不同溫度條件下三峽茅坪溪瀝青混凝土三軸試驗(yàn)研究

摘 要：瀝青混凝土具有溫度敏感性，不同溫度下力學(xué)性能差異較大。針對(duì)三峽茅坪溪瀝青混凝土進(jìn)行了基本力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)及不同溫度條件下的三軸剪切試驗(yàn)，探究溫度對(duì)瀝青混凝土力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。結(jié)果表明：茅坪溪瀝青混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度偏低，拉伸強(qiáng)度較小，拉伸應(yīng)變較大，最大彎拉應(yīng)變、撓跨比較大，單軸抗壓強(qiáng)度較小；隨著試驗(yàn)溫度的升高，瀝青混凝土的黏聚力增大，內(nèi)摩擦角減小，試樣破壞偏應(yīng)力降低，且偏應(yīng)力隨著圍壓的增加而增大，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均為硬化型；變形模量數(shù)K、n及初始切線泊松比G均隨試驗(yàn)溫度的升高而降低。試驗(yàn)成果可為大壩瀝青混凝土心墻運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)提供參考。

關(guān)鍵詞：瀝青混凝土；三軸試驗(yàn)；溫度；三峽茅坪溪；應(yīng)力-應(yīng)變

中圖分類號(hào)：TU411 " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

近年來，瀝青混凝土心墻壩越來越多的使用在水利水電工程中，其具有以下優(yōu)點(diǎn)[1-2]：防滲性能好，可適應(yīng)大壩的變形；抗震性能好；有足夠的塑性，受荷載作用出現(xiàn)裂縫在一定條件下可自愈；天然條件下，抗老化能力較強(qiáng)。由于瀝青對(duì)溫度極其敏感，不同溫度下，瀝青混凝土的力學(xué)性能差異較大。很多學(xué)者對(duì)溫度對(duì)瀝青混凝土力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究。魏蕓[3]開展不同溫度和不同圍壓條件下的靜三軸試驗(yàn)研究，分析了瀝青混凝土在不同溫度下的力學(xué)表現(xiàn)。楊華全等[4]探究了試驗(yàn)環(huán)境溫度、試件成型工序和脫模方法對(duì)瀝青混凝土模量數(shù)K值的影響，發(fā)現(xiàn)靜壓成型試件的K值與芯樣、擊實(shí)成型試件的K值相差較多，隨溫度的升高，瀝青混凝土的K值降低。寧致遠(yuǎn)等[5]研究了不同溫度和不同應(yīng)變速率對(duì)瀝青抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響，提出了溫度影響因子經(jīng)驗(yàn)公式。宋東[6]分析了低溫環(huán)境下瀝青混凝土的力學(xué)特性，并優(yōu)化了鄧肯-張模型參數(shù)的求解方法。胡凱[7]系統(tǒng)研究了不同溫度和加載速率條件下瀝青混凝土的抗剪切性能、拉壓性能、三軸壓縮性能等，提出了溫度、加載速率對(duì)瀝青混凝土強(qiáng)度、應(yīng)變、模量的影響規(guī)律。次仁云旦等[8]開展了不同溫度條件下的三軸剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土在負(fù)溫時(shí)出現(xiàn)明顯的應(yīng)變軟化和剪脹性，剪切強(qiáng)度隨溫度升高而減小。陳宇等[9]對(duì)兩種瀝青含量的瀝青混凝土進(jìn)行不同溫度下的三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在0 ℃時(shí)應(yīng)力軟化現(xiàn)象明顯，隨溫度升高，應(yīng)力軟化現(xiàn)象消失，呈現(xiàn)應(yīng)力硬化現(xiàn)象，同一瀝青含量下，溫度越高，最大偏應(yīng)力越小，抗剪強(qiáng)度越低。熊澤斌等[10]針對(duì)拉洛水利樞紐瀝青混凝土開展了不同骨料、不同溫度和剪切速率條件下的三軸試驗(yàn)，分析了骨料性質(zhì)、試驗(yàn)溫度和剪切速率對(duì)瀝青混凝土力學(xué)性能的影響。何曉民[11]對(duì)茅坪溪瀝青混凝土進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基本符合鄧肯-張模型。譚凡[12]探究了不同溫度和剪切速率條件對(duì)瀝青混凝土力學(xué)性質(zhì)的影響，結(jié)果表明溫度越低，瀝青混凝土強(qiáng)度越高，軟化與剪脹現(xiàn)象越明顯，且瀝青混凝土強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的非線性。

茅坪溪土石壩是我國第一座進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究的瀝青混凝土心墻壩，也是我國第一座壩高超過百米的瀝青混凝土心墻壩。2008年開始試驗(yàn)性蓄水至正常水位175.0 m，至今已有15年，瀝青混凝土心墻的運(yùn)行狀態(tài)一直備受關(guān)注。

本文對(duì)三峽茅坪溪瀝青混凝土的基本力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，并開展不同溫度下的固結(jié)排水三軸剪切試驗(yàn)，以探究溫度對(duì)瀝青混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，為大壩瀝青混凝土心墻運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)價(jià)提供參考。

1 原材料組成

根據(jù)《茅坪溪防護(hù)工程、電源電站預(yù)建工程右岸地下電站進(jìn)水口預(yù)建工程驗(yàn)收施工、監(jiān)理報(bào)告》[13]，瀝青混凝土試驗(yàn)用粗骨料采用王家坪料場(chǎng)的灰?guī)r（堿性骨料），細(xì)骨料由人工砂與天然砂按比例摻配，天然砂為長江河砂。選用中海油水工瀝青，瀝青含量為6.6%。骨料及填料含量見表1，瀝青混凝土配合比見表2。

2 瀝青混凝土基本力學(xué)性能

根據(jù)沿心墻不同高程處埋設(shè)的溫度計(jì)測(cè)值可知，2021年各測(cè)點(diǎn)溫度平均值為21.1 ℃，因此，后續(xù)瀝青混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)在21.1 ℃條件下進(jìn)行。按照表2提供的瀝青混凝土配合比制樣，對(duì)瀝青混凝土分別進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)，具體試驗(yàn)過程參考《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T 5362—2018）[14]。試驗(yàn)結(jié)果見表3、表4?？芍?，瀝青混凝土的孔隙率小于2%，水穩(wěn)定系數(shù)為0.99，符合灰?guī)r堿性骨料與優(yōu)質(zhì)瀝青黏附性較好的一般規(guī)律。間接拉伸試驗(yàn)和直接拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，瀝青混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度偏低，拉伸強(qiáng)度較小，拉伸應(yīng)變較大，二者試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律一致。與同類工程相比，本次試驗(yàn)瀝青混凝土的最大彎拉應(yīng)變、撓跨比較大，單軸抗壓強(qiáng)度較小，這主要是因?yàn)樵囼?yàn)溫度較高（21.1℃），試驗(yàn)結(jié)果符合瀝青混凝土的一般規(guī)律。

3 不同溫度條件下瀝青混凝土三軸試驗(yàn)

3.1 三軸試驗(yàn)方法與條件

瀝青混凝土三軸試樣尺寸為Φ?100 mm×200 mm，試樣見圖1。由于瀝青混凝土對(duì)溫度較敏感，試驗(yàn)在溫控三軸實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室由隔熱材料建成，采用大型空調(diào)機(jī)組控溫，最低溫度可控制在5 ℃。試驗(yàn)儀器見圖2。通過長江科學(xué)院設(shè)計(jì)的外體變精確測(cè)量裝置[12]測(cè)量試驗(yàn)過程中瀝青混凝土試樣的體積變形。根據(jù)《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》要求，試驗(yàn)前將試樣放置在恒溫水浴內(nèi)24 h，確保整個(gè)試樣的溫度均勻，恒溫水浴見圖3。本次試驗(yàn)圍壓分別為300、600、900、1 200 kPa，軸向變形速率為0.2 mm/min。

3.2 三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果

不同試驗(yàn)溫度條件下的瀝青混凝土三軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線和應(yīng)力-體變關(guān)系曲線分別見圖4和圖5?？芍?，偏應(yīng)力（σ1-σ3）隨著圍壓σ3的增大而增大，四種溫度條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)均為“硬化”型（見圖4）。試驗(yàn)溫度為16.4 ℃，圍壓300 kPa時(shí)，體變?chǔ)舦為先體縮后體脹，而其他溫度及圍壓條件下，試驗(yàn)開始階段為體縮，后體積增大，但最終體變曲線仍為體縮（見圖5）。

圖6為不同溫度下側(cè)向應(yīng)變?chǔ)舝和軸向應(yīng)變?chǔ)?關(guān)系曲線?？芍瑐?cè)向應(yīng)變與軸向應(yīng)變基本為線性關(guān)系，因此取體變參數(shù)D=0。

目前國內(nèi)在瀝青混凝土心墻壩應(yīng)力-應(yīng)變計(jì)算過程中使用鄧肯-張模型較多，基于本文試驗(yàn)結(jié)果提出了不同溫度條件下瀝青混凝土的鄧肯-張模型參數(shù)見表5。可知，隨著溫度的提高，瀝青混凝土強(qiáng)度降低，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的黏聚力c隨之增大，但內(nèi)摩擦角φ則相反，隨溫度的升高而減小。這主要是由于瀝青混凝土是典型的流變材料，溫度對(duì)其力學(xué)性能有顯著的影響，隨著溫度升高，瀝青軟化，黏性增大，進(jìn)而導(dǎo)致黏聚力增大，抗剪切強(qiáng)度降低。該結(jié)果與文獻(xiàn)[10]、文獻(xiàn)[11]等人的研究結(jié)論一致。瀝青混凝土的變形模量數(shù)K、n、Kb及初始切線泊松比G均隨試驗(yàn)溫度的升高而降低，Rf、F、m受溫度影響較小。

不同溫度條件下，破壞偏應(yīng)力如圖7所示?？芍茐钠珣?yīng)力隨著溫度的增高而減小，且圍壓越高，減小幅度越大，主要是因?yàn)闉r青在溫度較高時(shí)軟化，導(dǎo)致強(qiáng)度降低易發(fā)生破壞。相同溫度條件下，圍壓越高，破壞偏應(yīng)力越大，試驗(yàn)溫度16.4 ℃，圍壓為1 200 kPa時(shí)的破壞偏應(yīng)力是300 kPa時(shí)的2.6倍。

黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ及變形模量數(shù)K隨溫度變化曲線見圖8。隨著溫度的升高，黏聚力增大，而內(nèi)摩擦角φ和變形模量數(shù)K減小。試驗(yàn)溫度25 ℃與16.4 ℃結(jié)果相比，黏聚力提高了49.5%，內(nèi)摩擦角與變形模量數(shù)分別降低了18.4%和45.2%。

4 結(jié) 論

通過在不同溫度條件下對(duì)茅坪溪瀝青混凝土進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，探究試驗(yàn)溫度對(duì)瀝青混凝土力學(xué)性質(zhì)的影響。主要結(jié)論如下：

（1）茅坪溪瀝青混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度偏低，拉伸強(qiáng)度較小，拉伸應(yīng)變較大，最大彎拉應(yīng)變、撓跨比較大，單軸抗壓強(qiáng)度較小。

（2）隨著試驗(yàn)溫度的升高，瀝青混凝土的黏聚力增大，內(nèi)摩擦角減小，試樣破壞偏應(yīng)力降低。偏應(yīng)力隨著圍壓的增加而增大，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均為硬化型。

（3）變形模量數(shù)K、n及初始切線泊松比G均隨試驗(yàn)溫度的升高而降低，其他參數(shù)無明顯變化趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]SCHONIAN E. The Bitumen Hydrulic Engineering Handbook[M].London：Shell Bitumen，2001.

[2]任少輝. 瀝青混凝土靜三軸試驗(yàn)研究及心墻堆石壩應(yīng)力應(yīng)變分析[D]. 西安：西安理工大學(xué)，2008.

[3]魏蕓.溫度對(duì)瀝青混凝土靜力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2021.

[4]楊華全，王曉軍，何曉民.瀝青混凝土模量數(shù)K值的影響因素試驗(yàn)研究[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2007，24（4）：57-59，63.

[5]寧致遠(yuǎn)，劉云賀，王琦，等.不同溫度環(huán)境中瀝青混凝土動(dòng)態(tài)抗壓性能試驗(yàn)研究[J].振動(dòng)與沖擊，2021，40（2）：243-250.

[6]宋東. 低溫瀝青混凝土靜三軸試驗(yàn)研究及瀝青心墻堆石壩有限元計(jì)算分析[D].西安：西安理工大學(xué)，2017.

[7]胡凱. 溫度和加載速率對(duì)水工瀝青混凝土性能的影響研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2020.

[8]次仁云旦，王柳江，扎西頓珠，等.溫度對(duì)水工瀝青混凝土強(qiáng)度及剪脹特性的影響試驗(yàn)研究[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2024，41（1）：190-195.

[9]陳宇，姜彤，黃志全，等.溫度對(duì)瀝青混凝土力學(xué)特性的影響[J].巖土力學(xué)，2010，31（7）：2192-2196.

[10] 熊澤斌，劉春鵬，鄭光俊，等. 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[J]. 水利水電快報(bào)，2022，43（11）：84-89.

[11] 何曉民. 瀝青混凝土三軸應(yīng)力條件下的力學(xué)特性[J]. 長江科學(xué)院院報(bào)，2000，17（2）：37-40.

[12] 譚凡. 瀝青混凝土心墻材料力學(xué)性能研究[D].武漢：長江科學(xué)院，2012.

[13] 中國長江三峽工程開發(fā)總公司.茅坪溪防護(hù)工程、電源電站預(yù)建工程右岸地下電站進(jìn)水口預(yù)建工程驗(yàn)收施工、監(jiān)理報(bào)告[R]. 武漢：中國長江三峽工程開發(fā)總公司，2003.

[14] DL/T 5362—2018，水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S]. 北京：中國電力出版社，2019.

Triaxial Experiments on Asphalt Concrete of Maopingxi，Three Gorges under Different Temperature Conditions

SHEN Zhaoyong1，LIU Chunpeng2，WANG Yanli2，ZHOU Xinhua2

（1. River Basin Complex Administration Center，China Three Gorges Corporation，Yichang 443133，China；2. Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：Asphalt concrete is temperature-sensitive and its mechanical properties vary significantly at different temperatures. We conducted basic mechanical property tests and triaxial shear tests at different temperatures of asphalt concrete from Maopingxi in Three Gorges，and explored the influence of temperature on mechanical properties of asphalt concrete. Results show that asphalt concrete of Maopingxi is characterized with relatively low splitting tensile strength，low tensile strength，high tensile strain，high maximum bending tensile strain，high deflection span ratio，and low uniaxial compressive strength. As the testing temperature increases，the cohesion of asphalt concrete increases，the internal friction angle decreases，and the failure deviator stress decreases. Additionally the deviatoric stress increases with the increase of confining pressure，and the stress-strain curves are all of the hardening type at the end of tests. The values of deformation modulus K，n，and initial tangent Poisson's ratio G all decrease with the increase of test temperature. Experimental results can provide a reference for the evaluation of operational status of asphalt concrete core walls in dams.

Key words：asphalt concrete；triaxial experiment；temperature；Maopingxi in Three Gorges；stress-strain