膠凝砂礫石料蠕變試驗及大壩長期變形預測

郭興文，杜建莉，趙 騫，蔡 新，3

（1.河海大學力學與材料學院，江蘇南京211100；2.國網安徽省電力有限公司電力科學研究院，安徽 合肥230601；3.河海大學水利水電學院，江蘇南京210098）

膠凝砂礫石壩是一種體現“宜材適構、宜構適材”筑壩新理念的壩型,其筑壩材料是使用少量的膠凝材料和現場不篩分、不水洗的砂礫石,經簡易拌和后進行攤鋪、碾壓形成的具有一定強度和抗剪性能的材料,壩料中膠凝材料含量介于堆石料與碾壓混凝土之間。已有的工程實踐表明,膠凝砂礫石壩具有水泥用料省、溫控簡單、施工導流方便、施工速度快、抗震性能好以及適應軟弱地基等特點［1］,因此膠凝砂礫石料材料性能以及結構特性受到越來越多的關注。賈金生等［2-4］通過一系列膠凝砂礫石料強度試驗,研究了砂率、水泥用量、含泥量、膠凝材料摻量、水膠比、粉煤灰摻量等因素對膠凝砂礫石料強度與彈模的影響,提出了膠凝砂礫石料配合比設計原則要求。孫明權等［5-8］基于大三軸試驗成果,開發了多個不同類型的膠凝砂礫石料本構模型,進而應用相關模型對大壩進行了應力、變形等方面計算分析,為相關工程提供了參考依據,加深了對此類大壩特性的認識。結合實際工程,國內外科研工作者還開展了膠凝砂礫石壩結構模型、斷面設計理論與方法以及施工技術等方面［9］的研究,取得了一系列成果。

隨著膠凝砂礫石料性能研究的深入以及大壩設計理論的逐步完善和發展,國內外膠凝砂礫石壩應用于永久性工程的數量不斷增多。膠凝砂礫石壩壩料的膠凝材料摻量介于堆石料（膠凝材料摻量為0)與碾壓混凝土料（膠凝材料摻量大于140 kg/m)之間,由于堆石壩后期變形加大,面板、接縫易損壞,工程會出現嚴重滲漏等問題［10-12］,而碾壓混凝土大壩的蠕變變形較常態混凝土的大［13］,因此永久性工程的膠凝砂礫石壩長期變形預測及大壩整體耐久性影響評估逐漸受到研究者的重視。馮煒［14］對膠凝材料摻量為80 kg/m3的膠凝砂礫石料進行了蠕變試驗,對其蠕變機理進行了初步探索。郭興文等［15］將膠凝砂礫石料簡化為礫石骨料和骨料間界面構成的膠結復合材料,假定礫石骨料不發生蠕變,復合材料的蠕變由骨料間界面特性加以反映,在上述假定基礎上進行了膠凝砂礫石料細觀層面的二維蠕變理論建模研究,進而得到其宏觀蠕變本構模型,為膠凝砂礫石料蠕變特性研究提供了新思路。總體來看,目前有關膠凝砂礫石料蠕變特性的研究相對匱乏,研究成果尚不能很好地滿足工程實踐應用需要。本文借鑒文獻［15］理論建模思路,進行基于細觀的膠凝砂礫石料三維蠕變模型構建,進行4種不同膠凝材料摻量的膠凝砂礫石料單軸壓縮蠕變試驗,并分析不同膠凝材料摻量下膠凝砂礫石料的蠕變特性,基于試驗數據擬合得到蠕變模型中相關參數,應用Prony級數轉換方式將模型植入ANSYS軟件中進行膠凝砂礫石料試件蠕變模擬,在驗證了所建模型的合理性后,應用其對某膠凝砂礫石壩進行了長期變形計算分析。

1 膠凝砂礫石料蠕變本構模型

膠凝砂礫石料是由少量膠凝材料和砂礫石拌和形成的一種復合材料,其主要由砂礫石、砂、膠凝劑組成。由于膠凝材料摻量較低,材料內部存在大量孔隙,致使顆粒間的膠凝劑層非常薄,顆粒間的聯系相對較弱,因此膠凝砂礫石料可簡化為礫石顆粒以及顆粒間無厚度界面構成的復合材料。一般認為在外荷載作用下礫石骨料只產生彈性變形,產生的徐變變形很小［16］,在外力作用下膠凝砂礫石料的宏觀蠕變特性主要由顆粒接觸界面特性決定。文獻［15］選用Burgers模型描述接觸界面的蠕變特性。本文從細觀層面研究各向同性膠凝砂礫石料的三維蠕變特性,基于細觀力學的推導細節見文獻［17］。

基于Reuss、Voigt和一般位移場三種假設,膠凝砂礫石料宏觀蠕變特性解析形式為

式中：上標V、R和G分別表示Voigt假設、Reuss假設和一般位移場假設；α為剛度比；其余參數含義見文獻［15］。

在三維情況下將各關系式展開并取一個主方向使其與單軸蠕變相適應,得到在形式上高度一致的表達式。細觀理論推導得到的單軸蠕變模型可以與宏觀Burgers模型統一,簡化后蠕變模型表達式為

其中

式中β基于不同的假設和剛度比確定。

2 膠凝砂礫石料蠕變試驗

在實際工程中,膠凝砂礫石料的級配、膠凝材料摻量等會因實際工程的不同而變化。因此,將上述模型應用于實際工程時其特征參數需通過膠凝砂礫石料蠕變試驗結果確定或反演得到。為方便后續相關工程的應用,本文在膠凝砂礫石料常用膠凝材料摻量范圍內,選取4種膠凝材料摻量進行單軸壓縮蠕變試驗,定量研究膠凝材料摻量對膠凝砂礫石料蠕變特性的影響。

2.1 試驗方案

本次蠕變試驗膠凝材料摻量分別為40、60、80、100 kg/m3。每組試件由2個對比試件和2個試驗試件組成。試件均為直徑0.2 m、高0.6 m的圓柱體。試驗材料：P.O42.5普通硅酸鹽水泥,南京市場上的二級粉煤灰,六合天然砂礫料。試件密度為2 360 kg/m3,粉煤灰摻量為50%,水膠比為1.0,骨料級配見表1。參考《水工混凝土試驗規程》,本次試驗荷載均取破壞荷載的0.3倍。根據測得的抗壓強度,得到膠凝材料摻量為40、60、80、100 kg/m3時蠕變試驗各組受壓試件所受荷載分別為 0.16、0.32、0.38、0.95 MPa。

試驗儀器主要包括：彈簧式壓縮徐變儀,其最大軸向壓縮荷載小于200 kN；DI-25型差動電阻式應變計,其標距為 250 mm,量程為-1 000×10-6～600×10-6（負號表示壓縮)；最大量程為50 kN的力傳感器；規格為Φ 200 mm×600 mm的鋼模。

表1 骨料級配

2.2 試驗結果分析

不同摻量的膠凝砂礫石料蠕變試驗結果如圖1所示（試驗故障導致膠凝材料摻量為80 kg/m3的膠凝砂礫石料的蠕變數據僅統計到195 d)。加載后試件首先產生一定量的瞬時變形,隨后進入蠕變變形階段。加載早期蠕變發展較快,然后進入蠕變速率基本保持不變的穩定蠕變階段。不同膠凝材料摻量條件下膠凝砂礫石料蠕變發展規律一致,膠凝砂礫石料的蠕變變形隨膠凝材料摻量的增大逐漸增大,其主要原因可歸結為隨著膠凝材料摻量的增大,顆粒之間的膠凝劑相對增多,使顆粒之間的界面流動性變大。

圖1 不同摻量膠凝砂礫石料的蠕變試驗結果

3 基于試驗的蠕變本構模型驗證

3.1 本構模型參數的確定

為了將公式（4)應用于實際分析,需要確定不同膠凝材料摻量下的模型參數并進行驗證。借鑒田莉等［18］提出的依據試驗結果確定Burgers模型參數的方法,E1可由應力與初始應變求得,μ1、E2可由后期試驗數據經擬合計算得到,μ2可由前期試驗數據經擬合計算得到。根據試驗數據擬合得到40、60、80、100 kg/m3摻量對應的本構模型參數,見表2。由表2數據可知：在試驗荷載與材料破壞荷載比值相同的情況下,隨著膠凝砂礫石料膠凝材料摻量的增大,膠凝砂礫石料的黏性系數均逐漸減小,說明隨著膠凝材料摻量的增大膠凝砂礫石料的蠕變變形增大；膠凝砂礫石料的彈性系數E1隨著膠凝材料摻量的增大呈增大的趨勢,說明膠凝砂礫石料的初始彈性模量隨著膠凝材料摻量的增大而增大；膠凝砂礫石料的彈性系數E2隨著膠凝材料摻量的增大逐漸減小,說明隨著膠凝材料摻量的增大蠕變階段的彈性變形增大。由圖2可看出不同摻量的膠凝砂礫石料蠕變試驗結果與擬合曲線的吻合度較高。

表2 不同摻量膠凝砂礫石料簡化宏觀模型參數

圖2 不同摻量的膠凝砂礫石料蠕變試驗結果與擬合曲線

為了便于非試驗特定膠凝材料摻量工程的應用,建立了E1、E2、μ1、μ2與膠凝材料摻量的擬合式,見表3。

表3 相關參數與摻量的擬合關系式及確定系數

3.2 本構模型的驗證

為了應用已有大型軟件預測膠凝砂礫石料的長期變形,本文通過Prony級數轉化將蠕變本構模型植入ANSYS軟件中,實現利用現有平臺進行膠凝砂礫石料長期變形預測的目的。

3.2.1 模型參數的Prony級數轉化

Burgers模型的本構關系可以表示為

其中

其中

剪切松弛模量和體積松弛模量分別為

其中

上述公式中參數含義見文獻［15］。不同摻量膠凝砂礫石料在ANSYS中的Prony級數見表4。

表4 不同摻量膠凝砂礫石料Prony級數

3.2.2 膠凝砂礫石料單軸壓縮蠕變數值模擬

根據得到的材料參數,以摻量100 kg/m3的膠凝砂礫石料為例,對直徑為0.2 m、高為0.6 m的圓柱體試件進行單軸壓縮蠕變數值模擬。ANSYS建立的數值模型如圖3所示,數值模型邊界條件與試驗邊界條件一致。

圖3 數值模型

數值模型計算的總變形取其頂端中心部位節點的豎向位移,進而計算蠕變值。蠕變曲線對比如圖4所示,由圖4可知數值模擬、理論計算、試驗曲線吻合度較高。

圖4 試驗曲線與理論計算、數值模擬曲線對比

4 膠凝砂礫石壩長期變形特性預測分析

在驗證模型及模型參數正確的基礎上,應用上述成果對某膠凝砂礫石壩的長期變形進行了計算分析。

4.1 計算模型及材料參數

模型壩高為50 m,壩頂寬為10 m,壩體斷面為上、下游對稱的梯形斷面,壩坡均為1∶0.6,筑壩材料采用膠凝摻量為100 kg/m3的膠凝砂礫石料,水位為50 m。模型坐標以順河向下游為X軸正方向,以豎直向上為Y軸正方向。為簡化計算結構,將水壓力直接作用于上游壩面,這里只研究膠凝壩蓄水期的長期變形。壩底設置固定端約束,具體材料參數見表5。

表5 模型材料參數

4.2 計算結果與分析

受水荷載和自重荷載作用時壩體大主應力及小主應力分布如圖5所示（圖中正值代表拉應力,負值代表壓應力)。

圖5 膠凝砂礫石壩蓄水后的壩體應力（單位：MPa)

由圖5可知,膠凝壩蓄水后未出現拉應力區,最大壓應力僅為0.906 MPa（出現在壩底中部附近)。對于摻量為100 kg/m3的膠凝料,此種荷載屬于低應力范疇,滿足前文所建宏觀蠕變模型的應用條件（研究膠凝砂礫石壩的長期變形時不考慮溫度、水位變化等因素的影響)。

膠凝砂礫石壩蓄水300 d后X、Y向位移等值線圖如圖6所示。由圖6可知,蓄水300 d后壩體最大水平位移為2.130 mm,最大豎向位移為4.421 mm。李偉光［16］研究發現,在相同條件下碾壓混凝土的徐變小于普通混凝土的徐變。膠凝壩與碾壓混凝土壩類似,因此可以將數值模擬的長期變形與普通混凝土大壩的長期變形進行比較。李鎮惠等 分析了三峽大壩順河向水平位移等資料,發現從年變幅分量來看,三峽大壩17＃壩段的時效位移累計增量為1.95 mm。包騰飛等［20］獲得新安江13＃和23＃壩段壩頂水平位移時效分量一級監控指標分別為2.128 mm和3.056 mm。參考上述研究成果可以認為,本文提出的蠕變模型可以用于預測膠凝砂礫石壩的長期變形。

圖6 膠凝砂礫石壩蓄水300 d后X、Y向位移（單位：mm)

5 結 論

（1)本文基于細觀均勻化方法得到膠凝砂礫石料三維宏觀蠕變本構模型,并研究了不同摻量下膠凝砂礫石料的單軸蠕變發展規律,根據試驗數據反演得到了本構模型的相關參數。蠕變試驗結果表明：在試驗荷載與材料破壞荷載比值相同的情況下,不同摻量膠凝砂礫石料的蠕變發展規律相同,膠凝砂礫石料的蠕變隨膠凝材料摻量的增大而增大。

（2)通過理論與試驗結果的對比表明,本文提出的蠕變本構模型是合理的,能應用于實際工程的長期變形預測；通過參數轉換將蠕變本構模型植入ANSYS軟件平臺,減少了編程工作量,提高了計算效率。