淮河河道護(hù)坡多尺寸混凝土破壞試驗(yàn)研究

尹永寶

（潘集淮河河道管理局，安徽 淮南 232000）

混凝土材料在水利工程中應(yīng)用面較廣，為水工建筑防滲、加固、襯砌支護(hù)等提供重要基礎(chǔ)原材料，研究其力學(xué)穩(wěn)定性對提升水利設(shè)計(jì)水平具有重要意義[1-3]。離散元是研究混凝土、土體等材料力學(xué)特性的重要計(jì)算方法，何軍等[4]、朱小磊等[5]、劉璇等[6]開發(fā)或利用顆粒流等仿真計(jì)算平臺(tái)，探討單軸、三軸等模擬工況中混凝土力學(xué)特征變化規(guī)律，為實(shí)際工程應(yīng)用相關(guān)成果提供參考。由于離散元仿真計(jì)算過于理想化，一些學(xué)者開始探討進(jìn)行全周期、全維度監(jiān)控與監(jiān)測研究，從工程現(xiàn)場混凝土施工溫控、裂紋擴(kuò)展等方面入手，探討混凝土在工程設(shè)計(jì)、施工中性能變化[7-9]。室內(nèi)試驗(yàn)手段在巖土體材料力學(xué)、滲透特性研究中有較廣泛應(yīng)用，任恒誼[10]、姜男[11]、白衛(wèi)峰等[12]利用巖土體等精密室內(nèi)儀器，制作混凝土試樣，進(jìn)行相關(guān)室內(nèi)力學(xué)破壞試驗(yàn)，獲取混凝土力學(xué)特性變化過程，探討混凝土的圍壓效應(yīng)、尺寸效應(yīng)、配合比參數(shù)優(yōu)化效應(yīng)等，為工程設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確、優(yōu)化的力學(xué)穩(wěn)定性方案。本文結(jié)合淮河中游堤壩防滲加固工程中防滲混凝土的應(yīng)用，設(shè)計(jì)開展尺寸效應(yīng)、外加纖維含量等參數(shù)影響下的力學(xué)特性研究，為堤壩工程設(shè)計(jì)應(yīng)用防滲混凝土材料提供基礎(chǔ)成果。

1 試驗(yàn)概況

1.1 防滲混凝土應(yīng)用背景

淮河中游地區(qū)考慮對已有河道堤壩進(jìn)行維修改造加固，提升防洪能力。根據(jù)已有堤壩調(diào)查得知，堤防按照100 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，堤頂高度為26.8 m，堤頂建設(shè)有寬度5.0 m的硬化公路，堤壩全長34 km，沿南、北兩側(cè)延伸?；春又杏窝芯慷蔚虊文蟼?cè)干堤迎水、背水側(cè)坡度分別為1/2.5、1/3.5，北側(cè)干堤坡度分別為1/2、1/3，兩側(cè)干堤共有8座中小型水閘作為水資源調(diào)度控制樞紐，最大水閘設(shè)計(jì)泄流量832 m3/s，監(jiān)測表明河道最大流量2 080 m3/s。水閘閘室與弧門均為最新除險(xiǎn)加固后設(shè)施，靜、動(dòng)力穩(wěn)定性均較佳，閘基礎(chǔ)采用混凝土灌注樁，包括閘墩、閘門加固梁等結(jié)構(gòu)在內(nèi)均采用防滲混凝土材料，確保閘室運(yùn)行過程中滲流場穩(wěn)定。在已有河道堤壩工程基礎(chǔ)上，工程設(shè)計(jì)部門考慮從兩方面入手改善堤壩：第一，對已有堤頂進(jìn)行二次加高，設(shè)計(jì)加高后堤頂高度為27.8 m；第二，對河道防洪堤壩壩身進(jìn)行加固防護(hù)，確保壩體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，壩身內(nèi)滲透坡降不超過0.2。目前，監(jiān)測壩身最大滲透坡降在較大洪水位下會(huì)達(dá)到0.35，而正常水位下堤壩滲透坡降穩(wěn)定在0.28~0.3。為此，設(shè)計(jì)部門考慮二次加高分層堆筑，并結(jié)合防滲混凝土灌漿加固，另在壩身布設(shè)防滲混凝土材料，降低壩身整體滲流活躍性。目前壩身已設(shè)置有預(yù)制混凝土砌塊網(wǎng)格，防滲混凝土的施工需結(jié)合不同尺寸類型網(wǎng)格布設(shè)。為此，針對解決不同尺寸網(wǎng)格混凝土施工后力學(xué)穩(wěn)定性差異，設(shè)計(jì)開展相應(yīng)的多尺寸防滲混凝土三軸試驗(yàn)研究，并結(jié)合防滲混凝土內(nèi)肪滲纖維含量影響性開展試驗(yàn)探討。

1.2 試驗(yàn)介紹

本次三軸試驗(yàn)采用GCTS 混凝土綜合試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行，該平臺(tái)包括加載平臺(tái)、數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1 所示。綜合試驗(yàn)平臺(tái)最大圍壓100 MPa，最大荷載800 kN 且荷載誤差不超過1‰，荷載振動(dòng)頻率5 HZ，加載方式均為液壓控制，加載系統(tǒng)主要位于三軸缸內(nèi)。試驗(yàn)平臺(tái)可完成多類型尺寸試樣試驗(yàn)，直徑在300 mm以內(nèi)，高度在600 mm以內(nèi)。數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)包括外連聲發(fā)射與攝像頭等設(shè)備，可實(shí)時(shí)獲得試樣微觀裂紋擴(kuò)展、延伸等細(xì)觀特征，為揭示宏觀力學(xué)特征規(guī)律提供重要手段。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可間隔0.1~10 s 采集力學(xué)特征數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)處理呈現(xiàn)獲得應(yīng)力應(yīng)變、應(yīng)力環(huán)向應(yīng)變等特征，軸向變形傳感器監(jiān)測量程為-20~20 mm，環(huán)向變形監(jiān)測量程為-15~15 mm，另配備有與試樣同步的LVDT變形監(jiān)測設(shè)備，最大誤差不超過0.2%，數(shù)據(jù)采集示意如圖2所示。

圖1 GCTS混凝土綜合試驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 數(shù)據(jù)采集示意

為確保試驗(yàn)結(jié)果，對淮河河道堤壩防滲混凝土材料應(yīng)用設(shè)計(jì)肪滲纖維含量、尺寸參數(shù)差異2 種試驗(yàn)方案。所有試樣直徑均為50 mm，尺寸參數(shù)差異主要體現(xiàn)在高度的改變，設(shè)定高度分別為100、150、200、250和300 mm。另肪滲纖維含量與混凝土防滲性能有關(guān)，防滲混凝土抗?jié)B性很大程度上取決于肪滲纖維，其含量差異對防滲混凝土力學(xué)穩(wěn)定性有較大影響。因其含量限制在12%以內(nèi)，本試驗(yàn)中設(shè)定肪滲纖維含量分別為2%、4%、6%、8%、10%，圍壓分別設(shè)定為10、20 MPa，各試驗(yàn)組中僅改變單一變量參數(shù)，研究另一參數(shù)對力學(xué)特征影響規(guī)律，各試驗(yàn)組具體參數(shù)方案詳見表1。

表1 各組試樣試驗(yàn)參數(shù)

三軸試驗(yàn)方案按照如下步驟進(jìn)行：①按照目標(biāo)肪滲纖維含量、高度及配合比參數(shù)制作混凝土試樣，經(jīng)打磨加工、滿足室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)要求后，放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h；②從養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)拿出試樣，量取相關(guān)物理參數(shù)后，采用防油膜包裹，放置加載平臺(tái)上，安裝變形、力學(xué)監(jiān)測等傳感器，完成試驗(yàn)準(zhǔn)備工作；③先開始圍壓加載至目標(biāo)值，再采用恒定LVDT 變形控制加載速率，待試樣失穩(wěn)破壞后，停止試驗(yàn)，更換其他組試樣重復(fù)試驗(yàn)。

2 肪滲纖維含量對混凝土力學(xué)影響

2.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

通過三軸力學(xué)試驗(yàn)獲得肪滲纖維含量影響下混凝土力學(xué)特征，并進(jìn)行處理獲得典型肪滲纖維含量影響下混凝土多向應(yīng)變與應(yīng)力關(guān)系特征曲線，如圖3 所示。依據(jù)力學(xué)特征關(guān)系可知，在標(biāo)準(zhǔn)尺寸高度100 mm 試樣下，肪滲纖維含量愈高，混凝土加載應(yīng)力水平愈低，圍壓10 MPa 下相同軸向應(yīng)變0.2%時(shí)肪滲纖維含量2%試樣的加載應(yīng)力為115.5 MPa，而纖維含量為6%、8%試樣加載應(yīng)力相比前者分別下降了14%、42.3%，表明肪滲纖維成分存在對防滲混凝土承載能力有抑制作用。分析認(rèn)為，當(dāng)混凝土內(nèi)部含有肪滲纖維后，致密的肪滲纖維可作為一種防水塑膠薄膜，降低水流滲入混凝土作用，且愈多含量的肪滲纖維愈可限制水頭壓力入滲等級(jí)。但不可忽視的是，肪滲纖維進(jìn)入混凝土內(nèi)部后，其晶體結(jié)構(gòu)相比混凝土主骨架乃是較弱的承載面，在較大三軸軸向應(yīng)力下，薄弱面出現(xiàn)開裂破壞，進(jìn)而導(dǎo)致整體失穩(wěn)破壞，表現(xiàn)為加載應(yīng)力水平較低[13，14]。圍壓增大至20 MPa 后，試樣整體應(yīng)力應(yīng)變曲線在峰值應(yīng)力后期出現(xiàn)緩降或穩(wěn)定不降現(xiàn)象，這主要受高圍壓強(qiáng)束縛力作用影響。為確?；炷亮鸭y發(fā)展處于可控狀態(tài)，不致于混凝土迅速失穩(wěn)、加載應(yīng)力跌落，圍壓20 MPa下各試樣峰值應(yīng)力后期應(yīng)力下跌幅度不超過2%，而在圍壓10 MPa下僅肪滲纖維含量2%試樣就下降了42.5%，這是兩圍壓下應(yīng)力變化典型差異。

圖3 肪滲纖維含量影響下混凝土軸向應(yīng)變-應(yīng)力-環(huán)向應(yīng)變關(guān)系

從變形特征來看，在相同圍壓下，低肪滲纖維含量試樣的線彈性模量更大。圍壓10 MPa 下纖維含量為2%試樣線彈性模量為445.35 MPa，而纖維含量為6%、8%試樣的線彈性模量相比前者分別降低了11.8%、35.8%。圍壓10 MPa 下，纖維含量增大2%，線彈性模量平均下降15.9%。同樣，在圍壓20 MPa下線彈性模量與纖維含量關(guān)系特征基本類似，整體上圍壓20 MPa 下線彈性模量要高于10 MPa 圍壓，在相同纖維含量6%試樣中兩者相差6.3%，而圍壓20 MPa 下纖維含量增大2%，線彈性模量平均下降29.3%。對比各纖維含量試樣峰值軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變可知，在同一圍壓下基本一致，圍壓10、20 MPa下峰值軸向應(yīng)變分別為0.58%、0.6%，對應(yīng)的環(huán)向應(yīng)變分別為0.3%、0.4%（負(fù)方向），表明肪滲纖維成分存在不影響混凝土峰值變形參數(shù)，僅改變混凝土線彈性變形階段模量參數(shù)。

2.2 強(qiáng)度特征

根據(jù)力學(xué)特征數(shù)據(jù)處理后可獲得三軸抗壓強(qiáng)度與肪滲纖維含量關(guān)系，如圖4 所示。從圖4 可知，肪滲纖維含量與混凝土強(qiáng)度為負(fù)相關(guān)，且兩者具有二次函數(shù)關(guān)系。圍壓10 MPa 下纖維含量為2%時(shí)，三軸抗壓強(qiáng)度為156.88 MPa，而纖維含量為4%、8%、10%的試樣強(qiáng)度相比前者分別降低了4.1%、14.3%、30.4%，強(qiáng)度降幅為遞增態(tài)勢。在纖維含量2%~6%時(shí)，纖維含量差異2%，強(qiáng)度平均損失3.3%；而在纖維含量6%~10%時(shí)，強(qiáng)度損失幅度達(dá)13.8%，即纖維含量應(yīng)控制在合理區(qū)間，在確保防滲等級(jí)基礎(chǔ)上，不損失混凝土承載性能。圍壓20 MPa 下強(qiáng)度與纖維含量關(guān)系基本與低圍壓下類似，且亦是在纖維含量6%后強(qiáng)度出現(xiàn)較大幅度下降，在纖維含量6%前、后區(qū)間內(nèi)，強(qiáng)度平均降低6.2%、16.8%。綜合分析認(rèn)為，為確保河道堤壩防滲性與加高后穩(wěn)定性，以纖維含量6%作為目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)更佳。

圖4 三軸抗壓強(qiáng)度與肪滲纖維含量關(guān)系

3 尺寸效應(yīng)對混凝土力學(xué)影響

3.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

根據(jù)不同試樣高度尺寸參數(shù)差異下混凝土試驗(yàn)，獲得尺寸效應(yīng)影響下混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖5 所示。根據(jù)圖5 應(yīng)力特征可知，在相同圍壓下，試樣高度愈大，則混凝土加載應(yīng)力愈小，圍壓10 MPa時(shí)，高度100 mm 試樣在應(yīng)變1%時(shí)加載應(yīng)力為114.5 MPa，而高度150、250 mm 試樣相同應(yīng)變下加載應(yīng)變較前者分別下降了7.1%、15.5%，即試樣高度愈大，愈限制混凝土承載應(yīng)力水平。筆者認(rèn)為，尺寸效應(yīng)與混凝土顆粒礦物以及承載截面積有關(guān)，試樣高度增大，試樣裂紋擴(kuò)展延伸在較大高度上進(jìn)展較快，對試樣承載應(yīng)力是一種削弱，高度愈大，對試樣裂紋的抑制以及微裂紋破裂的產(chǎn)生均無顯著作用，因而呈現(xiàn)混凝土尺寸效應(yīng)。圍壓20 MPa 后，混凝土仍具有顯著尺寸效應(yīng)，但在相同應(yīng)變1%下高度150、250 mm 試樣相同應(yīng)變下加載應(yīng)變較高度100 mm 試樣分別下降了9.3%、20.4%，表明圍壓增大后尺寸效應(yīng)更為顯著。為確保堤壩加固防滲后穩(wěn)定性，應(yīng)根據(jù)合適尺寸適配相應(yīng)的混凝土，盡可能選擇高度低的混凝土，以減少尺寸效應(yīng)引起的承載性能削弱現(xiàn)象。

圖5 尺寸效應(yīng)影響下混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

盡管混凝土尺寸效應(yīng)影響了加載應(yīng)力，但相同圍壓下，各試樣高度下混凝土線彈性模量基本相近，圍壓10 MPa下防滲混凝土線彈性模量穩(wěn)定在243.5 MPa，圍壓20 MPa 下混凝土線彈性模量增大了63.7%，達(dá)398.7 MPa；不同高度試樣僅在接近峰值應(yīng)力時(shí)，才具有顯著變形特征差異性，且各試樣峰值應(yīng)變基本保持一致，圍壓10、20 MPa 下分別為1.2%、1.1%，表明尺寸效應(yīng)在混凝土線彈性變形階段影響較弱，主要影響體現(xiàn)在屈服變形階段。

3.2 強(qiáng)度特征

同理，對尺寸效應(yīng)中混凝土力學(xué)數(shù)據(jù)處理，獲得尺寸效應(yīng)影響下混凝土三軸抗壓強(qiáng)度變化特征，如圖6所示。從圖6可知，混凝土強(qiáng)度隨試樣高度增加呈遞減關(guān)系，且在各高度方案間降幅基本穩(wěn)定，圍壓10 MPa 下高度150、250、300 mm 試樣強(qiáng)度相比高度100 mm 下降了0.1%、16.5%、26%，各高度方案間強(qiáng)度降幅平均為7.2%。當(dāng)圍壓增大至20 MPa 后，相同高度下試樣強(qiáng)度有所增長，高度150 mm試樣圍壓20 MPa 下強(qiáng)度比圍壓10 MPa 下增大了22.3%，各方案中圍壓效應(yīng)促進(jìn)強(qiáng)度增長幅度約為19.5%~25.8%。圍壓20 MPa下尺寸效應(yīng)引起的強(qiáng)度平均降幅為10.3%，表明圍壓增大后，尺寸效應(yīng)引起的強(qiáng)度損耗更為顯著，故圍壓效應(yīng)有促進(jìn)尺寸效應(yīng)發(fā)展的作用[15，16]。從工程設(shè)計(jì)應(yīng)用角度考慮，在高圍壓工程環(huán)境下，應(yīng)著重控制試樣尺寸差異，減少不同試樣高度聯(lián)合承載，確保試樣高度整體一致，降低混凝土承載能力受尺寸效應(yīng)影響。

圖6 三軸抗壓強(qiáng)度與尺寸效應(yīng)關(guān)系

4 結(jié)論

（1）肪滲纖維含量愈高，混凝土強(qiáng)度愈低，兩者具有二次函數(shù)關(guān)系，且降幅遞增，圍壓10 MPa 下纖維含量2%~6% 與6%~10% 相比強(qiáng)度平均損耗3.3%、13.8%；肪滲纖維不影響混凝土峰值變形參數(shù)，但可抑制線彈性模量參數(shù)，圍壓20 MPa 下纖維含量增大2%，線彈性模量降幅為29.3%。

（2）混凝土強(qiáng)度隨高度增大為遞減關(guān)系，高度增長50 mm 下強(qiáng)度降幅較為穩(wěn)定，圍壓10 MPa 下平均為7.2%，圍壓20、10 MPa 下各高度試樣強(qiáng)度差距為19.5%~25.8%，圍壓有促進(jìn)尺寸效應(yīng)發(fā)展作用；尺寸效應(yīng)對混凝土線彈性變形階段影響較弱，線彈性模量保持一致，主要影響在屈服塑性變形階段。

（3）綜合認(rèn)為肪滲纖維含量為6%，選擇尺寸差異較小的混凝土進(jìn)行承載適配，工程防滲性、承載能力均為最佳。