碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度試驗及橢圓簡化模型的可靠性研究

曲 濤

（遼寧省河庫管理服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110002）

誘導(dǎo)縫是碾壓混凝土拱壩建設(shè)中在縫斷面埋設(shè)的中間存在一定縫隙的雙層混凝土板或金屬板[1]。誘導(dǎo)縫的主要作用是拱壩的縫斷面受到拉應(yīng)力作用時可以率先開裂，從而使拉應(yīng)力獲得釋放，保證周圍混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫破壞，以保證大壩混凝土結(jié)構(gòu)在溫度荷載作用下的安全穩(wěn)定[2]。誘導(dǎo)縫雖然具有抗拉能力，但是這種抗拉能力已經(jīng)被人為削弱[3]。因此，誘導(dǎo)縫能否達(dá)到控制壩體無序裂縫的實際效果，不僅取決于壩體在溫度荷載下的應(yīng)力狀態(tài)，還取決于誘導(dǎo)縫被人為削弱后剩余的抗拉強(qiáng)度（等效強(qiáng)度）[4]。在這方面，清華大學(xué)的曾昭揚(yáng)教授最早提出碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度概念，并進(jìn)行了相關(guān)領(lǐng)域的深入研究，認(rèn)為誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度是研究和判斷誘導(dǎo)縫開裂特征的重要參數(shù)[5]。此外，國內(nèi)外眾多學(xué)者在進(jìn)行誘導(dǎo)縫等效效度計算過程中，均將矩形誘導(dǎo)縫簡化為橢圓形誘導(dǎo)縫，并據(jù)此進(jìn)行了等效強(qiáng)度的計算公式[6]。因此，相關(guān)學(xué)者在研究溫度荷載作用下大壩誘導(dǎo)縫數(shù)值模擬計算中，一般也是用橢圓形誘導(dǎo)縫代替矩形誘導(dǎo)縫，以降低計算難度[7]。顯然，對誘導(dǎo)縫橢圓簡化計算模型的可靠性進(jìn)行研究具有重要的理論和工程實踐價值。基于此，此次研究通過試件模擬試驗的方式，對碾壓混凝土拱壩矩形和橢圓誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度的特征和變化進(jìn)行試驗研究，并進(jìn)一步驗證橢圓簡化模型的可靠性。

1 試驗方案和試件制作

1.1 試驗方案設(shè)計

結(jié)合相關(guān)學(xué)者的研究成果，設(shè)計如表1 所示的碾壓混凝土拱壩非穿透性誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度試驗方案[8]。其中，軸拉試驗考慮矩形和橢圓兩種誘導(dǎo)縫形式，40 mm×90 mm、55 mm×100 mm、70 mm×110 mm 等3 種不同尺寸以及7 d、14 d、28 d、60 d 和90 d 等5 種不同的齡期。為了保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，每種試驗方案制作3 個試件，規(guī)格均為150 mm×150 mm×550 mm，并將其試驗結(jié)果均值作為該方案的最終數(shù)據(jù)。誘導(dǎo)縫消弱度ω 定義為誘導(dǎo)縫面積與試件截面面積的比值，為了對兩種不同形式的誘導(dǎo)縫的效果進(jìn)行對比，試驗中橢圓形誘導(dǎo)縫的長軸和短軸的長度等于矩形誘導(dǎo)縫的長和寬[9]。

表1 試驗方案設(shè)計表

1.2 試件的制作和養(yǎng)護(hù)

試件的制作原料需要滿足碾壓混凝土重力壩的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，其中，試件制作用水采用普通自來水；水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥；沙子采用級配良好、質(zhì)地堅硬的天然中沙；碎石采用的是最大粒徑為40 mm 的普通砂礫石材料，粉煤灰采用的是符合國家II 級標(biāo)準(zhǔn)的超細(xì)粉煤灰；減水劑為聚羧酸低引氣高效減水劑。試驗用誘導(dǎo)片為厚度2 mm 的金屬板，在埋片時涂抹一定量的礦物油，防止誘導(dǎo)片與周圍的混凝土發(fā)生粘連[10]。

按照碾壓混凝土重力壩施工規(guī)范要求進(jìn)行混凝土拌合，在澆筑過程中每層混凝土利用平板振動器和搗振棒搗振，以模擬碾壓效果。試件成型后在室溫20℃、濕度50%的條件下保存48 h后拆模，然后在適度不小于90%的條件下養(yǎng)護(hù)至試驗齡期。

1.3 試驗裝置和測量

試驗采用杭州萬高科技有限公司出品的WAW-3000C 型萬能試驗機(jī)，進(jìn)行軸拉試驗和數(shù)據(jù)采集。在試驗機(jī)上安裝試件，根據(jù)試驗要求設(shè)置好控制模式和試驗速度，試驗中單步控制加載速度為0.4 MPa/min，保持勻速加載，直到試件中的誘導(dǎo)縫發(fā)生斷裂破壞。數(shù)據(jù)采集項目包括：試件所承受的最大荷載；誘導(dǎo)縫尖端張開口的位移量。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 矩形誘導(dǎo)縫試驗結(jié)果分析

矩形誘導(dǎo)縫試件在不同齡期和消弱度與試件等效強(qiáng)度之間變化曲線見圖1、圖2。由圖可知，在相同混凝土齡期條件下，矩形誘導(dǎo)縫的等效強(qiáng)度與誘導(dǎo)縫消弱強(qiáng)度之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，也就是消弱度越大，試件的等效強(qiáng)度就越小。在誘導(dǎo)縫的消弱度相同條件下，矩形誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度和混凝土齡期之間呈現(xiàn)出復(fù)合指數(shù)相關(guān)關(guān)系。具體而言，誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度早期發(fā)展比較迅速，在28 d 齡期時即可達(dá)到90 d 等效強(qiáng)度的85%左右。由此可見，誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度的增長規(guī)律和碾壓混凝土強(qiáng)度的增長規(guī)律基本一致。

圖1 矩形誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度與消弱度擬合曲線

圖2 矩形誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度與齡期擬合曲線

2.2 橢圓誘導(dǎo)縫試驗結(jié)果分析

橢圓誘導(dǎo)縫試件在不同齡期和消弱度與試件等效強(qiáng)度之間變化曲線見圖3、圖4。由圖可知，橢圓誘導(dǎo)縫試件的試驗結(jié)果與矩形誘導(dǎo)縫的試驗結(jié)果類似：在相同混凝土齡期條件下，橢圓誘導(dǎo)縫的等效強(qiáng)度與誘導(dǎo)縫消弱度之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，也就是消弱度越大，試件的等效強(qiáng)度就越小。在誘導(dǎo)縫的消弱度相同條件下，橢圓誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度和混凝土齡期之間呈現(xiàn)出復(fù)合指數(shù)相關(guān)關(guān)系。具體而言，橢圓誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度早期發(fā)展比較迅速，而后期強(qiáng)度發(fā)展比較緩慢。由此可見，橢圓誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度的增長規(guī)律和碾壓混凝土強(qiáng)度的增長規(guī)律基本一致。

圖3 橢圓誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度與消弱度擬合曲線

圖4 橢圓誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度與齡期擬合曲線

2.3 橢圓簡化模型的可靠性驗證

在碾壓混凝土拱壩的誘導(dǎo)縫研究和數(shù)值模擬分析過程中，我國的眾多學(xué)者提出了眾多等效強(qiáng)度計算模型，這些模型一般都是將矩形誘導(dǎo)縫進(jìn)行橢圓簡化。但是，在實際的工程設(shè)計過程中，一般是按照矩形形狀設(shè)置按照一定規(guī)律排列的雙向間隔誘導(dǎo)縫。因此，本次研究中，基于非穿透型碾壓混凝土誘導(dǎo)縫的等效強(qiáng)度軸拉試驗結(jié)果對上述簡化計算方式是否可靠進(jìn)行驗證。根據(jù)試驗過程中獲得的矩形誘導(dǎo)縫和橢圓誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度試驗結(jié)果，橢圓簡化模型等效強(qiáng)度誤差計算結(jié)果見表2。

表2 兩種誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度誤差計算結(jié)果

由表2 可知，在相同的誘導(dǎo)片尺寸、混凝土齡期以及試驗條件均相同的前提條件下，橢圓形誘導(dǎo)縫和矩形誘導(dǎo)縫的等效強(qiáng)度試驗結(jié)果誤差均在8%以內(nèi)，同時，隨著誘導(dǎo)片尺寸的增加，誤差呈現(xiàn)出明顯減小的趨勢。由于本次試驗所使用的試件的尺寸大小基本一致，且采用的原料相同，因此誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度誤差分析結(jié)果具有較高的可靠性。基于此，認(rèn)為橢圓簡化模型可以直接用于碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫數(shù)值模擬分析研究，基本不需要進(jìn)行修正。

3 結(jié)論

通過試件模擬試驗，對碾壓混凝土拱壩中非穿透型矩形誘導(dǎo)縫、橢圓形誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度，分別與混凝土齡期、消弱度之間關(guān)系展開研究，得到以下結(jié)論：

（1）無論是矩形誘導(dǎo)縫還是橢圓誘導(dǎo)縫，其等效強(qiáng)度與誘導(dǎo)縫消弱度之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，也就是消弱度越大，試件的等效強(qiáng)度就越小；在誘導(dǎo)縫的消弱度相同條件下，誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度和混凝土齡期之間呈現(xiàn)出復(fù)合指數(shù)相關(guān)關(guān)系，誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度早期發(fā)展比較迅速，其增長規(guī)律和碾壓混凝土強(qiáng)度的增長規(guī)律基本一致。

（2）根據(jù)橢圓簡化模型等效強(qiáng)度誤差計算結(jié)果，橢圓形誘導(dǎo)縫和矩形誘導(dǎo)縫的等效強(qiáng)度試驗結(jié)果誤差均在8%以內(nèi)，同時，隨著誘導(dǎo)片尺寸的增加，誤差呈現(xiàn)出明顯減小的趨勢，認(rèn)為橢圓簡化模型可以直接用于碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫數(shù)值模擬分析研究，基本不需要進(jìn)行修正。