淺析鉆芯取樣方法在堆石混凝土質(zhì)量檢測中的準(zhǔn)確性

黃樹新，唐曉玲，曾令福，陳興梅，龍召福

(貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

1 芯樣強(qiáng)度影響因素

堆石混凝土(RFC)是一種依靠自密實混凝土(SCC)的高度流動性來填充堆石體之間的空隙，從而形成較為完整、強(qiáng)度更高的整體[1]。隨著該技術(shù)的不斷成熟與推廣，相較于傳統(tǒng)的筑壩技術(shù)能夠有效地縮短工期、降低成本，因此得到了十分廣泛的應(yīng)用[2]。目前堆石混凝土沿用了常規(guī)混凝土壩的檢測方式，其中鉆芯取樣的方式是目前檢測堆石混凝土壩工程質(zhì)量最為普遍的方法，鉆芯取樣檢測常用于在不破壞已有建筑的整體結(jié)構(gòu)的前提下測定混凝土強(qiáng)度以及建筑施工及運(yùn)行狀況，在常規(guī)混凝土的應(yīng)用中取得了很好的效果。但從堆石混凝土實際工程的檢測報告中，鉆芯取樣并沒有取得很好的效果，同一工程的芯樣樣本的單軸抗壓強(qiáng)度之間出現(xiàn)了十分大的偏差。表1中匯總了在貴州地區(qū)8座堆石混凝土壩鉆孔取芯的試驗報告結(jié)果，從匯總的工程試驗數(shù)據(jù)來看，采用芯樣抗壓強(qiáng)度的檢測方式所取得的單軸抗壓強(qiáng)度值，具有不可忽視的離散性，其中最為典型的為貓溪溝水庫工程，芯樣強(qiáng)度最小值為18.7MPa，最大值達(dá)到了38.1MPa，而檢測報告中普遍采用的處理方式為取平均值作為抗壓強(qiáng)度的代表值，這樣做法的正確性有待商榷。

表1 貴州地區(qū)芯樣試驗數(shù)據(jù)匯總表

從現(xiàn)有資料來看，造成這樣大的離散性的原因在于堆石混凝土試件內(nèi)部塊石分布的較大的不均勻性，以及塊石與混凝土所產(chǎn)生的力學(xué)性質(zhì)薄弱界面的分布特性。各項工程的質(zhì)量檢測報告中列舉了在鉆芯取樣時，各種類型的芯樣斷裂在總破壞類型的比例。堆石與自密實混凝土界面之間的破壞占了所有破壞類型的一半，石壩河水庫中該種比例為51.01%，綠塘水庫中該比例為42.11%，藺家坪水庫中該比例為55.56%。可認(rèn)為界面為芯樣強(qiáng)度的決定性因素，界面的分布類型及受力情況在很大程度上也決定了混凝土芯樣的強(qiáng)度，而界面的分布形態(tài)實際上由塊石的分布形態(tài)所決定。

在2019年實施的NB/T 1077—2018《堆石混凝土筑壩技術(shù)導(dǎo)則》中建議堆石混凝土鉆孔取芯應(yīng)符合DL/T 5144《水工混凝土施工規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，芯樣直徑大于200mm。但實際工程中并未嚴(yán)格按照導(dǎo)則建議執(zhí)行，工程中鉆芯取樣是為芯樣直徑以200、150、100mm的情況居多，鮮有鉆取200mm以上規(guī)格的芯樣。而導(dǎo)則中更規(guī)定堆石混凝土所用塊石的最小粒徑為300mm，實際工程中許多塊石的粒徑甚至達(dá)到1000mm以上，塊石的粒徑遠(yuǎn)大于鉆芯取樣的規(guī)格，使得堆石混凝土的不均勻性在鉆取的芯樣內(nèi)部被放大，在實際鉆芯過程中，甚至出現(xiàn)了鉆取芯樣全為塊石或全為混凝土的極端情況。鐘文[3]在對堆石混凝土進(jìn)行細(xì)觀模擬分析時發(fā)現(xiàn)，兩種不同塊石分布形式的堆石混凝土，在參數(shù)相同的條件下，二者的抗壓強(qiáng)度值相差10MPa左右。表2為藺家坪水庫的質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)，表中粗略地將塊石分布類型分為了橫向接觸與縱向接觸2個大類，并統(tǒng)計了2個類別的芯樣抗壓強(qiáng)度。從表中可以看出，2種塊石分布類型的平均抗壓強(qiáng)度相差了6MPa左右。

表2 藺家坪混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度結(jié)果表

由此可以看出，塊石在芯樣中的分布形態(tài)為影響芯樣抗壓強(qiáng)度的決定性因素，對鉆芯取樣的結(jié)果造成較大的影響，且現(xiàn)有鉆芯取樣技術(shù)難以排除該因素的影響。因此本文通過有限元模擬帶有不同塊石分布形態(tài)的堆石混凝土的單軸壓縮試驗過程，探究該因素對芯樣檢測結(jié)果離散性的影響，對現(xiàn)有的鉆芯取樣檢測堆石混凝土壩質(zhì)量方式的可行性進(jìn)行探究。

2 有限元分析模型建立及相關(guān)參數(shù)選取

2.1 模型設(shè)計

本次模擬主要在于還原堆石混凝土芯樣內(nèi)部的塊石分布形態(tài)，目前有孔內(nèi)電視成像和RFC實驗艙切割截面能夠直觀地反映出堆石混凝土內(nèi)部的塊石分布形態(tài)。經(jīng)過對比遵義市綠塘水庫的zk1孔的孔內(nèi)電視成像圖，和貴州大學(xué)研究團(tuán)隊在綠塘水庫工程以同條件、同工藝澆筑的RFC實驗艙切割截面圖，發(fā)現(xiàn)RFC實驗艙切割截面圖可以更為清楚地反映出塊石在堆石混凝土中的分布形態(tài)。因此本文基于貴州大學(xué)研究團(tuán)隊的RFC實驗艙切割后的截面圖對試件內(nèi)部塊石的分布形態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計，并以此作為基礎(chǔ)建立有限元模型進(jìn)行分析。

實際的工程中堆石混凝土隨機(jī)性較大，堆石混凝土內(nèi)部塊石的分布類型十分多樣，難以一一還原，因此將堆石混凝內(nèi)部的塊石分布形態(tài)做出一定簡化，著重以堆石混凝土內(nèi)部的塊石分布形態(tài)作為單一因素討論堆石混凝土芯樣強(qiáng)度的離散性。數(shù)值模擬采用的有限元軟件為abaqus，abaqus具有豐富、適用于任意幾何形狀的單元庫，在模擬金屬、鋼筋混凝土、巖石以及復(fù)合材料上都能取得很好的效果。本文按照仁懷市藺家坪鉆芯取樣抗壓試驗的規(guī)格建立有限元模型，即直徑為200mm、高徑比為1的芯樣。通過對RFC實驗艙切割截面圖的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)以下巖石分布形態(tài)出現(xiàn)的最為頻繁：①巖石與混凝土形成單一水平接觸面的情況；②巖石與混凝土形成單一豎直接觸面的情況；③巖石與混凝土之間形成多條豎直接觸面的情況；④巖石與混凝土之間形成多條水平接觸面的情況；⑤純?yōu)閴K石或純?yōu)樽悦軐嵒炷恋那闆r。對應(yīng)統(tǒng)計結(jié)果建立多個有限元模型進(jìn)行分析，并選出了7塊具有一定代表性塊石分布形態(tài)的模擬試件進(jìn)一步分析。

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

混凝土部分采用abaqus中自帶的混凝土專用損傷模型(cdp)單元進(jìn)行模擬，該模型能夠較好地表現(xiàn)出混凝土破壞過程中的塑性及連續(xù)性，模擬結(jié)果較為可靠[4]。混凝土彈性部分參數(shù)采用藺家坪工程試驗報告中的值，混凝土等級為c15，密度為2400kg/m3、彈性模量2.3GPa，泊松比0.2?；炷恋乃苄詤?shù)按照表3[5]中的參數(shù)輸入。

表3 混凝土塑性參數(shù)表

cdp模型使用時需要輸入混凝土的抗拉、抗壓應(yīng)力應(yīng)變曲線中至少8個點以及各點所對應(yīng)的損傷因子，本文選取10個點進(jìn)行計算?？箟?、抗拉應(yīng)力應(yīng)變曲線采用貴州大學(xué)堆石混凝土研究中心的試驗結(jié)果。目前有經(jīng)典損傷理論方法[6]、sidoroff能量等價原理[7]、規(guī)范法[8]等計算損傷因子的理論原理。其中基于Sidoroff的能量法計算容易收斂，計算結(jié)果能夠在abaqus中直接使用，因此本文采用能量法來計算損傷因子d。

受壓損傷因子：

受拉損傷因子：

(2)

按照規(guī)范進(jìn)行計算，損傷因子計算結(jié)果見表4。

表4 損傷因子計算表

巖石部分采用線性剪切破壞原理的druckerprager單元進(jìn)行模擬模擬，相較于其他巖石的強(qiáng)度理論，該理論能夠更為完整地反映了巖石在體積應(yīng)力、剪應(yīng)力以及中間主應(yīng)力對巖石強(qiáng)度的影響。巖石彈性參數(shù)采用貴州大學(xué)堆石混凝土研究中心基于綠塘水庫得出的值，巖石密度為2650kg/m3，彈性模量為5.8GPa[9]，泊松比為0.21，單軸抗壓強(qiáng)度65MPa。其余參數(shù)通過查閱相關(guān)巖石力學(xué)參數(shù)手冊，見表5。

表5 巖石dp模型參數(shù)表

界面過度區(qū)的厚度在12～41μm[10]左右，因為單元的厚度極薄，所以使用abaqus自帶的無厚度cohesive單元[11]來模擬巖石與混凝土之間的粘結(jié)接觸，其原理是將粘聚力與界面單元結(jié)合，通過單元剛度退化來模擬界面上的裂縫發(fā)展，該單元的破壞分為初始損傷和破壞演化階段。初始損傷階段選用Quads Damage準(zhǔn)則，損傷演化階段選用能量控制的BK準(zhǔn)則[12]。Quads Damage準(zhǔn)則即為二次名義準(zhǔn)則，當(dāng)單元上3個方向的名義應(yīng)力平方之和為1時，單元開始破壞：

(3)

由于目前缺少堆石混凝土內(nèi)部塊石與自密實混凝土之間粘聚力的實驗數(shù)據(jù)，因此本文采用張雅慧[13]等人改進(jìn)的Barton巖石節(jié)理峰值剪切強(qiáng)度經(jīng)驗公式，改進(jìn)后，適用于計算界面兩側(cè)不同材料情況下，尤其為巖石-混凝土界面的粘聚力，其計算公式如下。

(4)

(5)

式中，σa、σb—巖石、混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度；JCSa、JCSb—巖石、混凝土的壁面強(qiáng)度，參照相關(guān)文獻(xiàn)[14]選?。籎RC—界面粗糙度，實際工程中對塊石進(jìn)行了表面鑿毛的工作，因此粗糙度介于微粗糙表面(JRC=3.31)與起伏粗糙表面(JRC=10.43)之間。在該區(qū)間內(nèi)用不同的JRC值計算出相應(yīng)的混凝土巖石粘聚力之后，帶入多個450mm×450mm帶有隨機(jī)塊石分布的二維混凝土模擬試件之中計算抗壓強(qiáng)度，經(jīng)過模擬后發(fā)現(xiàn)當(dāng)JRC=6.43左右時模擬結(jié)果與試驗值較為接近，此時巖石和混凝土之間粘聚力約為12MPa，多個二維模擬試件平均值約為26MPa。

3 有限元結(jié)果分析

以自密實混凝土試件的情況作為對比，建立自密實混凝土試件a。加壓完成后，試件a的抗壓強(qiáng)度約為24.5MPa，與表2中藺家坪混凝土芯樣的抗壓強(qiáng)度結(jié)果一致，基本符合數(shù)值模擬中混凝土試件單軸壓縮破壞的規(guī)律[15]。

當(dāng)試件中巖石與混凝土形成一條水平接觸面時，建立堆石混凝土試件b，并將界面進(jìn)行傾斜，再增設(shè)多組模擬試件。從模擬結(jié)果來看，試件b的抗壓強(qiáng)度及曲線變化趨勢與試件a基本相同，試件中主要為混凝土及界面發(fā)生破壞，說明堆石未發(fā)生骨架支撐作用，應(yīng)力應(yīng)變曲線趨勢與試件a相同，說明試件失效依然是由混凝土破壞所產(chǎn)生，塊石與混凝土之間并未發(fā)生復(fù)合材料里的補(bǔ)強(qiáng)作用。隨著界面從水平逐漸傾斜時，模擬試件的強(qiáng)度呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，當(dāng)角度增大至45°時，即試件c，試件抗壓強(qiáng)度下降至20MPa，混凝土與巖石之間產(chǎn)生了明顯的錯縫，說明試件c破壞主要由于作用于界面上的切應(yīng)力使界面失效破壞。

當(dāng)試件中巖石與混凝土形成一條豎直接觸面時，分別建立試件d與試件e，2試件中塊石都沿加載方向形成了獨立的受力結(jié)構(gòu)，但試件d中塊石占比為20%，試件e中塊石占比為55%。該種情況下堆石混凝土試件的強(qiáng)度得到極大的提升，試件d的強(qiáng)度達(dá)到了30.0MPa，試件e的強(qiáng)度達(dá)到了33.6MPa。隨著塊石占比的提高，試件抗壓強(qiáng)度也隨之提高，從破壞結(jié)果來看，混凝土部分破壞嚴(yán)重，且向外側(cè)發(fā)生了明顯位移，巖石部分產(chǎn)生少量變形，但幾乎未產(chǎn)生開裂，巖石部分仍未完全發(fā)揮骨架作用。

試件中塊石與混凝土形成兩條豎向接觸界面時，存在2種情況：單塊尖角形的塊石插入混凝土內(nèi)部形成二接觸面相交的情況，即試件f；試件中由2塊塊石形成的2個不平行、未相交接觸面的情況，即試件g。

試件f單軸抗壓強(qiáng)度僅為19MPa，為本次模擬的下限值，試件沿塊石頂角快速開裂產(chǎn)生破壞，破壞形式與混凝土的劈裂試驗類似，混凝土向兩側(cè)產(chǎn)生位移，底部界面也出現(xiàn)了一定程度的破壞。塊石不僅沒有發(fā)揮骨料支撐作用，反而在堆石混凝土內(nèi)部形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致堆石混凝土芯樣試件的抗壓強(qiáng)度大幅下降，達(dá)到了表1中所統(tǒng)計的芯樣試件最低值，且為本次模擬試驗的最低值。試件g的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了37.5MPa，試件的強(qiáng)度遠(yuǎn)超自密實混凝土試件的強(qiáng)度，基本上達(dá)到了表1中芯樣強(qiáng)度所統(tǒng)計的最大值，為本次模擬結(jié)果的上限。從破壞結(jié)果來看，混凝土、界面、塊石部分均發(fā)生了不同程度的破壞，如圖1中試件g所示。從荷載-變形曲線來看，試件破壞后的結(jié)構(gòu)變形階段應(yīng)力下降緩慢，說明試件破壞后仍有較高的強(qiáng)度。說明該種情況下，試件充分發(fā)揮了骨架支撐作用，同時由于2塊塊石形成的環(huán)箍效應(yīng)，在一定程度上限制了混凝土側(cè)向位移，使得堆石混凝土試件的整體強(qiáng)度得到進(jìn)一步的提升。

圖1 各試件破壞圖

圖2為各試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，從圖中可以看出，模擬的抗壓強(qiáng)度規(guī)律基本符合貴州地區(qū)各工程的芯樣統(tǒng)計結(jié)果，曲線變化趨勢基本符合堆石混凝土單軸抗壓的實驗規(guī)律[16]。從分析結(jié)果來看，堆石混凝土芯樣內(nèi)部的塊石是否形成獨立的受力結(jié)構(gòu)，塊石是否在時間內(nèi)部產(chǎn)生了應(yīng)力集中，塊石對混凝土是否起到了限制變形發(fā)展的作用，都會使芯樣內(nèi)部應(yīng)力分布和破壞形式存在極大的差別，從而導(dǎo)致鉆取的芯樣不可避免地出現(xiàn)較大的離散性，同條件下，試件間強(qiáng)度的差異能達(dá)到接近2倍，如試件f與試件g。

圖2 各試件應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

4 結(jié)論

本文根據(jù)RFC實驗艙切割界面圖建立多個帶有不同塊石分布形態(tài)的堆石混凝土模擬試件，確定了在塊石分布形態(tài)單因素作用下，堆石混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度下限為19MPa，上限達(dá)到了38MPa。芯樣單軸抗壓強(qiáng)度于極大的范圍內(nèi)產(chǎn)生波動，尤其在芯樣鉆取樣本不足的情況下，極容易得出不符合工程實際情況的強(qiáng)度值，但增加取芯數(shù)量又違背了芯樣檢測法盡量不破壞建筑完整性的初衷。因此鉆芯取樣在堆石混凝土質(zhì)量檢測中的應(yīng)用較為局限，在現(xiàn)有的鉆芯取樣的規(guī)格、樣本數(shù)量的條件下，鉆芯取樣檢測方法難以準(zhǔn)確地反映出堆石混凝土力學(xué)性能的真實情況。鉆芯取樣的質(zhì)量檢測方法需要針對堆石混凝土做出改進(jìn)，如根據(jù)破壞后芯樣內(nèi)部的塊石分布狀況建立對應(yīng)的強(qiáng)度分級制度，或提出其他更為有效的檢測方式。