礫石骨料破碎率對瀝青混凝土心墻壩應力應變影響分析

何建新,仝衛超,王懷義,楊海華

(新疆農業大學水利與土木工程學院,新疆烏魯木齊830052)

礫石骨料破碎率對瀝青混凝土心墻壩應力應變影響分析

何建新,仝衛超,王懷義,楊海華

(新疆農業大學水利與土木工程學院,新疆烏魯木齊830052)

通過室內靜三軸試驗獲得鄧肯-張E-μ模型參數,結合ABAQUS有限元軟件對新疆某瀝青混凝土心墻壩進行計算,分析竣工期和滿蓄期不同破碎率砂礫石骨料條件下壩體和心墻的應力應變特性。結果表明：壩體的應力應變特性受心墻瀝青混凝土中粗骨料的破碎率影響很小,心墻的應力應變特性僅大主應力隨著粗骨料破碎率的增加而增大,且均在安全范圍之內。因此,瀝青混凝土心墻壩可以完全使用天然礫石骨料。

靜三軸；應力應變；礫石骨料；破碎率；瀝青混凝土心墻壩

0 引 言

在進行心墻瀝青混凝土配合比設計時,為了保證骨料與瀝青的黏附性及心墻瀝青混凝土的水穩定性,瀝青混凝土粗骨料一般都優先采用堿性巖石破碎的人工碎石[1]，但是自然界中碳酸鹽巖類分布僅占0.25%,資源十分有限[2]。在新疆某些水庫壩址區根本沒有堿性骨料,不得不考慮使用礫石骨料配制心墻瀝青混凝土[3]。由于瀝青混凝土心墻厚度較薄,粗骨料是心墻骨架和結構組成的重要部分,作為大壩的唯一防滲屏障,骨料的棱角性對心墻的應力應變特性影響越來越受到研究人員的關注[4]。李炎隆等發現瀝青混凝土的性能受楊式模量K、楊式模量指數n影響非常敏感,而受體積模量指數m的影響很小[5]；吳海林等依托新疆某瀝青混凝土心墻堆石壩進行了應力變形分析,得到瀝青混凝土心墻的變形在竣工期和滿蓄期均處在合理范圍之內的結論[6]；任少輝證明了瀝青混凝土靜三軸試驗應力-應變曲線隨溫度、加載速率呈一定規律性變化[7]；趙科驗證了冷熱循環降低了瀝青混凝土的三軸剪切強度[8]。在對瀝青混凝土心墻應力應變特性研究中,卻鮮有將粗骨料破碎率作為影響因素來分析。粗骨料破碎以后,表面有棱有角,凹凸不平,針片狀增多,破碎帶來的棱角效應對壩體和心墻的應力應變特性影響在以往研究中均沒有提及。本文采用試驗和計算結合的方法,在實驗室分別采用破碎率為0、50%、100%的3種粗骨料制備心墻瀝青混凝土試件,通過三軸試驗得到心墻瀝青混凝土的E-μ模型參數,結合工程實例,通過有限元軟件計算出采用不同粗骨料破碎率的瀝青混凝土心墻和壩體的應力應變特性。

表1 瀝青混凝土靜三軸試驗參數

表2 壩殼料和過渡層參數

1 材料參數

1.1 瀝青混凝土參數

采用實驗室優選配合比,試樣通過瀝青混凝土三軸試模室內擊實成型,試模尺寸Φ100 mm×250 mm,擊實錘Φ98.5 mm,質量4 536±9 g,高度457.2±1.5 mm,將混合料分2層擊實,每層單面擊實110次。試件尺寸要求為Φ100 mm×200 mm,試件高度尺寸偏差±2 mm。隔天脫模后試件在10.0 ℃恒溫環境中靜置4 h,試驗用水溫度10.0 ℃。試驗軸向加載速率0.18 mm/min,應變速率0.09%/min。將試件放入壓力室,調整試件位置。打開圍壓閥門,對試件施加一定的圍壓,并保持恒壓30 min,待體變管內的液面穩定,記錄數據,開始試驗。3個粗骨料破碎率下的瀝青混凝土分別進行0.2、0.3、0.4、0.6 MPa 4個圍壓下的靜三軸試驗,對試驗結果進行處理,得到3個粗骨料破碎率下的瀝青混凝土非線性參數如表1所示。

從表1可以看出,破碎礫石骨料所配制的瀝青混凝土粘聚力比各摻50%骨料高出95 kPa,比天然礫石骨料高出103 kPa。骨料破碎以后,比表面積增大,表面豐富的棱角很大程度上提高了瀝青混凝土的粘聚力。破碎礫石骨料所配制的心墻瀝青混凝土內摩擦角比各摻50%骨料高出1°,增加不明顯,比天然礫石骨料高出3.5°,這是由于在瀝青膠漿的填充下,部分粗骨料咬合嵌擠,磨圓度高的天然礫石表面光滑,粗骨料之間的咬合力相對較低。由于骨料的表面粒形特征在瀝青的包裹作用下嵌擠結構被減弱,靜三軸試驗得到的非線性參數差別不明顯。

1.2 壩殼料和過渡層參數

彈性模型中的非線性彈性模型相對于彈塑性模型有一定的局限性,但能較好地模擬材料的力學性質,具有形式簡潔、參數少且易獲取的特點,在工程計算分析中得到廣泛運用[9]。在有限元計算中,壩殼料和過渡料均采用現場工程材料的非線性彈性模型參數,具體見表2。

2 計算模型及加載

新疆某碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩,壩頂寬8 m,頂高程1 609.9 m,最大壩高62.0 m,上下游面壩坡分別為1∶2.5和1∶2.0。心墻及兩側的砂礫石壩體坐落在基巖上。壩殼料、過渡料采用砂礫石填筑,心墻采用碾壓式瀝青混凝土。上、下游過渡Ⅰ區水平寬度均為2 m,下游過渡Ⅱ區水平寬度為3 m。心墻0.8～2.0 m漸變擴大段與混凝土基座連接,底部以上32 m心墻厚80 cm,32～47 m心墻厚70 cm,47 m至心墻頂部厚60 cm。利用ABAQUS有限元分析軟件,對大壩進行剖分,順河向為計算的x軸方向,沿壩體高程增加的鉛直方向為y軸方向。對壩體進行有限元網格剖分,得到有限元分析模型如圖1所示。

圖1 瀝青混凝土心墻壩單元

壩體分層填筑施工,自重采用分級加載,碾壓式瀝青混凝土心墻和壩殼砂礫石同步填筑。壩體的加載按照施工順序分6級模擬逐級加載,壩體填筑完畢后,水荷載采用4級模擬加載。模型底部采用全約束,水平法向約束。順水流方向為正,沿壩高方向為正,主應力以壓為正,以拉為負。

3 試驗結果分析

3.1 壩體應力應變分析

碾壓式瀝青混凝土心墻壩計算工況分為竣工期和滿蓄期。在試驗參數的基礎上,利用有限元模型,得到壩體應力應變計算結果見表3。

表3 壩體應力應變計算結果

在瀝青混凝土心墻壩的應力應變研究中,最關心的是瀝青混凝土心墻的最大垂直位移和最大主應力σ1max[10]。從表3可以看到,不同粗骨料破碎率下的瀝青混凝土心墻壩體在竣工期和滿蓄期的水平位移、豎向位移以及應力水平并無明顯變化；厚度為60～80 cm的瀝青混凝土心墻在整個壩體中相當于薄層,心墻中粗骨料破碎率的不同對壩體的應力應變影響不大；滿蓄期壩體順水流方向的位移均在5 cm左右,豎直方向位移均在19 cm左右；壩體在竣工期和滿蓄期兩種工況下大主應力均在1.4 MPa左右,大主應變均在0.9%左右,即存在一定的壓應力,均在安全范圍以內；壩體小主應力均在-0.8%左右,即存在很小的拉應變,壩體的剪應力水平也滿足要求。從經濟方面講,破碎骨料費時費力,在滿足安全性的前提下,選擇破碎率為0的天然礫石骨料作為瀝青混凝土心墻的粗骨料更具有優越性。由于3種破碎率下壩體應力應變計算結果無明顯差異,可選取瀝青混凝土心墻粗骨料破碎率為100%的壩體的豎向位移和最大主應力進行分析,等值線如圖2所示。

從圖2a、b可以看出,壩體竣工期和滿蓄期的豎向沉降分別為18.83 cm和19.08 cm,且均在壩高的1/2到2/3位置處,該工程所用壩殼料為壩址區上游河床砂礫石,自重應力沿壩軸線分布均勻,其豎向沉降量分別占最大壩高的0.3%和0.31%。壩體的水平位移在上、下游兩側對稱分布,上游面受到水壓力的作用后傳遞給壩體中間的瀝青混凝土心墻,破碎粗骨料之間較大的粘聚力承受了一部分水平推力,壩體的下游面變化幅度較小,水平位移由3.19 cm增大為5.01 cm,上游面水平位移由2.5 cm減少至2.07 cm。

從圖2c、2d可以看出,壩體在竣工期和蓄水期大主應力分布比較規則,均為壓應力,從壩頂到壩底呈連續增加趨勢,等值線基本與上游和下游的壩坡平行。礫石骨料破碎后表面雖然可能存在微裂隙,但密度與天然礫石骨料相同,在拌和成相同體積的瀝青混凝土并經過碾壓后,心墻和壩殼料的自重應力相同。粗骨料破碎率為100%的壩體竣工期大主應力為1.36 MPa,滿蓄期壩體在水應力的附加作用下大主應力有一定增加,最大值為1.44 MPa,心墻底部靠近基座部位受到的應力作用最大,兩種工況的大主應力極值均出現在此部位。

從圖2e、2f可以看出,壩體的小主應力分布規律與大主應力基本一致,竣工期和滿蓄期小主應力極值均為0.84 MPa,位置在壩體底部。在逐級蓄水以后,壩體上游受到水的浮托力作用,瀝青混凝土心墻中破碎粗骨料相互咬合,受浮托力影響較小。壩體的大主應力和小主應力均有一定的減小,此時壩體底部大主應力為1.24 MPa,小主應力為0.69 MPa。

3.2 心墻應力應變分析

瀝青混凝土心墻是瀝青混凝土心墻砂礫石壩的關鍵部位,對整個大壩的防滲系統至關重要,不同破碎率的粗骨料對瀝青混凝土心墻的應力應變特性影響計算結果見表4。

從表4可以看出,不同破碎率的粗骨料瀝青混凝土心墻在壩殼料和過渡層的中間水平位移不大,竣工期下游面水平位移在1 cm左右,逐級蓄水后,在水壓力作用下比竣工期向下游移動多出2.8 cm,滿蓄期上游面水平位移在水壓力作用下基本為0。心墻的豎向位移竣工期基本在19.3 cm,滿蓄期基本在18.8 cm,與壩體的豎向沉降差異不大,從而避免了心墻部分自重傳遞到壩殼,心墻內部應力減小,壩殼應力增大的心墻拱效應現象。該壩體和心墻豎向沉降差異越小,拱效應越微弱,對壩體安全越有利。心墻在竣工期和滿蓄期均受壓應力,隨著骨料的破碎率的增加,心墻受到的大主應力也有一定的增加,竣工期從0.97 MPa增加到1.32 MPa,滿蓄期從1.09 MPa增加到1.42 MPa。在骨料與瀝青黏附性基本無差別的情況下,由于破碎率為100%的粗骨料表面棱角明顯,瀝青混凝土心墻在攤鋪時溫度較高,處于流動塑性狀態,在受到碾壓以及周圍壩殼料的外力作用時,部分粗骨料之間的瀝青膠漿面偏薄,骨料的表面摩擦使心墻受到較高的應力。小主應力也呈現隨著骨料破碎率增加而增加的規律。在心墻的竣工期和滿蓄期,均存在一定程度的拉應變,其值均在0.7%左右。3種不同粗骨料破碎率的瀝青混凝土心墻應力變形特性如圖3所示。

圖2 壩體應力應變計算結果

表4 心墻應力應變計算結果

從圖3可以看出,心墻的豎向沉降最大值出現位置均在1/2高度處,粗骨料的破碎率為100%時,心墻的豎向沉降比其他兩個破碎率略低,但差別不大?？⒐て诤蜐M蓄期心墻從底部到2/3高度處的大主應力隨著粗骨料破碎率的增加有一定增加,3種粗骨料破碎率的心墻和壩體的應力差異不大,避免了兩者之間的應力傳遞。在壩頂部位的心墻大主應力隨著骨料破碎率增加無明顯變化?？⒐て跁r3種粗骨料不同破碎率的心墻小主應力在心墻底部差異不明顯,滿蓄期時由于水壓力作用,心墻底部小主應力隨著粗骨料破碎率的增加出現細微差別,壩頂小主應力幾乎相同。心墻和壩殼料的自重使心墻在竣工期和滿蓄期處于受壓狀態,僅在心墻的壩肩部位出現一定的拉應力區,且拉應力很小。

4 結 論

本文利用了ABAQUS有限元計算軟件,以心墻瀝青混凝土的靜三軸試驗數據為基礎,采用鄧肯-張模型對瀝青混凝土心墻壩進行了二維有限元計算,分析了壩體和心墻在不同粗骨料破碎率下的應力應變規律,得出以下結論：

(1)粗骨料破碎率為100%與0的心墻瀝青混凝土相比,內摩擦角高出3.5°,粘聚力高出103kPa,但其他非線性參數差別不明顯。

(2)在壩殼料和過渡料相同的條件下,粗骨料破碎率為100%與0時相比,壩體的位移、應力、應變以及剪應力水平相差不大。

(3)心墻的位移、應變及剪應力水平受粗骨料破碎率的影響不大,且均在安全范圍之內。因此,心墻瀝青混凝土可以完全使用天然礫石骨料。

[1]SL501—2010 土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范[S]．

[2]岳躍真, 郝巨濤, 孫志恒, 等. 水工瀝青混凝土防滲技術[M]. 北京： 化學工業出版社, 2007．

[3]何建新, 朱西超, 楊海華, 等. 采用礫石骨料的心墻瀝青混凝土水穩定性能試驗研究[J]. 中國農村水利水電, 2014(11)： 109- 112．

[4]周欣華, 鐃錫保, 朱國勝. 瀝青混凝土心墻堆石壩產生水力劈裂破壞的分析與評價[C]∥第二屆全國巖土與工程學術大會論文集(上冊). 武漢： 科技出版社, 2006: 621- 626.

[5]李炎隆, 李守義, 韓艷, 等. 瀝青混凝土心墻堆石壩有限元數值分析[J]. 水資源與水工程學報, 2013, 24(2)： 38- 42．

[6]吳海林, 彭云楓, 杜曉帆, 等. 瀝青混凝土心墻壩應力變形及水力劈裂研究[J]. 水力發電學報, 2015, 34(4)： 119- 127．

[7]任少輝. 瀝青混凝土靜三軸試驗研究及心墻堆石壩應力應變分析[D]. 西安： 西安理工大學, 2008．

[8]趙科. 水工瀝青混凝土力學性能試驗研究 [D]. 武漢： 長江科學院, 2014．

[9]楊平, 陳驍. 瀝青混合料粘彈塑性本構關系及大變形有限元分析一般理論[J]. 武漢理工大學學報, 2012, 34(4)： 42- 47．

[10]王娟, 李勛峰. 金平瀝青混凝土心墻堆石壩三維有限元數值分析[J]. 水電能源科學, 2007, 25(1)： 71- 74．

(責任編輯 焦雪梅)

Analysis on the Influence of Gravel Aggregate Crushing Rate on Stress and Strain of Asphalt Concrete Core Wall Dam

HE Jianxin, TONG Weichao, WANG Huaiyi, YANG Haihua

(College of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, Xinjiang, China)

Through indoor static tri-axial test to obtain Duncan-ZhangE-μmodel parameters, an asphalt concrete core wall dam in Xinjiang is calculate by using ABAQUS finite element software. The stress and strain characteristics of dam body and core wall during the period of completion and full storage are analyzed under the conditions of different gravel aggregate crushing rates. The results show that the stress and strain characteristics of dam body are little affected by the crushing rate of coarse aggregate in asphalt concrete core wall, and only the major principal stress in core wall will increase with the increase of coarse aggregate crushing rate, but all stresses and strains in core wall are in safe range. Therefore, the natural gravel aggregate can be completely used in asphalt concrete core wall dam．

static three axis; stress and strain; gravel aggregate; crushing rate; asphalt concrete core wall dam

2016- 08- 17

新疆維吾爾自治區高校科研計劃科學研究重點項目(XJEDU2014I016)；新疆水利水電工程重點學科基金(XJZDXK-2010-02-12)；新疆維吾爾自治區產學研聯合培養研究生項目(xjaucxy-yjs-20151007)

何建新(1973—),男,河南扶溝人,副教授，碩士生導師,研究方向為水利水電工程；仝衛超(通訊作者)．

TV314;TV642

A

0559- 9342(2017)03- 0054- 05