瀝青混凝土面板防滲層不同變形性能研究

韓雪東

(肇源縣灌排中心，黑龍江 肇源 166500)

0 前 言

瀝青混凝土面板防滲層是面板的主要防滲體，為傳力結(jié)構(gòu)非承載結(jié)構(gòu)，從應(yīng)變角度研究瀝青混凝土面板防滲層在不同條件下的變形性能非常重要。文章主要從不同的模型計(jì)算角度去分析不同溫度下的拉伸、抗壓、小梁彎曲、圓盤蠕變特性試驗(yàn)，對(duì)求解的最大拉應(yīng)變進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)比較了不同破壞拉應(yīng)變之間的關(guān)系，得出2℃時(shí)采用彈塑性、11和25℃采用線彈性計(jì)算小梁彎曲最大彎拉應(yīng)變、圓盤特性試驗(yàn)以蠕變模型分析較為合理。

1 緒 論

瀝青混凝土和普通混凝土不同，當(dāng)外界環(huán)境溫度或荷載時(shí)長(zhǎng)變化時(shí)，瀝青混凝土的破壞變形值變化顯著，其作為柔性結(jié)構(gòu)蠕變特性明顯，瀝青混凝土面板堆石壩是采用堆石體表面防滲的壩型，面板受到來自上游水荷載、日照高溫、水流沖刷和氣溫溫差等作用，和堆石體相比，瀝青混凝土面板更符合傳力結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其變形和應(yīng)變速率決定于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形變而非自身[1]。因此在水工瀝青混凝土設(shè)計(jì)中面板參數(shù)的主控指標(biāo)應(yīng)設(shè)定為應(yīng)變量。

2 圓盤蠕變特性有限元原理

彈性薄板的小撓度理論基本假設(shè)：薄板中面彎曲只發(fā)生沿中面法線w的撓度，各單元點(diǎn)變形前后基于不同結(jié)構(gòu)均在同一法線，距離恒定。各層結(jié)構(gòu)平行中面，相互獨(dú)立，截取圓薄板的微元體如圖1所示[2]。

圖1 在圓薄板上取微元體示意圖

微元體內(nèi)力分布見圖2：徑向：Mr、Mr+(dMr/dr)dr；周向：Mθ、Mθ；橫向剪力：Qr、Qr+(dQr/dr)dr。

圖2 圓薄板微元體受力分析圖

微體內(nèi)、外力對(duì)圓柱面切線T的力矩代數(shù)和為零[3]，平衡方程為：

∑MT=0

(1)

(2)

圓平板在軸對(duì)稱載荷下的平衡方程：

(3)

3 蠕變理論在圓盤試驗(yàn)中應(yīng)用分析

3.1 2℃時(shí)的圓盤初裂應(yīng)變求解

圓盤試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定荷載為單一較小水壓力，隨時(shí)間變化撓度增加，到圓盤產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫或漏水時(shí)結(jié)束[4]。因上、下接觸面為危險(xiǎn)面，文章僅對(duì)該部分進(jìn)行計(jì)算分析。2℃的圓盤試驗(yàn)各參數(shù)為p=0.12MPa、h=50mm、μ=0.48、R=250mm，上下表面的徑向、周向應(yīng)力結(jié)果見圖3-圖4。(拉應(yīng)力為值，壓應(yīng)力為值)

圖3 2℃圓盤試驗(yàn)上下表面處的徑向應(yīng)力分布圖

圖4 周向應(yīng)力分布圖

求得固支段的剪應(yīng)力隨高度的分布圖見圖5。

圖5 2℃圓盤試驗(yàn)固支端剪切應(yīng)力高度分布圖

圓盤試驗(yàn)應(yīng)力值見表1。

表1 圓盤試驗(yàn)應(yīng)力值 2℃

靜力部分引起的圓板上部的撓度分布，見圖6；瞬態(tài)徑向應(yīng)變分布圖，見圖7；圓盤試驗(yàn)應(yīng)力值，見表2。

表2 圓盤試驗(yàn)應(yīng)力值 2℃

圖6 2℃圓盤試驗(yàn)靜力引起的瞬態(tài)撓度分布圖

圖7 瞬態(tài)徑向應(yīng)變分布圖

4 瀝青混凝土面板變形的因素分析

4.1 水荷載的作用

在水荷載作用下，瀝青混凝土面板應(yīng)變主控指標(biāo)為拉伸應(yīng)變來控制設(shè)計(jì)指標(biāo)，結(jié)果表明：

1)無論是大壩堆石體或岸坡基巖，瀝青混凝土面板的最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在上游壩坡與水庫(kù)底部的反弧段位置[5]。

2)面板沿厚度方向的應(yīng)力應(yīng)變均勻分布，表明面板狀態(tài)單純受拉或受壓，在面板貼坡段受壓，在反弧段受拉。

3)瀝青混泥土面板變形受堆石料材料參數(shù)影響顯著，表明其變形主要決定于下臥基礎(chǔ)層的變形。

4.2 不均勻沉陷對(duì)面板的影響

不均勻沉降時(shí)瀝青混凝土面板應(yīng)變主控指標(biāo)為彎曲應(yīng)變。當(dāng)壩址區(qū)無透鏡體時(shí)，壩基覆蓋層材料單一，面板的應(yīng)變沿厚度方向均勻分布。若壩址區(qū)存在不連續(xù)土質(zhì)透鏡體，壩體的基礎(chǔ)沉降造成面板撓度產(chǎn)生突變，此時(shí)面板上方受壓，周圍受拉。

4.3 繞壩滲流反向水壓力對(duì)面板的影響

當(dāng)庫(kù)水位下降時(shí)，若面板下方滲水未排盡，反向水壓力將造成面板鼓包，此時(shí)面板應(yīng)力較低，隨時(shí)間效應(yīng)面板變化為瀝青混凝土蠕變。

4.4 不同變形性能試驗(yàn)間的比較

圓盤試驗(yàn)成果驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)：2℃時(shí)圓盤中心變形撓跨比達(dá)到2.5%不漏水，25℃時(shí)圓盤中心撓跨比達(dá)到10%不漏水。不同試驗(yàn)強(qiáng)度間的比較，見表3；不同試驗(yàn)彈性模量間的比較，見圖4，不同試驗(yàn)最大應(yīng)變間的比較，見圖5，不同試驗(yàn)強(qiáng)度間的比較，見圖8，不同試驗(yàn)彈性模量間的比較，見圖9，不同試驗(yàn)最大應(yīng)變間的比較，見圖10。

圖9 不同試驗(yàn)彈性模量間的比較

圖10 不同試驗(yàn)最大應(yīng)變間的比較

表3 不同試驗(yàn)強(qiáng)度間的比較

表4 不同試驗(yàn)彈性模量間的比較

表5 不同試驗(yàn)最大應(yīng)變間的比較

圖8 不同試驗(yàn)強(qiáng)度間的比較

從上面的圖中可知，當(dāng)拉伸、壓縮、彎曲應(yīng)變速率相同時(shí)，試驗(yàn)溫度升高，直接拉伸強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、小梁彎曲各強(qiáng)度指數(shù)均明顯下降，在2℃到25℃的溫度區(qū)間內(nèi)，瀝青混凝土脆性特性表現(xiàn)明顯。在同一溫度、應(yīng)變率條件下，直接拉伸的強(qiáng)度小于小梁彎曲的強(qiáng)度，小梁彎曲的強(qiáng)度小于壓縮的強(qiáng)度，拉伸的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于壓縮的，基本上呈拉壓各異特點(diǎn)。

從彈性模量看，拉伸試驗(yàn)、抗壓試驗(yàn)、小梁彎曲速率相同時(shí)的彈性模量表現(xiàn)出一定的相似性，基本隨溫度升高而降低，在2℃左右彈性模量很大，高溫25℃的彈性模量很小。就直接拉伸和抗壓而言，結(jié)果近似相同，2℃的小梁彎曲彈性模量大于直接拉伸和抗壓。溫度升高后，小梁彎曲的彈性模量逐漸與直接拉伸和、抗壓結(jié)果相同。

從應(yīng)變量結(jié)果可知，溫度升高后的圓盤試驗(yàn)和其他指標(biāo)應(yīng)變量呈不同程度的上升，同溫度的圓盤試驗(yàn)彎拉應(yīng)變和抗壓結(jié)果相似，小梁彎曲應(yīng)變大于拉伸應(yīng)變，但絕大部分溫度下的結(jié)果是小于圓盤試驗(yàn)，較高溫度下的小梁彎曲的變形能力大于圓盤試驗(yàn)。

5 結(jié) 論

文章基于瀝青混凝土圓盤蠕變分析原理，通過求解不同溫度的圓盤初裂變應(yīng)變，得出不同溫度最適宜的研究方法和模型選取，分析比較瀝青混凝土面板防滲層的不同變形性能試驗(yàn)間的關(guān)系，指出試驗(yàn)指標(biāo)對(duì)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行控制的指導(dǎo)性，所得結(jié)果對(duì)于瀝青混凝土壩的防滲面板研究具有一定的參考價(jià)值。