裝配式生態(tài)預(yù)制塊力學(xué)特性研究及應(yīng)用

楚萬(wàn)強(qiáng) 李歡 張玉昶

關(guān)鍵詞：裝配式生態(tài)預(yù)制塊；庫(kù)岸邊坡；力學(xué)特性

目前，全國(guó)已經(jīng)建成了大、中、小水庫(kù)９．８萬(wàn)多座［１］，總庫(kù)容８９８３億ｍ３，已基本建成江河防洪、城鄉(xiāng)供水、農(nóng)田灌溉等水利基礎(chǔ)設(shè)施體系，而水庫(kù)邊坡防護(hù)的安全與穩(wěn)固是水利基礎(chǔ)設(shè)施體系發(fā)揮作用的重要保障［１－２］。水庫(kù)護(hù)坡按材料及施工工藝不同可分為堆石護(hù)坡、干（漿）砌石護(hù)坡、現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡、機(jī)織模袋混凝土護(hù)坡、混凝土預(yù)制塊護(hù)坡、生態(tài)護(hù)坡等［３－５］。

庫(kù)岸迎水坡受波浪沖擊嚴(yán)重，水位漲落及水流沖刷易對(duì)坡體造成破壞。近年來(lái)，多位學(xué)者從理論、試驗(yàn)及數(shù)值模擬層面對(duì)預(yù)制塊護(hù)坡進(jìn)行了研究［６－１０］。根據(jù)《堤防工程管理設(shè)計(jì)規(guī)范》（ＳＬ／Ｔ１７１—２０２０）［１１］，防洪工程須滿足下列條件：１）經(jīng)久耐用，抵抗水流沖刷能力較強(qiáng)，也有很高的抗磨損能力；２）對(duì)河床的擠壓、變形有很強(qiáng)的抵抗能力；３）施工方便，有利于迅速修整、維護(hù)；４）便于取材，提高經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)上述要求，裝配式混凝土預(yù)制塊是一種合適的護(hù)坡選擇。本文對(duì)一種庫(kù)岸邊坡裝配式生態(tài)預(yù)制塊單體強(qiáng)度和多體力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究和數(shù)值測(cè)試，并介紹了其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用情況和應(yīng)用潛力。

１裝配式生態(tài)預(yù)制塊單體強(qiáng)度

混凝土預(yù)制塊設(shè)計(jì)時(shí)必須保證護(hù)坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有一定的柔性和自我修復(fù)能力、抗折能力，以及施工中便于搬運(yùn)和鋪設(shè)，同時(shí)考慮混凝土砌塊最優(yōu)消浪性能的開孔率（７．５％）以及強(qiáng)度、密度。以Ｐ．Ｏ４２．５普通硅酸鹽水泥、人工砂和粒徑５～１５ｍｍ碎石為試驗(yàn)原材料，在基本明確配合比后，對(duì)水灰比為０．５、１．０的預(yù)制塊試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，得到其強(qiáng)度參數(shù)（內(nèi)摩擦角和黏聚力）隨齡期變化曲線，見圖１、圖２。

對(duì)比可知，隨著齡期的增長(zhǎng)，水灰比為０．５、１．０的試樣強(qiáng)度參數(shù)均快速增長(zhǎng)，其中水灰比為１．０的試樣內(nèi)摩擦角在齡期為６０ｄ后增長(zhǎng)減緩，而水灰比為０．５的試樣內(nèi)摩擦角繼續(xù)快速增長(zhǎng)。此外，僅齡期為７ｄ時(shí)水灰比為０．５的試樣內(nèi)摩擦角略小于水灰比為１．０的，其余齡期數(shù)據(jù)顯示，水灰比為０．５的試樣內(nèi)摩擦角和黏聚力均大于水灰比為１．０的，故最終選用水灰比為０．５。

通過對(duì)單體預(yù)制塊進(jìn)行一系列尺寸參數(shù)的拉伸、壓縮和剪切力學(xué)性質(zhì)測(cè)試，并充分考慮現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)施工簡(jiǎn)便性后，確定單體預(yù)制塊尺寸。在力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)差異不大的情況下，盡量考慮較大尺寸，以減少預(yù)制塊生產(chǎn)數(shù)量，最終確定裝配式生態(tài)預(yù)制塊長(zhǎng)×寬尺寸以５００ｍｍ×５００ｍｍ為主。對(duì)于預(yù)制塊厚度，首先通過計(jì)算得到適宜的厚度。根據(jù)Ｐｉｌａｒｚｙｋ公式、Ｂｒｅｔｅｌｅｒ公式［１２］與潘軍寧等根據(jù)砌塊護(hù)坡穩(wěn)定性系列試驗(yàn)研究導(dǎo)出的公式［１３］，計(jì)算得到１２０、１５０、１８０ｍｍ共３種厚度。然后采用等效應(yīng)力（Ｍｉｓｅｓ應(yīng)力）對(duì)３種厚度單體預(yù)制塊力學(xué)行為進(jìn)行有限元數(shù)值模擬［１０］，其物理力學(xué)參數(shù)見表１。

單體預(yù)制塊拉伸、壓縮、剪切加載方式下最大應(yīng)力見表２。厚度變化對(duì)預(yù)制塊應(yīng)力分布影響較小，最大應(yīng)力差別不大。

對(duì)３種厚度的單體預(yù)制塊養(yǎng)護(hù)情況進(jìn)行觀察，厚度１５０、１８０ｍｍ的預(yù)制塊表面粗糙、美觀度低、養(yǎng)護(hù)成本高、易產(chǎn)生裂縫。最終確定采用厚１２０ｍｍ、碎石粒徑為５～１５ｍｍ、水泥用量３００ｋｇ／ｍ３、抹面厚３～５ｍｍ的預(yù)制塊。這種裝配式生態(tài)預(yù)制塊具有質(zhì)量較輕、便于搬運(yùn)安裝、節(jié)約原材料、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，能有效降低波浪沖擊對(duì)護(hù)坡造成的影響，且通過改變砌塊的鋪砌方式和顏色能形成美麗的景觀。

２裝配式生態(tài)預(yù)制塊護(hù)坡機(jī)制研究

采用方塊規(guī)整排列、方塊交錯(cuò)排列和拼接鑲嵌排列３種多體排列方式（模型示意見圖３），進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)拉伸、壓縮、剪切加載數(shù)值測(cè)試。

２．１整體結(jié)構(gòu)拉伸加載數(shù)值測(cè)試

３種多體排列方式整體結(jié)構(gòu)拉伸數(shù)值測(cè)試結(jié)果見圖４。規(guī)整排列與交錯(cuò)排列預(yù)制塊之間沒有連接能力，其連接能力僅取決于塊體間黏結(jié)材料的抗拉強(qiáng)度，且拉斷后徹底不再具有連接能力。而帶有拼接槽的裝配式生態(tài)預(yù)制塊的抗拉能力由塊體間黏結(jié)材料抗拉強(qiáng)度和拼接槽提供的自身抗拉強(qiáng)度確定。此種預(yù)制塊在承受拉力達(dá)到黏結(jié)強(qiáng)度后也會(huì)出現(xiàn)塊體間部分?jǐn)嗔逊蛛x情況，在繼續(xù)拉伸情況下上部開始相互接觸繼續(xù)受力，拼接槽可確保超額拉力的傳導(dǎo)，使其他塊體持續(xù)分擔(dān)拉力，從而使得多體結(jié)構(gòu)具有良好整體性。

對(duì)拼接鑲嵌排列預(yù)制塊整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗拉強(qiáng)度參數(shù)敏感性分析。整體結(jié)構(gòu)初始拉裂由切應(yīng)力和拉應(yīng)力共同作用造成。初始抗裂過程中輕微提升黏聚力比提升抗拉強(qiáng)度更為有效。縱向拉力加載下，黏聚力與列間開裂關(guān)系較大，抗拉強(qiáng)度與行間開裂的關(guān)系較大。開始拉伸時(shí)，預(yù)制塊間主要受塊間摩擦力（切應(yīng)力）和局部拉應(yīng)力作用。較低黏聚力和抗拉強(qiáng)度的部分很快分離，高抗拉強(qiáng)度和黏聚力部分則整體不分離。在后續(xù)拉伸過程中列間分離主要受黏聚力影響，黏聚力小則列間分離快，且分離區(qū)域多。行間分離主要受抗拉強(qiáng)度影響，抗拉強(qiáng)度越大，則整體結(jié)構(gòu)承受的拉應(yīng)力越大、越不易開裂。

２．２整體結(jié)構(gòu)壓縮加載數(shù)值測(cè)試

對(duì)預(yù)制塊整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓縮加載數(shù)值測(cè)試（垂直壓縮荷載方向上整體結(jié)構(gòu)位移云圖見圖５）。豎向壓縮荷載作用下預(yù)制塊行間不會(huì)出現(xiàn)豎向分離情況，但在泊松效應(yīng)下，橫向即壓縮荷載垂直方向上發(fā)生變形并引起列間開裂分離。方塊規(guī)整排列情況下結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生整列完全分離，方塊交錯(cuò)排列情況下預(yù)制塊因縫隙不連續(xù)而在壓縮時(shí)呈現(xiàn)交錯(cuò)分離。

分析壓縮斷裂情況，初期壓縮加載因泊松效應(yīng)而引起結(jié)構(gòu)列間發(fā)生不均勻變形，進(jìn)而塊體間產(chǎn)生摩擦力和拉應(yīng)力。加載初期黏聚力與抗拉強(qiáng)度越大塊體越不易分離。在后續(xù)壓縮加載過程中，列間分離主要受黏聚力影響，黏聚力小則結(jié)構(gòu)列間分離較快。

２．３整體結(jié)構(gòu)剪切加載數(shù)值測(cè)試

對(duì)３種多體排列方式整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行剪切加載數(shù)值測(cè)試。方塊規(guī)整排列情況下，結(jié)構(gòu)斷裂發(fā)生在中部剪切帶。方塊交錯(cuò)排列情況下，其錯(cuò)位排布引起原本出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中部的裂隙向兩邊擴(kuò)散，且中部受到擠壓，出現(xiàn)一個(gè)高應(yīng)力區(qū)。拼接鑲嵌排列情況下，拼接槽的凸起接觸作用導(dǎo)致應(yīng)力向結(jié)構(gòu)中間傳遞，進(jìn)而引起兩側(cè)列間發(fā)生錯(cuò)位擠壓，護(hù)坡體系兩側(cè)出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)域，因此拼接鑲嵌排列方式結(jié)構(gòu)具有更好的抗剪整體性。

通過單體預(yù)制塊的力學(xué)分析可以得出，預(yù)制塊受拉伸、壓縮、剪切荷載作用時(shí)應(yīng)力分布和應(yīng)力大小與塊體本身的厚度關(guān)系不大。通過多體預(yù)制塊的力學(xué)分析可以得出，拼接鑲嵌排列相較于方塊規(guī)整排列和方塊交錯(cuò)排列可以顯著提升結(jié)構(gòu)抗拉壓性能，并擁有較好的整體性能。

３裝配式生態(tài)預(yù)制塊庫(kù)岸邊坡護(hù)坡體系的應(yīng)用

永泰抽水蓄能電站上、下水庫(kù)庫(kù)岸填方坡面均采用裝配式生態(tài)預(yù)制塊護(hù)面，上水庫(kù)防護(hù)面積約１８萬(wàn)ｍ２，下水庫(kù)防護(hù)面積約４萬(wàn)ｍ２。上水庫(kù)裝配式生態(tài)預(yù)制塊防護(hù)位置為進(jìn)／出水口庫(kù)岸、庫(kù)盆北區(qū)庫(kù)岸，分區(qū)壩上游壩坡坡比為１∶２．５、庫(kù)岸邊坡坡比為１∶３．０，高程為６３２．０～６６０．０ｍ；下水庫(kù)庫(kù)岸防護(hù)位置為進(jìn)／出水口上游庫(kù)岸、進(jìn)／出水口對(duì)岸、進(jìn)／出水口下游庫(kù)岸，邊坡坡比為１∶２．５，高程為２１２．０～２２６．０ｍ。應(yīng)用效果見圖６。裝配式生態(tài)預(yù)制塊在永泰抽水蓄能電站規(guī)模化應(yīng)用表明，其具有良好整體性，抗拉、抗壓和抗剪性能優(yōu)良，觀賞性很強(qiáng)。

４結(jié)論

通過裝配式生態(tài)預(yù)制塊的單體強(qiáng)度和多體力學(xué)特征研究，得到如下結(jié)論：

１）在低成本條件下，經(jīng)一系列室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值測(cè)試，預(yù)制塊單體各項(xiàng)強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，養(yǎng)護(hù)后強(qiáng)度滿足工程要求。

２）波浪沖擊容易使常規(guī)護(hù)坡砌塊脫落，而裝配式生態(tài)預(yù)制塊護(hù)坡使用的砌塊有很好的柔韌性，其拼接結(jié)構(gòu)鑲嵌排列方式具有良好整體性，抗拉、抗壓和抗剪性能優(yōu)良，能使護(hù)坡較為有效抵擋波浪沖擊。

３）具備很強(qiáng)的觀賞性，通過改變砌塊的鋪砌方式和顏色，不僅可以起到很好的護(hù)坡作用，而且能形成美麗的景觀。