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      裝配式生態(tài)預(yù)制塊力學(xué)特性研究及應(yīng)用

      2023-09-19 19:48:05楚萬(wàn)強(qiáng)李歡張玉昶
      人民黃河 2023年8期
      關(guān)鍵詞:力學(xué)特性

      楚萬(wàn)強(qiáng) 李歡 張玉昶

      關(guān)鍵詞:裝配式生態(tài)預(yù)制塊;庫(kù)岸邊坡;力學(xué)特性

      目前,全國(guó)已經(jīng)建成了大、中、小水庫(kù)9.8萬(wàn)多座[1],總庫(kù)容8983億m3,已基本建成江河防洪、城鄉(xiāng)供水、農(nóng)田灌溉等水利基礎(chǔ)設(shè)施體系,而水庫(kù)邊坡防護(hù)的安全與穩(wěn)固是水利基礎(chǔ)設(shè)施體系發(fā)揮作用的重要保障[1-2]。水庫(kù)護(hù)坡按材料及施工工藝不同可分為堆石護(hù)坡、干(漿)砌石護(hù)坡、現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡、機(jī)織模袋混凝土護(hù)坡、混凝土預(yù)制塊護(hù)坡、生態(tài)護(hù)坡等[3-5]。

      庫(kù)岸迎水坡受波浪沖擊嚴(yán)重,水位漲落及水流沖刷易對(duì)坡體造成破壞。近年來(lái),多位學(xué)者從理論、試驗(yàn)及數(shù)值模擬層面對(duì)預(yù)制塊護(hù)坡進(jìn)行了研究[6-10]。根據(jù)《堤防工程管理設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL/T171—2020)[11],防洪工程須滿足下列條件:1)經(jīng)久耐用,抵抗水流沖刷能力較強(qiáng),也有很高的抗磨損能力;2)對(duì)河床的擠壓、變形有很強(qiáng)的抵抗能力;3)施工方便,有利于迅速修整、維護(hù);4)便于取材,提高經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)上述要求,裝配式混凝土預(yù)制塊是一種合適的護(hù)坡選擇。本文對(duì)一種庫(kù)岸邊坡裝配式生態(tài)預(yù)制塊單體強(qiáng)度和多體力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究和數(shù)值測(cè)試,并介紹了其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用情況和應(yīng)用潛力。

      1裝配式生態(tài)預(yù)制塊單體強(qiáng)度

      混凝土預(yù)制塊設(shè)計(jì)時(shí)必須保證護(hù)坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,有一定的柔性和自我修復(fù)能力、抗折能力,以及施工中便于搬運(yùn)和鋪設(shè),同時(shí)考慮混凝土砌塊最優(yōu)消浪性能的開孔率(7.5%)以及強(qiáng)度、密度。以P.O42.5普通硅酸鹽水泥、人工砂和粒徑5~15mm碎石為試驗(yàn)原材料,在基本明確配合比后,對(duì)水灰比為0.5、1.0的預(yù)制塊試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),得到其強(qiáng)度參數(shù)(內(nèi)摩擦角和黏聚力)隨齡期變化曲線,見圖1、圖2。

      對(duì)比可知,隨著齡期的增長(zhǎng),水灰比為0.5、1.0的試樣強(qiáng)度參數(shù)均快速增長(zhǎng),其中水灰比為1.0的試樣內(nèi)摩擦角在齡期為60d后增長(zhǎng)減緩,而水灰比為0.5的試樣內(nèi)摩擦角繼續(xù)快速增長(zhǎng)。此外,僅齡期為7d時(shí)水灰比為0.5的試樣內(nèi)摩擦角略小于水灰比為1.0的,其余齡期數(shù)據(jù)顯示,水灰比為0.5的試樣內(nèi)摩擦角和黏聚力均大于水灰比為1.0的,故最終選用水灰比為0.5。

      通過對(duì)單體預(yù)制塊進(jìn)行一系列尺寸參數(shù)的拉伸、壓縮和剪切力學(xué)性質(zhì)測(cè)試,并充分考慮現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)施工簡(jiǎn)便性后,確定單體預(yù)制塊尺寸。在力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)差異不大的情況下,盡量考慮較大尺寸,以減少預(yù)制塊生產(chǎn)數(shù)量,最終確定裝配式生態(tài)預(yù)制塊長(zhǎng)×寬尺寸以500mm×500mm為主。對(duì)于預(yù)制塊厚度,首先通過計(jì)算得到適宜的厚度。根據(jù)Pilarzyk公式、Breteler公式[12]與潘軍寧等根據(jù)砌塊護(hù)坡穩(wěn)定性系列試驗(yàn)研究導(dǎo)出的公式[13],計(jì)算得到120、150、180mm共3種厚度。然后采用等效應(yīng)力(Mises應(yīng)力)對(duì)3種厚度單體預(yù)制塊力學(xué)行為進(jìn)行有限元數(shù)值模擬[10],其物理力學(xué)參數(shù)見表1。

      單體預(yù)制塊拉伸、壓縮、剪切加載方式下最大應(yīng)力見表2。厚度變化對(duì)預(yù)制塊應(yīng)力分布影響較小,最大應(yīng)力差別不大。

      對(duì)3種厚度的單體預(yù)制塊養(yǎng)護(hù)情況進(jìn)行觀察,厚度150、180mm的預(yù)制塊表面粗糙、美觀度低、養(yǎng)護(hù)成本高、易產(chǎn)生裂縫。最終確定采用厚120mm、碎石粒徑為5~15mm、水泥用量300kg/m3、抹面厚3~5mm的預(yù)制塊。這種裝配式生態(tài)預(yù)制塊具有質(zhì)量較輕、便于搬運(yùn)安裝、節(jié)約原材料、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),能有效降低波浪沖擊對(duì)護(hù)坡造成的影響,且通過改變砌塊的鋪砌方式和顏色能形成美麗的景觀。

      2裝配式生態(tài)預(yù)制塊護(hù)坡機(jī)制研究

      采用方塊規(guī)整排列、方塊交錯(cuò)排列和拼接鑲嵌排列3種多體排列方式(模型示意見圖3),進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)拉伸、壓縮、剪切加載數(shù)值測(cè)試。

      2.1整體結(jié)構(gòu)拉伸加載數(shù)值測(cè)試

      3種多體排列方式整體結(jié)構(gòu)拉伸數(shù)值測(cè)試結(jié)果見圖4。規(guī)整排列與交錯(cuò)排列預(yù)制塊之間沒有連接能力,其連接能力僅取決于塊體間黏結(jié)材料的抗拉強(qiáng)度,且拉斷后徹底不再具有連接能力。而帶有拼接槽的裝配式生態(tài)預(yù)制塊的抗拉能力由塊體間黏結(jié)材料抗拉強(qiáng)度和拼接槽提供的自身抗拉強(qiáng)度確定。此種預(yù)制塊在承受拉力達(dá)到黏結(jié)強(qiáng)度后也會(huì)出現(xiàn)塊體間部分?jǐn)嗔逊蛛x情況,在繼續(xù)拉伸情況下上部開始相互接觸繼續(xù)受力,拼接槽可確保超額拉力的傳導(dǎo),使其他塊體持續(xù)分擔(dān)拉力,從而使得多體結(jié)構(gòu)具有良好整體性。

      對(duì)拼接鑲嵌排列預(yù)制塊整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗拉強(qiáng)度參數(shù)敏感性分析。整體結(jié)構(gòu)初始拉裂由切應(yīng)力和拉應(yīng)力共同作用造成。初始抗裂過程中輕微提升黏聚力比提升抗拉強(qiáng)度更為有效。縱向拉力加載下,黏聚力與列間開裂關(guān)系較大,抗拉強(qiáng)度與行間開裂的關(guān)系較大。開始拉伸時(shí),預(yù)制塊間主要受塊間摩擦力(切應(yīng)力)和局部拉應(yīng)力作用。較低黏聚力和抗拉強(qiáng)度的部分很快分離,高抗拉強(qiáng)度和黏聚力部分則整體不分離。在后續(xù)拉伸過程中列間分離主要受黏聚力影響,黏聚力小則列間分離快,且分離區(qū)域多。行間分離主要受抗拉強(qiáng)度影響,抗拉強(qiáng)度越大,則整體結(jié)構(gòu)承受的拉應(yīng)力越大、越不易開裂。

      2.2整體結(jié)構(gòu)壓縮加載數(shù)值測(cè)試

      對(duì)預(yù)制塊整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓縮加載數(shù)值測(cè)試(垂直壓縮荷載方向上整體結(jié)構(gòu)位移云圖見圖5)。豎向壓縮荷載作用下預(yù)制塊行間不會(huì)出現(xiàn)豎向分離情況,但在泊松效應(yīng)下,橫向即壓縮荷載垂直方向上發(fā)生變形并引起列間開裂分離。方塊規(guī)整排列情況下結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生整列完全分離,方塊交錯(cuò)排列情況下預(yù)制塊因縫隙不連續(xù)而在壓縮時(shí)呈現(xiàn)交錯(cuò)分離。

      分析壓縮斷裂情況,初期壓縮加載因泊松效應(yīng)而引起結(jié)構(gòu)列間發(fā)生不均勻變形,進(jìn)而塊體間產(chǎn)生摩擦力和拉應(yīng)力。加載初期黏聚力與抗拉強(qiáng)度越大塊體越不易分離。在后續(xù)壓縮加載過程中,列間分離主要受黏聚力影響,黏聚力小則結(jié)構(gòu)列間分離較快。

      2.3整體結(jié)構(gòu)剪切加載數(shù)值測(cè)試

      對(duì)3種多體排列方式整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行剪切加載數(shù)值測(cè)試。方塊規(guī)整排列情況下,結(jié)構(gòu)斷裂發(fā)生在中部剪切帶。方塊交錯(cuò)排列情況下,其錯(cuò)位排布引起原本出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中部的裂隙向兩邊擴(kuò)散,且中部受到擠壓,出現(xiàn)一個(gè)高應(yīng)力區(qū)。拼接鑲嵌排列情況下,拼接槽的凸起接觸作用導(dǎo)致應(yīng)力向結(jié)構(gòu)中間傳遞,進(jìn)而引起兩側(cè)列間發(fā)生錯(cuò)位擠壓,護(hù)坡體系兩側(cè)出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)域,因此拼接鑲嵌排列方式結(jié)構(gòu)具有更好的抗剪整體性。

      通過單體預(yù)制塊的力學(xué)分析可以得出,預(yù)制塊受拉伸、壓縮、剪切荷載作用時(shí)應(yīng)力分布和應(yīng)力大小與塊體本身的厚度關(guān)系不大。通過多體預(yù)制塊的力學(xué)分析可以得出,拼接鑲嵌排列相較于方塊規(guī)整排列和方塊交錯(cuò)排列可以顯著提升結(jié)構(gòu)抗拉壓性能,并擁有較好的整體性能。

      3裝配式生態(tài)預(yù)制塊庫(kù)岸邊坡護(hù)坡體系的應(yīng)用

      永泰抽水蓄能電站上、下水庫(kù)庫(kù)岸填方坡面均采用裝配式生態(tài)預(yù)制塊護(hù)面,上水庫(kù)防護(hù)面積約18萬(wàn)m2,下水庫(kù)防護(hù)面積約4萬(wàn)m2。上水庫(kù)裝配式生態(tài)預(yù)制塊防護(hù)位置為進(jìn)/出水口庫(kù)岸、庫(kù)盆北區(qū)庫(kù)岸,分區(qū)壩上游壩坡坡比為1∶2.5、庫(kù)岸邊坡坡比為1∶3.0,高程為632.0~660.0m;下水庫(kù)庫(kù)岸防護(hù)位置為進(jìn)/出水口上游庫(kù)岸、進(jìn)/出水口對(duì)岸、進(jìn)/出水口下游庫(kù)岸,邊坡坡比為1∶2.5,高程為212.0~226.0m。應(yīng)用效果見圖6。裝配式生態(tài)預(yù)制塊在永泰抽水蓄能電站規(guī)模化應(yīng)用表明,其具有良好整體性,抗拉、抗壓和抗剪性能優(yōu)良,觀賞性很強(qiáng)。

      4結(jié)論

      通過裝配式生態(tài)預(yù)制塊的單體強(qiáng)度和多體力學(xué)特征研究,得到如下結(jié)論:

      1)在低成本條件下,經(jīng)一系列室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值測(cè)試,預(yù)制塊單體各項(xiàng)強(qiáng)度達(dá)標(biāo),養(yǎng)護(hù)后強(qiáng)度滿足工程要求。

      2)波浪沖擊容易使常規(guī)護(hù)坡砌塊脫落,而裝配式生態(tài)預(yù)制塊護(hù)坡使用的砌塊有很好的柔韌性,其拼接結(jié)構(gòu)鑲嵌排列方式具有良好整體性,抗拉、抗壓和抗剪性能優(yōu)良,能使護(hù)坡較為有效抵擋波浪沖擊。

      3)具備很強(qiáng)的觀賞性,通過改變砌塊的鋪砌方式和顏色,不僅可以起到很好的護(hù)坡作用,而且能形成美麗的景觀。

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