高填充自密實混凝土砌石壩超聲回彈試驗研究

劉 辛，李友彬，劉 磊，廖仕信，劉 濤

(1.貴州新中水工程有限公司，貴州 貴陽 550005；2.貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

高填充自密實混凝土砌石壩筑壩新技術廣泛應用于水利水電工程等行業，具有環境友好、節能環保、工藝簡單、經濟性好等優點。超聲回彈綜合法是利用超聲儀和回彈儀，檢測混凝土的聲速值和回彈值推定混凝土強度和勻質性，該方法具有不破壞結構，不影響使用性能等特點。

本文對高填充自密實混凝土砌石壩試驗倉及對切割加工高填充自密實混凝土砌石壩大試件進行超聲回彈試驗，分析大粒徑砌石和自密實混凝土組成形式、大試件各相所占比例及大試件尺寸效應等對高填充自密實混凝土砌石壩受力及均勻性、密實度的影響。

1 理論基礎

高填充自密實混凝土砌石壩是一種典型的復合材料，理論上具備2個特征：

(1)受力時主要由高彈性、高模量的組分大粒徑砌石承受荷載。低彈性、低模量組分高填充自密實混凝土主要傳遞荷載。

(2)大粒徑砌石與高填充自密實混凝土組合應有足夠的結合強度，保證高填充自密實混凝土所承受的荷載能傳遞給大粒徑砌石，理論上要求能降低脆性破壞的概率。

聲波速度是巖體及其大體積混凝土物理力學性質的重要指標。高填充自密實混凝土砌石壩聲波速度不僅取決于堆石與自密實混凝土本身的強度，而且還與堆石和自密實混凝土的粘接程度，高填充自密實混凝土砌石壩內部密實度，有無孔洞等有著密切的關系。因此，采用超聲波和回彈法檢測高填充自密實混凝土砌石壩，可以很好地反應均勻性、密實度和強度等評價指標。

2 試驗概況

本試驗研究高填充自密實混凝土為C9015W6F50，其中大粒徑砌石體積比例51%，高填充自密實混凝土填充體積比例49%。

3 試驗數據分析

3.1 超聲回彈試驗

本研究開展現場試驗倉及大試件室內綜合法試驗，相關數據如圖1—3所示，見表1—3。

圖1 超聲回彈綜合法檢測高填充自密實混凝土砌石壩試驗倉

圖2 大試件超聲試驗統計

圖3 大試件回彈試驗統計

表1 超聲回彈值和切割大試件強度值對應關系

(續表)

表2 超聲回彈綜合法檢測試驗數值

表3 試驗數值分布

3.2 試驗現象及數據分析

在超聲回彈綜合法試驗中，由于大粒徑砌石體積比例一般大于50%，切割大試件每個面基本都有大粒徑砌石斷面并占比較大面積。對試驗倉及大試件按規程要求從選定的測區進行回彈試驗時，不可避免回彈在大粒徑砌石表面，采集的較大的數值實際是大粒徑砌石的硬度，導致回彈值數理統計偏高造成數據失真。

在聲波試驗時，選擇良好耦合劑，采用對測法進行聲波檢測，容易找到首波并采集完整的波形。數據顯示大部分波形聲學參數無異常，每個完整波形由多個不同波幅的短波形組成，分析波幅大者是大粒徑砌石，波幅小者是高填充自密實混凝土，短波形間平滑連接基本上沒有異常值存在，說明大粒徑砌石和高填充自密實混凝土填充密實。也存在少部分波形存在聲學參數輕微異常、波形輕微畸變，說明高填充自密實混凝土砌石壩內部隨機分布空隙和裂紋、存在氣泡和隱縫，斷面可見大粒徑砌石和高填充自密實混凝土局部填充不密實、包裹不緊密。通過切割及可視化分析，高填充自密實混凝土砌石壩內部確實存在較小缺陷，局部大粒徑砌石搭接處有空洞，大粒徑砌石和大粒徑砌石的顆粒間接觸面積較大處高填充自密實混凝土填充效果較差，沒有完全充填密實。通過重點對異常局部核查和分析力學試驗數值高于平均值，不影響高填充自密實混凝土砌石壩整體密實度和力學性能。

本文分析，高填充自密實混凝土砌石壩回彈推定值平均值為23.0MPa，波速推定值平均值為3500m/s，聲波法檢測基本能判定高填充自密實混凝土砌石壩的勻質性和密實度，高填充自密實混凝土砌石壩結構上理解為骨架密實型復合材料符合其特征。

3.3 推導高填充自密實混凝土砌石壩超聲回彈綜合法測強曲線

本研究運用全國統一測強曲線相關公式推導高填充自密實混凝土砌石壩測強曲線，滿足多元非線性冪函數方程，見公式(1)：

(1)

通過OriginPro和Excel軟件程序計算得表4：

表4 測強曲線回歸方程系數

則綜合法測強曲線回歸方程為公式(2)：

(2)

4 探討

在本研究中，聲波速度是巖體及其大體積混凝土物理力學性質的重要指標。聲波速度不僅取決于大粒徑塊石體與混凝土本身的強度，還與混凝土和大粒徑塊石料的粘接程度，高填充自密實混凝土砌石壩內部密實度，有無孔洞等有著密切的關系。因此，利用超聲波檢測高填充自密實混凝土砌石壩，可以很好的反應出高填充自密實混凝土砌石壩的強度與密實度指標。因此，高填充自密實混凝土砌石壩的試驗數據中波速分布較均勻，波速穩定，無明顯跳躍，無大范圍波動，說明高填充自密實混凝土砌石壩填充密實，均質性較好，推定強度穩定。

本研究從工程角度出發立足于解決應用的問題。首先高填充自密實混凝土砌石壩是一種中國工程人員自主創造的新型筑壩技術，具備很多優點，工程應用廣泛，但區別于常規混凝土壩；其次，由于大粒徑砌石粒徑很大，沒有更大的壓力機能對高填充自密實混凝土砌石壩原型試驗倉進行試驗(目前最大為3000噸壓力機，貴州只有1000噸壓力機)，規程采用高填充自密實混凝土強度代表高填充自密實混凝土砌石壩強度需要進一步再驗證，對于高填充自密實混凝土砌石壩物理力學性能的檢測應該不能沿用試件統一為150mm的思路；最后，切割技術是對高填充自密實混凝土砌石壩原型試驗倉的分解，嘗試由大試件強度再反演分析試驗倉的受力性能，采集足夠多切割大試件樣本，強度值將會趨近高填充自密實混凝土砌石壩復合材料最不利強度下限值，找到規律可以更加接近高填充自密實混凝土砌石壩的本質特征。

5 結論

(1)高填充自密實混凝土砌石壩回彈推定值滿足要求，但是數值范圍離散。

(2)高填充自密實混凝土砌石壩大粒徑砌石空隙保證密實，實現填充、包裹、機械咬合和傳遞荷載。波速在1690～5280m/s間分布，數值范圍離散，但3500m/s以上波速所占比例較大。

(3)可以采用聲波法評定高填充自密實混凝土砌石壩的勻質性和密實度。回彈法檢測誤差較大，不宜單獨采用回彈法判定其強度推定值。