膠凝砂礫石壩溫度應力研究

劉智瑋 田 園 王明華

(1.中國水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810000； 2.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046)

0 引言

膠凝砂礫石材料CSG(Cemented Sand and Gravel)是1976年J.M.Raphael提出的一種新材料[1]，它是將膠凝材料和水添加到河床砂礫石或開挖廢棄料中，然后采用簡單拌合得到。可以最大程度避免土地植被遭受工程破壞，是一種環保型的水工材料。膠凝砂礫石最初常用于臨時結構中，如圍堰工程，隨著材料的開發，越來越多的用于永久建筑物大壩中，我國山西守口堡工程就是國內永久工程的首例。大壩為大體積結構，膠凝砂礫石中含有膠凝材料，水化反應產生大量熱量，易造成溫度應力過大而開裂[2-4]。

有關膠凝砂礫石壩溫度應力的說法不一，根據《膠結顆粒料筑壩技術導則》[5,6]均認為需要采取簡易溫控措施，本文以山西守口堡膠凝砂礫石壩為研究對象，對其施工過程進行模擬分析，考察其溫度應力變化規律，為進行結構設計提供理論依據。

1 計算原理

1.1 非穩定溫度場計算理論

膠凝砂礫石六面體的熱傳導方程[7]可寫為：

(1)

(2)

(3)

其中,Ts為給定溫度，可以表示已知氣溫、地溫或水溫。

(4)

(5)

其中，λ為導熱系數，kJ/(m·h·℃)；Ta(t)為氣溫，℃；β為表面熱交換系數，kJ/(m2·h·℃)。一般情況下，β是外表面屬性及時間的函數。

1.2 應力場計算理論

基于彈性徐變理論，復雜應力狀態下的應變增量包括彈性應變增量、溫度應變增量、徐變應變增量、自生體積應變增量和干縮應變增量，即：

(6)

(7)

其中，αT為線膨脹系數。

2 有限元模型

以山西守口堡膠凝砂礫石壩為研究對象，大壩斷面為上下游對稱或基本對稱的梯形，擋水壩壩頂高程1 243.60 m，最大壩高61.6 m，壩頂寬6 m，上下游壩面在高程1 240.0以下坡比均為1∶0.6 m，以上為豎直。剖分后網格如圖1所示，其中整體網格節點總數17 400個，單元總數14 835。

膠凝砂礫石配合比由試驗確定：水泥50 kg/m3，粉煤灰40 kg/m3，總膠凝材料用量為90 kg/m3，砂礫石采用壩址及上游河床砂礫石，剔除150 mm以上粒徑的砂礫石。根據工程類似研究成果資料，膠凝砂礫石隨齡期變化的彈性模量如下：

E(τ)=20[1-exp(-0.45×τ0.56)]

(8)

因缺乏現場實測資料，參照類似室內試驗結果，自生體積變形采用如下：

ε(τ)=-28[1-exp(-0.55×τ0.7)]×10-6

(9)

由于缺乏現場實測資料，膠凝砂礫石的熱學參數，根據室內試驗結果所得，見表1。

表1 膠凝砂礫石熱學參數及線脹系數

仿真計算擬合并采用的絕熱溫升模型如式(10)：

θ(τ)=8.8[1-exp(-0.55×τ0.7)]

(10)

3 結果及分析

工程施工按照夏季澆筑，每1.5 m一層，間歇期3 d，為了直觀地描述結構表面及內部溫度和應力的變化，選取具有代表性的點見圖2，特征斷面選取中間面，計算結果見圖3。

根據計算結果可知，因膠凝砂礫石絕熱溫升較小，澆筑之后

各特征點溫升較小，底層澆筑后4.0 d，因晝夜溫差的影響，最大值為29 ℃，此時內外溫差較大，約5 ℃，表層存在拉應力，但因溫差值較小，拉應力較小，約0.3 MPa，沒有超出材料允許抗拉強度，不會開裂。頂層澆筑后1.0 d，因晝夜溫差的影響，內外溫差較大，此時因澆筑層較厚，K9點應力較大，最大值約0.92 MPa，超出該材料的允許抗拉強度，容易開裂。隨著澆筑時間的增長，強約束區底層表層一直處于受拉狀態，也有開裂的可能性，內部材料處于受壓狀態，不會開裂。

4 結語

本文通過對山西守口堡膠凝砂礫石壩進行施工期仿真計算分析，結果可知，隨著澆筑的進行，膠凝砂礫石壩底層強約束區表層極易開裂，內層開裂的可能性不大，頂層非強約束區早期表層可能會開裂，故膠凝砂礫石材料澆筑成建筑結構，需對其分析并采用相應的溫控措施。