西藏拉洛水利樞紐大壩瀝青混凝土心墻料三軸試驗(yàn)研究

熊澤斌，劉春鵬，鄭光俊，潘家軍，譚 凡，張 婷

(1.長(zhǎng)江設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430010； 2.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010； 3.長(zhǎng)江科學(xué)院 土工研究所，湖北 武漢 430010； 4.水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010)

0 引 言

瀝青混凝土心墻具有防滲性能好、較好適應(yīng)土石壩的不均勻沉降、塑性性能好、耐久性和自愈能力強(qiáng)等特點(diǎn)[1]，近年來(lái)多用作土石壩的防滲體。因此，瀝青混凝土心墻土石壩越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外有關(guān)專家和工程界的重視[2]。

針對(duì)瀝青混凝土配合比[3-5]和力學(xué)特性影響因素的研究較多。何曉民[6]對(duì)茅坪溪大壩的瀝青混凝土進(jìn)行三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)變形模量和摩擦角會(huì)隨著溫度和瀝青含量的增高而降低。陳宇等[7]探究了溫度對(duì)三軸試驗(yàn)結(jié)果的影響。任少輝[8]對(duì)不同應(yīng)變速率的影響進(jìn)行了探究，結(jié)果表明：加載速率越大，試樣強(qiáng)度越高，體變?cè)酱?。魏蕓[9]采用正交試驗(yàn)對(duì)配合比進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并探究了不同溫度、不同圍壓對(duì)瀝青混凝土力學(xué)性質(zhì)的影響。Kaare、楊華全和屈漫利等通過(guò)試驗(yàn)研究了不同成型方法對(duì)瀝青混凝土力學(xué)性質(zhì)的影響，并進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：馬歇爾擊實(shí)法制備得到的試件強(qiáng)度與現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)鉆孔取芯試件差別最小[10-12]。

目前，關(guān)于瀝青混凝土的研究多基于配合比和溫度等因素，對(duì)于不同性質(zhì)骨料組成的瀝青混凝土力學(xué)性能研究較少。因此，本文依托西藏拉洛水利樞紐瀝青混凝土心墻堆石壩工程，通過(guò)對(duì)不同性質(zhì)骨料組成的瀝青混凝土心墻料進(jìn)行固結(jié)排水三軸剪切試驗(yàn)，探究骨料性質(zhì)、含量、溫度和剪切速率等對(duì)其力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 原材料組成

采用骨料級(jí)配指數(shù)(n)、瀝青含量(B)和填料含量(F)作為配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要控制參數(shù)。

1.1 瀝 青

試驗(yàn)中所用瀝青為克拉瑪依70號(hào)水工熱瀝青，瀝青加熱前為可塑的半固體狀，加熱熔化后變成黏稠的液體。瀝青技術(shù)參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 瀝青技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of asphalt

1.2 骨料及填料

1.2.1 粗骨料

為探究不同性質(zhì)骨料對(duì)瀝青混凝土力學(xué)性能的影響，粗骨料采用日喀則地區(qū)卡吉郎溝輝綠巖和吉定鎮(zhèn)灰?guī)r兩種。其中，輝綠巖的堿度模數(shù)M=0.89，根據(jù)DL/T 5363-2016《水工碾壓式瀝青混凝土施工規(guī)范》要求，屬中性骨料；灰?guī)r堿度模數(shù)M=1.87，屬堿性骨料。粒徑范圍見(jiàn)表2。各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表2 粗骨料粒徑范圍Tab.2 Coarse aggregate particle size range

表3 骨料、填料性能指標(biāo)Tab.3 Property indexes of aggregate and stuffing

1.2.2 細(xì)骨料

試驗(yàn)所用細(xì)骨料分別為輝綠巖、天然河砂和灰?guī)r。天然河砂細(xì)骨料與輝綠巖人工細(xì)骨料的比例分別為1∶0，1∶1，0∶1。細(xì)骨料各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表3。骨料及河砂級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。

圖1 骨料及河砂級(jí)配曲線Fig.1 Grading curves of aggregate and river sand

1.2.3 填 料

填料采用輝綠巖礦粉和灰?guī)r礦粉。相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。本次試驗(yàn)采用表4中的配合比，按擊實(shí)成型方法制備試件。

表4 瀝青混凝土試驗(yàn)配合比Tab.4 Mix ratio of asphalt concrete test

2 三軸試驗(yàn)方法與條件

三軸試樣制備參照DL/T 5362-2018《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》，試樣尺寸為Φ101 mm×200 mm，試驗(yàn)在SY250型應(yīng)變式三軸儀上進(jìn)行，試驗(yàn)儀器見(jiàn)圖2。試驗(yàn)中體變的量測(cè)采用外體變量測(cè)裝置，通過(guò)測(cè)量壓力室內(nèi)水的質(zhì)量變化來(lái)?yè)Q算外體變。當(dāng)試樣體積發(fā)生膨脹時(shí)，壓力室的水進(jìn)入圍壓控制壓力室，反之圍壓控制壓力室的水進(jìn)入壓力室。

圖2 帶外變測(cè)試系統(tǒng)的溫控三軸設(shè)備Fig.2 Temperature-controlled triaxial equipment with external variable system

由于溫度對(duì)瀝青混凝土強(qiáng)度參數(shù)影響較大，在壓力室內(nèi)壁安裝螺旋形銅管進(jìn)行溫度控制，保證壓力室內(nèi)水溫變化范圍不超過(guò)控制溫度的±0.5 ℃。

3 試驗(yàn)內(nèi)容

本文對(duì)不同骨料的瀝青混凝土進(jìn)行了不同加載速率、不同溫度下的三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)(CD)，以探究骨料、溫度及加載速率對(duì)瀝青混凝土力學(xué)性能的影響。西藏拉洛水利樞紐工程所在地區(qū)多年平均氣溫4.8 ℃，月平均氣溫最高為12.7 ℃(7月)，月平均氣溫最低為-4.8 ℃(1月)，極端最高氣溫28.2 ℃；由于心墻上游側(cè)長(zhǎng)期浸泡在水中，水溫一般不會(huì)低于5 ℃，因此選擇4.8，12.7，28.2 ℃等特征溫度進(jìn)行試驗(yàn)。具體試驗(yàn)內(nèi)容見(jiàn)表5。

表5 靜三軸試驗(yàn)方案Tab.5 Static triaxial test scheme

4 試驗(yàn)成果分析

4.1 試驗(yàn)成果及參數(shù)

瀝青混凝土的三軸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系成果如圖3～4所示(以12.7 ℃，剪切速率為0.2 mm/min，粗、細(xì)骨料均為輝綠巖和灰?guī)r為例)。

圖3 灰?guī)r應(yīng)力應(yīng)變曲線及強(qiáng)度包線Fig.3 Stress-strain curve and strength envelope of limestone

圖4 輝綠巖應(yīng)力應(yīng)變曲線及強(qiáng)度包線Fig.4 Stress-strain curve and strength envelope of diabas

由圖3～4可知：骨料為輝綠巖或灰?guī)r的試樣在低圍壓下均出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，圍壓較高時(shí)該現(xiàn)象不明顯。體積應(yīng)變-軸向應(yīng)變曲線開(kāi)始階段表現(xiàn)為剪縮，隨后出現(xiàn)剪脹；圍壓越大，剪縮現(xiàn)象越明顯，剪脹性明顯減弱；峰值強(qiáng)度隨著圍壓增大而增大。在瀝青混凝土心墻壩應(yīng)力-應(yīng)變計(jì)算過(guò)程中，目前國(guó)內(nèi)使用鄧肯-張模型較多[13-15]，本文僅提出E-μ模型參數(shù)，如圖5所示，由于側(cè)向應(yīng)變與軸向應(yīng)變近乎直線關(guān)系，取體變參數(shù)D=0，見(jiàn)表6。由表6可知：輝綠巖作為骨料的瀝青混凝土黏聚力c值較灰?guī)r的高，但摩擦角偏低，其他參數(shù)相差不大。

表6 三軸試驗(yàn)E-μ模型參數(shù)Tab.6 Triaxial test E-μ model parameters

圖5 側(cè)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between lateral strain and axial strain

4.2 影響因素分析

4.2.1 天然河砂影響

圖6為細(xì)骨料摻不同比例天然河砂的瀝青混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖6(a)可知，不同比例河砂的摻入對(duì)其應(yīng)力應(yīng)變曲線影響較小，即細(xì)骨料摻河砂對(duì)瀝青混凝土試件的整體力學(xué)性能影響很小。但據(jù)圖6(b)可知，細(xì)骨料均為輝綠巖試樣在試驗(yàn)過(guò)程中先體縮再體漲，而摻入河砂的試樣均為體漲，且引起的體脹也略大些，這可能是天然河砂的磨圓度較人工骨料磨圓度好，且隨河砂摻量增多，破壞應(yīng)變也有增大趨勢(shì)。

圖6 不同河砂摻量力學(xué)特征曲線Fig.6 Mechanical characteristic curves of different river sand contents

4.2.2 溫度影響

通過(guò)對(duì)粗、細(xì)骨料均為輝綠巖的瀝青混凝土進(jìn)行4.8，12.7 ℃和28.2 ℃下的三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)溫度對(duì)瀝青混凝土三軸試驗(yàn)強(qiáng)度與破壞應(yīng)變有較大影響，見(jiàn)圖7～8。試樣強(qiáng)度隨試驗(yàn)溫度升高而明顯降低，圍壓較低時(shí)降低趨勢(shì)更加顯著；圍壓為0.1 MPa時(shí)，28.2 ℃時(shí)的強(qiáng)度較4.8 ℃時(shí)強(qiáng)度降低約65%，而圍壓為1.0 MPa時(shí)，強(qiáng)度僅降低31%。試驗(yàn)溫度越低，三軸試驗(yàn)破壞應(yīng)變大幅減小，應(yīng)變軟化現(xiàn)象越明顯，甚至溫度的改變引起的應(yīng)變軟化或硬化現(xiàn)象也不同；溫度低于12.7 ℃時(shí)，溫度對(duì)破壞應(yīng)變的影響較大，且圍壓較大時(shí)這種趨勢(shì)更顯著。圍壓為0.1 MPa時(shí)，溫度12.7 ℃時(shí)的破壞軸向應(yīng)變較4.8 ℃時(shí)僅增加3%，而圍壓為1.0 MPa時(shí)，增幅高達(dá)55%。由表6可知，模量參數(shù)K值隨溫度的增加而減小，溫度低于12.7 ℃時(shí)模量的溫度敏感性較顯著；初始切線泊松比G隨著溫度的增大有減小的趨勢(shì)，但影響不顯著；n、Rf和F值受溫度影響較小。

圖7 破壞軸向應(yīng)變與溫度關(guān)系Fig.7 Relationship between axial strain at failure and temperature

圖8 破壞偏應(yīng)力與溫度關(guān)系Fig.8 Relationship between failure deviatoric stress and temperature

4.2.3 剪切速率影響

為探究剪切速率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，進(jìn)行了0.05，0.2 mm/min和1.0 mm/min等速率的三軸剪切試驗(yàn)，得到破壞偏應(yīng)力、破壞應(yīng)變與加載速率的關(guān)系如圖9～10所示。

圖9 破壞軸向應(yīng)變與剪切速率關(guān)系Fig.9 Relationship between axial strain at failure and shear rate

圖10 破壞偏應(yīng)力與剪切速率關(guān)系Fig.10 Relationship between failure deviatoric stress and shear rate

由圖9～10可知：剪切速率越大，瀝青混凝土的強(qiáng)度越高，相同圍壓時(shí)加載速率為1.0 mm/min的破壞強(qiáng)度約為0.05 mm/min的1.5～3.0倍。而且，剪切速率為0.05～0.2 mm/min時(shí)的影響更顯著，這也反映了瀝青混凝土存在蠕變強(qiáng)度的問(wèn)題。隨著剪切速率增大，試樣破壞應(yīng)變減小，剪切速率為0.05～0.2 mm/min時(shí)，破壞應(yīng)變減小較明顯，例如，0.1 MPa圍壓時(shí)，0.2 mm/min剪切速率下的破壞應(yīng)變較0.05 mm/min時(shí)減小37%，而1.0 mm/min剪切速率下，破壞應(yīng)變較0.2 mm/min時(shí)僅減小18%。由表6可知，剪切速率越大，模量參數(shù)K越大，可見(jiàn)模量也是速率相關(guān)的參數(shù)；n和G值隨著剪切速率的增大有增大的趨勢(shì)，而Rf和F基本不受剪切速率的影響。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)不同性質(zhì)骨料的瀝青混凝土進(jìn)行室內(nèi)三軸試驗(yàn)，探究不同骨料組成、溫度和剪切速率對(duì)瀝青混凝土力學(xué)性質(zhì)的影響。主要得到以下結(jié)論。

(1) 輝綠巖作為骨料和灰?guī)r作為骨料的瀝青混凝土強(qiáng)度未見(jiàn)明顯差異，且在細(xì)骨料中添加不同比例的天然河砂對(duì)其力學(xué)性能基本沒(méi)有影響。

(2) 破壞應(yīng)變隨著溫度增大而增大，隨著剪切速率的增大而減小，這反映了瀝青混凝土存在蠕變強(qiáng)度問(wèn)題；破壞偏應(yīng)力隨溫度增加顯著減小，隨著剪切速率增大而增大。

(3) 鄧肯-張E-μ模型中的模量參數(shù)K隨溫度減小和剪切速率增大而增大，n值隨剪切速率增大有增大趨勢(shì)，但受溫度影響較??；G值隨溫度降低和剪切速率增大而增大，而Rf和F基本不受影響。