下：

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合以下公式：

(1)

圖1 理想彈塑性簡化模型

2.2 用完全理想彈塑性分析瀝青混凝土拉伸

為使試件性能接近瀝青混凝土面板的現(xiàn)場實際碾壓性能，采用板式成型方法[2]，將160℃±5℃的熱混合料裝入模具中，模型尺寸250×125×50mm，混合料插搗均勻鋪平后擊實，待試件冷卻至室溫后進行脫模，3個試件為1組，試驗前先測定試件孔隙率。

圖2 切割后的拉伸試件

本次直接拉伸試驗溫度為2℃，按加載速率1mm/min進行加載，也就是1%的應(yīng)變率每分鐘。

表1 2℃條件下應(yīng)變率1%拉伸試驗結(jié)果

圖3 2℃條件下應(yīng)變率1%實際拉伸試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線

表2 2℃理想彈塑性擬合拉伸試驗結(jié)果

3 線彈性模型對應(yīng)力應(yīng)變的分析

3.1 線彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

若材料處于線彈性階段，即σ<σp，則應(yīng)力應(yīng)變成比例關(guān)系：

σ=Eε

(2)

若材料只受剪切力，在線彈性階段τ<τp，則剪應(yīng)力與模量關(guān)系式為τ=Gγ,G為剪切彈性模量。平面應(yīng)力狀態(tài)表達式為：

(3)

3.2 線彈性分析拉伸

本次直接拉伸試驗溫度為11℃和25℃，按加載速率1mm/min進行加載，屬于一維問題，拉伸應(yīng)變等于試件伸長位移除以初始長度：

(4)

式中F拉伸荷載；A試件斷面面積；σt軸向拉伸應(yīng)力：

(5)

式中：εt為軸向拉伸應(yīng)變；s為軸向拉伸變形值；L為軸向量測標距100mm。

圖4 11℃條件下應(yīng)變率1%的拉伸應(yīng)變曲線

圖5 11℃線彈性性擬合拉伸試驗

表3 11℃線彈性性擬合拉伸試驗結(jié)果

3.4 小梁彎曲試驗計算應(yīng)變的驗證

圖6 跨中受集中力小梁彎曲示意圖

對AC段分析A點的撓度為0，C點的撓度最大為

(6)

則AC段的平均撓度為

(7)

(8)

故AC段的平均撓度為C點撓度的5/8倍，近似應(yīng)變AC段的平均應(yīng)變應(yīng)為C點的應(yīng)變的5/8倍,由于軸對稱，則全梁的下表面平均應(yīng)變?yōu)橹悬c最大應(yīng)變的5/8倍。在小梁彎曲試件的側(cè)面有效跨徑上打上平行線，試驗過程中用軟鋼尺測定梁下表面被拉長的距離，由于原跨徑為200mm，記錄當采集荷載達到最大值時的小梁有效跨徑下表面伸長后的長度，可得實測的下表面變形的平均應(yīng)變。可判定理論計算應(yīng)變的準確性和理論計算模型的可行性[3-4]。

圖7 彎曲試驗后的小梁試件

從表4中可以看出，小梁彎曲試驗時，在達到最大荷載時下表面的平均彎拉應(yīng)變和理論計算的平均彎拉應(yīng)變基本上是相符的，低溫2℃時小梁彎曲的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以用完全理想彈塑性模型來計算，在較高溫度像11℃和25℃時其小梁彎曲的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系用線彈性模型來計算是比較準確的。

表4 三種溫度下小梁下表面實測平均應(yīng)變和計算平均應(yīng)變

3.5 綜合分析結(jié)果

從表5可以看出同一溫度下，壓縮的強度遠大于拉伸的強度，說明瀝青混凝土是脆性材料，呈現(xiàn)出典型的耐壓不耐拉，故而小梁彎曲時，一部分受拉，一部分受壓，本質(zhì)上是彎拉破壞。同一溫度下同一應(yīng)變率下，彎拉的應(yīng)變大于直接拉伸的，但小于抗壓的。當瀝青混凝土以面板的形式出現(xiàn)時，要著重考慮其受彎拉時的特點，在同一應(yīng)變率同一溫度下，拉伸和壓縮的彈性模量基本是相同的，但在對2度的彈塑性假定下，其彈性模量大于拉伸和壓縮的，11度和25度時的彎曲彈性模量和直接拉伸與抗壓時的較為接近。從溫度方面看，當溫度增高時，瀝青混凝土強度明顯降低，應(yīng)變明顯增大，彈性模量明顯降低。

表5 直接拉伸、單軸抗壓、小梁彎曲之間的比較

4 結(jié) 論

文章求解了某抽水蓄能電站瀝青混凝土面板防滲層的直接拉伸、單軸抗壓、小梁彎曲在不同溫度下的最大應(yīng)變、最大應(yīng)力、彈性模量，并對求解的小梁彎曲的跨中最大彎拉應(yīng)變進行了驗證，分析認為2度時的小梁彎曲可用拉壓不同屈服極限彈塑性理論、11°和25°的小梁彎曲可用線彈性理論進行求解較為合理。