高填充自密實(shí)混凝土砌石壩力學(xué)性能及破壞機(jī)理研究

劉 辛，李友彬，劉 磊，廖仕信，劉 濤

(1.貴州新中水工程有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550005；2.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

高填充自密實(shí)混凝土砌石壩筑壩新技術(shù)廣泛應(yīng)用于水利水電工程等行業(yè)，具有環(huán)境友好、節(jié)能環(huán)保、工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。隨著建設(shè)項(xiàng)目的日益增多，不同地區(qū)的高填充自密實(shí)混凝土砌石壩的物理力學(xué)性能及破壞機(jī)理已成為工程建設(shè)及運(yùn)維的重要影響因素之一。高填充自密實(shí)混凝土砌石壩作為復(fù)合材料其設(shè)計(jì)按體積比計(jì)算摻配。目前研究主要從材料學(xué)角度認(rèn)為高填充自密實(shí)混凝土砌石壩為多相組成：第一相大粒徑砌石為基體，第二相高填充自密實(shí)混凝土為增強(qiáng)組分，高填充自密實(shí)混凝土和大粒徑砌石的界面組分為第三相。高填充自密實(shí)混凝土砌石壩中大粒徑砌石相互嵌擠搭接；自密實(shí)混凝土填充大粒徑砌石空隙，包裹大粒徑砌石并保證壩密實(shí)。壩的堆石率一般達(dá)到50%，高于砌石壩45%的埋石率，為滿足要求，層厚根據(jù)設(shè)計(jì)可以澆筑1～3m不等，采用機(jī)械化施工。

綜上所述，高填充自密實(shí)混凝土砌石壩是區(qū)別于混凝土砌塊石、埋石混凝土、全級(jí)配混凝土和常規(guī)混凝土的新型復(fù)合材料。因此，對(duì)高填充自密實(shí)混凝土砌石壩物理力學(xué)性能及破壞機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。

本文對(duì)高填充自密實(shí)混凝土砌石壩試驗(yàn)倉(cāng)采用切割剖面直觀進(jìn)行可視化特征分析，明確其多級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成特征；對(duì)切割加工大試件進(jìn)行力學(xué)及超聲回彈試驗(yàn)，分析大粒徑砌石和自密實(shí)混凝土組成形式、多相耦合效果、大試件各相所占比例及大試件尺寸效應(yīng)等對(duì)高填充自密實(shí)混凝土砌石壩受力及均勻性、密實(shí)度的影響。本研究可為高填充自密實(shí)混凝土砌石壩物理力學(xué)特征分析提供借鑒。

1 復(fù)合材料混合律理論基礎(chǔ)

復(fù)合材料力學(xué)性能理論上滿足組分性能按體積比加權(quán)和混合律，見(jiàn)公式(1)—(2)，如圖1—2所示。

圖1 串并聯(lián)模型

圖2 串并聯(lián)模型特性的上下限

單向復(fù)合材料并聯(lián)模型的混合律：

Ec=EfVf+EmVm

(1)

單向復(fù)合材料串聯(lián)模型的混合律：

(2)

式中，下標(biāo)c、f、m—代表高填充自密實(shí)混凝土砌石壩、大粒徑砌石、高填充自密實(shí)混凝土；E—力學(xué)參數(shù)彈性模量；V—體積百分比。

單向復(fù)合材料力學(xué)性能的混合律：

(3)

式中,X—某項(xiàng)力學(xué)性能，下標(biāo)A，B表示組分；n—指數(shù)冪，并聯(lián)模型中n=1，串聯(lián)模型中n=-1。

高填充自密實(shí)混凝土砌石壩復(fù)合材料理論上具備2個(gè)特征：

(1)受力時(shí)主要由高彈性、高模量的組分大粒徑砌石承受荷載。低彈性、低模量組分高填充自密實(shí)混凝土主要傳遞荷載。

(2)大粒徑砌石與高填充自密實(shí)混凝土組合應(yīng)有足夠的結(jié)合強(qiáng)度，保證高填充自密實(shí)混凝土所承受的荷載能傳遞給大粒徑砌石，理論上要求能降低脆性破壞的概率。

2 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)研究采用C9015W6F50(設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C15齡期90d抗?jié)B等級(jí)W6抗凍等級(jí)F50)高填充自密實(shí)混凝土和工地現(xiàn)場(chǎng)粒徑大于300mm石灰?guī)r大粒徑砌石隨機(jī)堆放，施工單位進(jìn)行澆筑自密實(shí)混凝土。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)記錄試驗(yàn)倉(cāng)實(shí)際大粒徑砌石體積比例51%，高填充自密實(shí)混凝土填充體積比例49%。指標(biāo)詳見(jiàn)表1。

在工地現(xiàn)場(chǎng)采用切割機(jī)等對(duì)同材料、同工藝、同環(huán)境的試驗(yàn)倉(cāng)精細(xì)加工成大試件運(yùn)至試驗(yàn)中心，采用10000kN(1000t)壓力機(jī)，根據(jù)SL 352《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》等開(kāi)展試驗(yàn)。

理論上充填比例的不同將影響復(fù)合材料力學(xué)數(shù)值改變，由于在現(xiàn)場(chǎng)按大壩實(shí)際施工情況澆筑試驗(yàn)倉(cāng)，現(xiàn)行的規(guī)范規(guī)程要求大粒徑砌石最小粒徑大于300mm，本試驗(yàn)中均是按實(shí)際施工情況澆筑試驗(yàn)倉(cāng)，就沒(méi)有考慮大粒徑砌石和高填充自密實(shí)混凝土不同比例下高填充自密實(shí)混凝土砌石壩性狀變化。

表1 高填充自密實(shí)混凝土配合比

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 切割剖面及搭接嵌擠結(jié)構(gòu)可視化分析

3.1.1 切割試驗(yàn)倉(cāng)剖面及成型大試件

切割試驗(yàn)倉(cāng)剖面及成型大試件如圖3所示。

圖3 可視化高填充自密實(shí)混凝土砌石壩內(nèi)部特征

3.1.2 可視化特征分析

高填充自密實(shí)混凝土砌石壩組分上由大粒徑砌石和高填充自密實(shí)混凝土組成的復(fù)合材料。大粒徑砌石分布在高填充自密實(shí)混凝土中，高填充自密實(shí)混凝土分布規(guī)律符合自密實(shí)混凝土成熟理論，高填充自密實(shí)混凝土砌石壩形成具有一定內(nèi)摩阻力、黏結(jié)力和機(jī)械咬合力的空間多級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于各組成材料用量比例可以不同，高填充自密實(shí)混凝土砌石壩內(nèi)部大粒徑砌石顆粒的分布狀態(tài)、高填充自密實(shí)混凝土填充密實(shí)程度和剩余空隙率也呈現(xiàn)出不同的特征，從組成結(jié)構(gòu)上高填充自密實(shí)混凝土砌石壩可以定義為骨架密實(shí)型復(fù)合材料。圖3切割剖面顯示由大粒徑砌石在倉(cāng)面堆滿搭接嵌擠起骨架作用，用高填充自密實(shí)混凝土填充大粒徑砌石的空隙實(shí)現(xiàn)包裹，保證高填充自密實(shí)混凝土砌石壩內(nèi)部密實(shí)。

3.2 大尺寸試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

3.2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

本研究開(kāi)展大尺度試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，相關(guān)數(shù)據(jù)如圖4—6所示和見(jiàn)表2—6。

3.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 大試件抗壓強(qiáng)度力學(xué)指標(biāo)

圖4 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

表3 大試件軸心抗壓強(qiáng)度力學(xué)指標(biāo)

表4 大試件抗壓強(qiáng)度力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì) 單位：MPa

表5 大試件泊松比指標(biāo) 單位：MPa

表6 大試件強(qiáng)度分布 單位：MPa

圖5 大試件抗壓強(qiáng)度力學(xué)分布

圖6 大試件軸心抗壓強(qiáng)度力學(xué)分布

3.2.3 試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析

如圖4所示，試驗(yàn)過(guò)程中裂紋產(chǎn)生具有隨機(jī)性，試驗(yàn)中觀察到大部分表面裂縫沿大粒徑砌石與高填充自密實(shí)混凝土粘結(jié)界面首先開(kāi)裂發(fā)展，說(shuō)明界面是高填充自密實(shí)混凝土砌石壩最薄弱部位，符合復(fù)合材料理論分析。部分大粒徑砌石占比較大、搭接緊密的切割大試件則出現(xiàn)堆石裂紋，隨承載力增加裂紋發(fā)育更多，與大粒徑砌石與高填充自密實(shí)混凝土粘結(jié)界面裂紋相互連通。高填充自密實(shí)混凝土砌石壩大試件受壓后體積變化不大，環(huán)箍效應(yīng)不明顯。

高填充自密實(shí)混凝土砌石壩大試件大粒徑砌石通過(guò)接觸點(diǎn)搭接成空間骨架結(jié)構(gòu)承受主要荷載，高填充自密實(shí)混凝土填充空隙傳遞荷載。試驗(yàn)數(shù)據(jù)中抗壓強(qiáng)度極限荷載在15～40MPa區(qū)間。

3.3 劈裂抗拉試驗(yàn)

3.3.1 劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)

本研究開(kāi)展大試件劈裂抗拉強(qiáng)度相關(guān)試驗(yàn)，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7—8和表7—9。

圖7 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

圖8 大試件劈拉強(qiáng)度樣本所占比例

3.3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表7 大試件劈裂抗拉試驗(yàn)結(jié)果

表8 大試件抗拉強(qiáng)度值所占比例 單位：MPa

表9 大試件劈裂抗拉強(qiáng)度力學(xué)指標(biāo) 單位：MPa

3.3.3 試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析

如圖7所示，大試件劈拉試驗(yàn)裂縫首先出現(xiàn)在施加荷載處，大部分沿縱向大粒徑砌石與自密實(shí)混凝土粘接界面或穿過(guò)大粒徑砌石發(fā)展，當(dāng)大粒徑砌石占比很小時(shí)出現(xiàn)大粒徑砌石和自密實(shí)混凝土剝離破壞，當(dāng)大粒徑砌石占比很大時(shí)出現(xiàn)大粒徑砌石沿巖石節(jié)理破壞。試驗(yàn)階段裂紋發(fā)生與加載線性荷載作用部位有關(guān)，由大粒徑砌石和自密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)組成隨機(jī)決定。

高填充自密實(shí)混凝土砌石壩大試件劈拉強(qiáng)度來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面，一是大粒徑砌石搭接形成骨架結(jié)構(gòu)受力，二是高填充自密實(shí)混凝土包裹大粒徑砌石形成的機(jī)械咬合力。填充密實(shí)的自密實(shí)混凝土在空間形成對(duì)大粒徑砌石的反力，提高了大粒徑砌石抗拉的能力。大試件劈拉強(qiáng)度極限荷載在1.1～3.0MPa區(qū)間，離散性較大，數(shù)值為抗壓強(qiáng)度值1/10。

3.4 靜力彈性模量

3.4.1 彈性模量試驗(yàn)

本研究開(kāi)展大試件靜力彈性模量試驗(yàn)，相關(guān)數(shù)據(jù)如圖9—10和見(jiàn)表10—12。

圖9 靜力彈性模量試驗(yàn)

3.4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表10 大試件彈性模量試驗(yàn)參數(shù)

表11 大試件彈性模量值所占比例 單位：GPa

表12 大試件彈性模量綜合參數(shù) 單位：GPa

圖10 大試件彈性模量分布

3.4.3 試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析

如圖8所示，試驗(yàn)過(guò)程中大粒徑砌石和高填充自密實(shí)混凝土的各相組成比例及骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵因素。大試件承受荷載作用下體積變化及裂紋產(chǎn)生與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)近似，達(dá)到極限荷載所用時(shí)間更短。

高填充自密實(shí)混凝土砌石壩應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系體現(xiàn)復(fù)合材料特征，不同組分材料特性既獨(dú)立又互相作用，彈性模量數(shù)據(jù)基本符合串并聯(lián)模型混合律關(guān)系。彈性模量極限值為7.1～47.6GPa區(qū)間，數(shù)值呈現(xiàn)水平變化，離散性較大。

4 探討

本研究中，高填充自密實(shí)混凝土砌石壩物理力學(xué)指標(biāo)數(shù)值的離散差異與常規(guī)的破壞形態(tài)應(yīng)該和大粒徑砌石空間堆放的隨機(jī)性、不均勻性、多相材料荷載傳遞復(fù)雜性以及切割大試件導(dǎo)致大粒徑砌石分布更不平均、搭接受力不充分密切相關(guān)。

分析原因，本試驗(yàn)采用對(duì)試驗(yàn)倉(cāng)進(jìn)行切割的方法導(dǎo)致大尺寸試件的性能由大粒徑砌石和高填充自密實(shí)混凝土組分起決定因素之一，有的大試件大粒徑砌石占比大、有的大試件高填充自密實(shí)混凝土占比大，導(dǎo)致物理力學(xué)性能呈現(xiàn)離散性。隨機(jī)分布的大粒徑砌石粒徑要求大于300mm，最大可到1000mm左右，切割后大試件尺寸最大是450mm，對(duì)于研究而言不能形成重復(fù)單元，直接影響抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、彈性模量等值。

本研究從工程角度立足于解決應(yīng)用的問(wèn)題，首先高填充自密實(shí)混凝土砌石壩是一種中國(guó)人自主發(fā)明新筑壩技術(shù)，具備很多優(yōu)點(diǎn)，工程應(yīng)用廣泛，但是高填充自密實(shí)混凝土砌石壩區(qū)別于常規(guī)混凝土；其次，由于大粒徑砌石粒徑很大，沒(méi)有更大的壓力機(jī)能對(duì)高填充自密實(shí)混凝土砌石壩原型試驗(yàn)倉(cāng)進(jìn)行試驗(yàn)(目前最大有3000t壓力機(jī)，貴州只有1000t壓力機(jī))；再次，切割技術(shù)是對(duì)高填充自密實(shí)混凝土砌石壩原型試驗(yàn)倉(cāng)的分解，嘗試由大試件強(qiáng)度再反演分析試驗(yàn)倉(cāng)的受力性能，采集足夠多切割大試件樣本強(qiáng)度值將會(huì)趨近高填充自密實(shí)混凝土砌石壩復(fù)合材料最不利強(qiáng)度下限值，找到規(guī)律可以更加接近高填充自密實(shí)混凝土砌石壩的本質(zhì)特征。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)高填充自密實(shí)混凝土砌石壩具備較高的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量值，力學(xué)性質(zhì)具有尺寸效應(yīng)，數(shù)值離散性大，大尺寸試件實(shí)測(cè)力學(xué)指標(biāo)高于設(shè)計(jì)采用的高填充自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)。

(2)高填充自密實(shí)混凝土砌石壩從結(jié)構(gòu)上可定義為骨架密實(shí)型復(fù)合材料。高填充自密實(shí)混凝土砌石壩由大粒徑砌石在倉(cāng)面堆滿通過(guò)接觸點(diǎn)搭接嵌擠起骨架作用主要承受荷載，用高填充自密實(shí)混凝土填充大粒徑砌石空隙保證密實(shí)，實(shí)現(xiàn)填充、包裹、機(jī)械咬合和傳遞荷載。