水利工程中防滲結構多類型材料單軸試驗研究

王 毅，繆成美，薛亞民，張 誠，陳大雷

（1.淮安市淮河水利建設工程有限公司，江蘇 漣水 223400；2.江蘇淮陰水利建設有限公司，江蘇 淮安 223001；3.江蘇淮源工程建設監理有限公司，江蘇 淮安 223001）

1 引言

水利樞紐工程中，防滲措施重中之重，設計有效防滲措施，將顯著提升水利工程運營安全穩定性[1-3]。利用多類型混合料設計防滲墻結構，增強水利工程主體結構與防滲墻的整體性，但不可忽視，多類混合料的力學特性同樣對水利樞紐工程安全穩定具有重要作用，因而，設計開展混合料的力學特性影響特征分析具有重要作用[4,5]。已有一些學者利用水工模型試驗，研究了防滲墻結構在整體樞紐工程中長期運營穩定性，極大為防滲墻混合料設計使用提供參考[6]。當然，亦有一些學者基于材料力學試驗研究方法，設計了瀝青混凝土、改性膨潤土及其他水工混凝土材料力學特性，為水利工程中防滲結構設計應用提供對比參考[7,8]。本文將以水泥、土體等多類混合料為研究對象，探討其單軸力學特征[9,10]，為水利樞紐工程中防滲結構設計提供試驗依據。

2 試驗概況

2.1 試驗背景及試驗儀器

某水利樞紐工程作為地區內重要蓄水調水設施，包括有泄洪閘以及壩體部分，其中泄洪閘采用平面鋼閘門，以液壓式啟閉機作為調控設施，與下游灌區輸水渠道相通；另目前建設有長度約為400 m的混合壩體，包括150 m長度的土石壩，其他區段內均采用C 25素混凝土一體式澆筑型的重力式大壩，壩趾處鋪設有細粒混凝土砌石地層，厚度30 cm，面板設置有聚氨酯填縫材料。現為增強該樞紐工程壩體防滲穩定性，考慮對壩體增設防滲墻結構，厚度設計為60 cm，水庫管理部門考慮采用水泥-膨潤土為原材料，制作混合料性質的防滲墻結構，而混合料力學特性與防滲墻防滲性能息息相關，故而設計開展材料單軸力學破壞試驗。

本次混合料單軸壓縮破壞試驗采用RC 150混凝土材料試驗機，該實驗系統包括有數據采集系統與加載系統，加載臺上可適應不同尺寸試樣試驗，最大豎向荷載可達1 000 kN，可變換多種控制方式加載，精度誤差最小僅為0.2%；數據采集系統可實時查看數據，采集間隔為0.5 s，力傳感器以及位移傳感器均在實驗前均已標定，位移傳感器最大可達12 mm，圖1為該混凝土材料試驗系統。

圖1 混凝土材料試驗系統

2.2 試驗方案

為研究防滲墻結構中混合料單軸壓縮破壞特性，研究設計不同配合比方案，其中分為水與水泥比（水灰比）、水與膨潤土之比（水土比）兩個影響方案，水灰比參數設定為 6、5、4、3，水土比設定為 7.5、5.5、4.5、3.5，具體配合比及試驗方案如表1所示。按照試驗方案目標配合比，取定量材料加水拌勻后，將膨潤土、水泥、土顆粒振搗接觸，保證所制作出試樣內部晶體結構在加載過程中各向同性；將拌勻后的水泥-膨潤土試樣置入模具中成型，徑高尺寸為100 mm×200 mm，倒入模具后應保證模具端面平整，后放入養護箱內恒溫恒濕環境下養護48 h，后續完成脫模工作。相同配合比試驗分別按照齡期15 d、30 d養護后，才可進行后續單軸試驗，本實驗中參照規范[11]進行單軸試驗研究。

表1 混合料配合比試驗方案

試驗步驟簡介如下：

（1）經養護箱養護目標齡期后的試樣取出，完成試驗前試樣各物理參數測定，安裝試樣至加載臺上，保證端面與加載中心對齊；

（2）試驗系統中力傳感器清零，位移傳感器調整至合適量程，直接在試樣兩端安裝位移傳感器，后以荷載控制以及變形控制方式逐級加載，觀測試樣實時應力應變曲線，直至失穩破壞，停止試驗；

（3）結束數據采集后，卸掉殘余豎向荷載，更換試樣，繼續試驗。

3 混合料單軸破壞力學特征

3.1 水灰比影響特性

圖2 水灰比影響下混合料單軸應力應變曲線（養護齡期15 d）

圖3 水灰比與單軸抗壓強度關系曲線

基于單軸壓縮破壞實驗，獲得不同配合比參數影響下混合料力學特征，限于篇幅，本文以養護齡期15 d試驗結果開展分析，圖2為水灰比影響下混合料單軸應力應變曲線。從圖中可看出，加載過程中加載應力水平與水灰比為負相關關系，相同加載應變下，以低水灰比試樣應力水平較高，在相同水土比7.5、相同加載應變1%時，水灰比為6試樣的應力值為15.8 kPa，而相同情況下，水灰比為5、4、3試樣應力相比前者分別增大了1.2倍、5.1倍、7倍；此種現象在水土比5.5等方案中亦是如此。分析認為，水灰比參數愈小，則混合料中水泥占比含量愈高，即水泥可充分與混合料中顆粒骨架結構膠凝，減少混合料內部所存在孔隙孔間，增強試樣承載穩定性，從而提高混合料單軸加載過程中應力水平。另一方面，水灰比增大，對加載應力水平的抑制影響，實質上亦會弱化混合料單軸抗壓強度，圖3為兩個養護齡期下混合料單軸抗壓強度隨水灰比變化曲線，從圖中可知，養護30 d、水土比7.5時，水灰比為3的試樣單軸抗壓強度為299.6 kPa，而水灰比為4、5、6試樣抗壓強度相比前者分別降低了28.7%、58.4%、61.8 %；另對比在相同養護齡期下，水土比為4.5時，前述水灰比試樣之間降低幅度分別為21.7%、49%、80.6%，即當水土比降低，會提高低水灰比試樣與高水灰比試樣之間強度差異；分析表明，水土比降低，混合料中水含量減少會影響水泥膠凝特性，減弱試樣晶體框架結構間粘結性能，表現在抗壓強度上為降低幅度增大。

從變形特征來看，水灰比愈大，則峰值應力后軟化特性愈弱，低水灰比試樣峰值應力后呈顯著脆性破壞特征，而高水灰比試樣峰值應力后具有硬化特征。從圖2水土比4.5研究方案試驗結果可知，峰值應變最大為水灰比最高的試樣，達2.1%，而水灰比為5、4、3試樣峰值應變分別為1.7%、1.6%、1.5%，且低水灰比試樣峰值前彈性階段持續較長，即高水灰比試樣塑性變形能力得到增強，混合料峰值應變亦是以高水灰比試樣最大。

3.2 水土比影響特性

圖4為水土比影響下混合料單軸壓縮應力應變曲線。從圖中可看出，在同為水灰比5、4、3試驗方案中，加載應力水平均與水土比為負相關關系，相同應變下，以低水土比試樣應力水平較高，當相同水灰比4、加載應變0.7%下，水土比為7.5試樣的加載應力為107.5 kPa，而水土比3.5、4.5、5.5試樣相比前者分別增大了13.6%、11.7%、8.5%。當水土比愈大，則土顆粒含量愈小，即混合料中承載骨架結構愈弱，導致加載過程中應力水平較低；分析認為，土顆粒有助于提升混合料承載能力，在防滲墻結構設計過程中，應添加入適量土體。當同為水灰比6時，加載過程中應力水平最高者為水土比5.5，隨水土比增大，加載應力水平為先增后減變化。圖5為兩種不同養護齡期條件下單軸抗壓強度受水土比影響特性曲線，養護齡期為30 d、水灰比為6時，水土比為5.5的試樣強度為171.9 kPa，而水土比為4.5、7.5試樣的抗壓強度相比前者分別降低了11.8%、32.7%，分析認為，當混合料中水灰比處于較高水平時，而水土比遞增至一定界限時，混合料中已不是傳統的三相材料，而是趨于二相體，進而勢必會改變混合料中成型的骨架顆粒結構，造成試樣單軸抗壓強度降低。從變形特征來看，在水灰比為6的試樣中，應力硬化現象顯著，隨水土比遞減，硬化現象愈顯著；從峰值應變來看，養護30 d下相同水灰比為5的實驗方案中水土比 7.5、5.5、4.5、3.5 對應的應變值分別為 2.1 %、1.65%、2.1%、2.3%，整體上為遞增，但基本相近，即水土比對峰值應變影響較弱，一致性關系并不顯著。

圖4 水土比影響下混合料單軸應力應變曲線（養護齡期30 d）

圖5 水土比與單軸抗壓強度關系曲線

3.3 養護齡期影響特性

基于兩種不同養護齡期下混合料單軸破壞試驗，獲得圖6所示養護齡期影響下的力學特性，另給出圖7所示抗壓強度受養護齡期影響特征。從整體應力水平及抗壓強度表現來看，養護齡期與混合料強度為正相關，當相同水灰比5、水土比5.5時，養護15 d的混合料試樣抗壓強度為144.3 kPa，而相同配合比方案下養護30 d試樣抗壓強度相比前者增大了33.8%；分析認為，混合料中包括有水泥這類膠凝材料，當養護齡期愈長，膠凝材料的水化反應愈充分，試樣顆粒骨架結構愈穩固，因而強度增長顯著。從圖7（b）可看出，相同配合比方案在不同養護齡期條件下，強度變化幅度有較大顯著差異：在試驗方案a組中，以水灰比參數較小的a-3、a-4增大幅度為最大，分別達116.6 kPa、171.7 kPa；而在試驗方案b組中，同樣的b-3、b-4試樣強度增長亦較顯著，分析認為，當水灰比較小時，即混合料中水泥含量較多，可顯著提升養護齡期對試樣單軸抗壓強度的促進效應。當水土比遞減，混合料中土顆粒含量有所增多之時，在達到一定含量時，如d-2試樣的強度增長幅度基本與c-2一致，即土顆粒含量對養護齡期促進強度增長效應具有上限性。

圖6 養護齡期影響下混合料單軸應力應變曲線

圖7 混合料抗壓強度與養護齡期關系

4 結論

為研究某水利樞紐工程中防滲墻結構多類型混合料力學特征，設計開展了不同因素影響特性試驗，得到以下三點結論：

（1）獲得了防滲墻結構混合料單軸應力與水灰比為負相關，水灰比為4、5、6試樣抗壓強度相比水灰比為3試樣分別降低了28.7%、58.4%、61.8%；水土比降低，可提高水灰比對混合料強度的抑制效應；高水灰比混合料塑性變形能力較強，峰值應變最大。

（2）獲得了防滲墻結構混合料單軸應力與水土比為負相關；且當混合料中水灰比為6時，在水土比低于5.5下，抗壓強度為遞增特性，水土比為4.5、7.5試樣的抗壓強度相比水土比為5.5試樣分別降低了11.8%、32.7%；水土比對峰值應變影響較弱。

（3）分析了養護齡期對混合料應力水平影響特性，養護齡期與混合料強度為正相關，相同配合比方案下養護30 d試樣抗壓強度相比養護15 d增大了33.8%；水泥成分可顯著提升養護齡期對混合料抗壓強度的促進效應，而土體含量改觀養護齡期的促進效應具有上限性。