砾石骨料破碎率对沥青混凝土心墙坝应力应变影响分析

2017-05-16何建新仝卫超王怀义杨海华

水力发电 2017年3期

关键词：破碎率砾石心墙

何建新,仝卫超,王怀义,杨海华

(新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆乌鲁木齐830052)

砾石骨料破碎率对沥青混凝土心墙坝应力应变影响分析

何建新,仝卫超,王怀义,杨海华

(新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆乌鲁木齐830052)

通过室内静三轴试验获得邓肯-张E-μ模型参数,结合ABAQUS有限元软件对新疆某沥青混凝土心墙坝进行计算,分析竣工期和满蓄期不同破碎率砂砾石骨料条件下坝体和心墙的应力应变特性。结果表明：坝体的应力应变特性受心墙沥青混凝土中粗骨料的破碎率影响很小,心墙的应力应变特性仅大主应力随着粗骨料破碎率的增加而增大,且均在安全范围之内。因此,沥青混凝土心墙坝可以完全使用天然砾石骨料。

静三轴；应力应变；砾石骨料；破碎率；沥青混凝土心墙坝

0 引言

在进行心墙沥青混凝土配合比设计时,为了保证骨料与沥青的黏附性及心墙沥青混凝土的水稳定性,沥青混凝土粗骨料一般都优先采用碱性岩石破碎的人工碎石[1]，但是自然界中碳酸盐岩类分布仅占0.25%,资源十分有限[2]。在新疆某些水库坝址区根本没有碱性骨料,不得不考虑使用砾石骨料配制心墙沥青混凝土[3]。由于沥青混凝土心墙厚度较薄,粗骨料是心墙骨架和结构组成的重要部分,作为大坝的唯一防渗屏障,骨料的棱角性对心墙的应力应变特性影响越来越受到研究人员的关注[4]。李炎隆等发现沥青混凝土的性能受杨式模量K、杨式模量指数n影响非常敏感,而受体积模量指数m的影响很小[5]；吴海林等依托新疆某沥青混凝土心墙堆石坝进行了应力变形分析,得到沥青混凝土心墙的变形在竣工期和满蓄期均处在合理范围之内的结论[6]；任少辉证明了沥青混凝土静三轴试验应力-应变曲线随温度、加载速率呈一定规律性变化[7]；赵科验证了冷热循环降低了沥青混凝土的三轴剪切强度[8]。在对沥青混凝土心墙应力应变特性研究中,却鲜有将粗骨料破碎率作为影响因素来分析。粗骨料破碎以后,表面有棱有角,凹凸不平,针片状增多,破碎带来的棱角效应对坝体和心墙的应力应变特性影响在以往研究中均没有提及。本文采用试验和计算结合的方法,在实验室分别采用破碎率为0、50%、100%的3种粗骨料制备心墙沥青混凝土试件,通过三轴试验得到心墙沥青混凝土的E-μ模型参数,结合工程实例,通过有限元软件计算出采用不同粗骨料破碎率的沥青混凝土心墙和坝体的应力应变特性。

表1 沥青混凝土静三轴试验参数

表2 坝壳料和过渡层参数

1 材料参数

1.1 沥青混凝土参数

采用实验室优选配合比,试样通过沥青混凝土三轴试模室内击实成型,试模尺寸Φ100 mm×250 mm,击实锤Φ98.5 mm,质量4 536±9 g,高度457.2±1.5 mm,将混合料分2层击实,每层单面击实110次。试件尺寸要求为Φ100 mm×200 mm,试件高度尺寸偏差±2 mm。隔天脱模后试件在10.0 ℃恒温环境中静置4 h,试验用水温度10.0 ℃。试验轴向加载速率0.18 mm/min,应变速率0.09%/min。将试件放入压力室,调整试件位置。打开围压阀门,对试件施加一定的围压,并保持恒压30 min,待体变管内的液面稳定,记录数据,开始试验。3个粗骨料破碎率下的沥青混凝土分别进行0.2、0.3、0.4、0.6 MPa 4个围压下的静三轴试验,对试验结果进行处理,得到3个粗骨料破碎率下的沥青混凝土非线性参数如表1所示。

从表1可以看出,破碎砾石骨料所配制的沥青混凝土粘聚力比各掺50%骨料高出95 kPa,比天然砾石骨料高出103 kPa。骨料破碎以后,比表面积增大,表面丰富的棱角很大程度上提高了沥青混凝土的粘聚力。破碎砾石骨料所配制的心墙沥青混凝土内摩擦角比各掺50%骨料高出1°,增加不明显,比天然砾石骨料高出3.5°,这是由于在沥青胶浆的填充下,部分粗骨料咬合嵌挤,磨圆度高的天然砾石表面光滑,粗骨料之间的咬合力相对较低。由于骨料的表面粒形特征在沥青的包裹作用下嵌挤结构被减弱,静三轴试验得到的非线性参数差别不明显。

1.2 坝壳料和过渡层参数

弹性模型中的非线性弹性模型相对于弹塑性模型有一定的局限性,但能较好地模拟材料的力学性质,具有形式简洁、参数少且易获取的特点,在工程计算分析中得到广泛运用[9]。在有限元计算中,坝壳料和过渡料均采用现场工程材料的非线性弹性模型参数,具体见表2。

2 计算模型及加载

新疆某碾压式沥青混凝土心墙砂砾石坝,坝顶宽8 m,顶高程1 609.9 m,最大坝高62.0 m,上下游面坝坡分别为1∶2.5和1∶2.0。心墙及两侧的砂砾石坝体坐落在基岩上。坝壳料、过渡料采用砂砾石填筑,心墙采用碾压式沥青混凝土。上、下游过渡Ⅰ区水平宽度均为2 m,下游过渡Ⅱ区水平宽度为3 m。心墙0.8～2.0 m渐变扩大段与混凝土基座连接,底部以上32 m心墙厚80 cm,32～47 m心墙厚70 cm,47 m至心墙顶部厚60 cm。利用ABAQUS有限元分析软件,对大坝进行剖分,顺河向为计算的x轴方向,沿坝体高程增加的铅直方向为y轴方向。对坝体进行有限元网格剖分,得到有限元分析模型如图1所示。

图1 沥青混凝土心墙坝单元

坝体分层填筑施工,自重采用分级加载,碾压式沥青混凝土心墙和坝壳砂砾石同步填筑。坝体的加载按照施工顺序分6级模拟逐级加载,坝体填筑完毕后,水荷载采用4级模拟加载。模型底部采用全约束,水平法向约束。顺水流方向为正,沿坝高方向为正,主应力以压为正,以拉为负。

3 试验结果分析

3.1 坝体应力应变分析

碾压式沥青混凝土心墙坝计算工况分为竣工期和满蓄期。在试验参数的基础上,利用有限元模型,得到坝体应力应变计算结果见表3。

表3 坝体应力应变计算结果

在沥青混凝土心墙坝的应力应变研究中,最关心的是沥青混凝土心墙的最大垂直位移和最大主应力σ1max[10]。从表3可以看到,不同粗骨料破碎率下的沥青混凝土心墙坝体在竣工期和满蓄期的水平位移、竖向位移以及应力水平并无明显变化；厚度为60～80 cm的沥青混凝土心墙在整个坝体中相当于薄层,心墙中粗骨料破碎率的不同对坝体的应力应变影响不大；满蓄期坝体顺水流方向的位移均在5 cm左右,竖直方向位移均在19 cm左右；坝体在竣工期和满蓄期两种工况下大主应力均在1.4 MPa左右,大主应变均在0.9%左右,即存在一定的压应力,均在安全范围以内；坝体小主应力均在-0.8%左右,即存在很小的拉应变,坝体的剪应力水平也满足要求。从经济方面讲,破碎骨料费时费力,在满足安全性的前提下,选择破碎率为0的天然砾石骨料作为沥青混凝土心墙的粗骨料更具有优越性。由于3种破碎率下坝体应力应变计算结果无明显差异,可选取沥青混凝土心墙粗骨料破碎率为100%的坝体的竖向位移和最大主应力进行分析,等值线如图2所示。

从图2a、b可以看出,坝体竣工期和满蓄期的竖向沉降分别为18.83 cm和19.08 cm,且均在坝高的1/2到2/3位置处,该工程所用坝壳料为坝址区上游河床砂砾石,自重应力沿坝轴线分布均匀,其竖向沉降量分别占最大坝高的0.3%和0.31%。坝体的水平位移在上、下游两侧对称分布,上游面受到水压力的作用后传递给坝体中间的沥青混凝土心墙,破碎粗骨料之间较大的粘聚力承受了一部分水平推力,坝体的下游面变化幅度较小,水平位移由3.19 cm增大为5.01 cm,上游面水平位移由2.5 cm减少至2.07 cm。

从图2c、2d可以看出,坝体在竣工期和蓄水期大主应力分布比较规则,均为压应力,从坝顶到坝底呈连续增加趋势,等值线基本与上游和下游的坝坡平行。砾石骨料破碎后表面虽然可能存在微裂隙,但密度与天然砾石骨料相同,在拌和成相同体积的沥青混凝土并经过碾压后,心墙和坝壳料的自重应力相同。粗骨料破碎率为100%的坝体竣工期大主应力为1.36 MPa,满蓄期坝体在水应力的附加作用下大主应力有一定增加,最大值为1.44 MPa,心墙底部靠近基座部位受到的应力作用最大,两种工况的大主应力极值均出现在此部位。

从图2e、2f可以看出,坝体的小主应力分布规律与大主应力基本一致,竣工期和满蓄期小主应力极值均为0.84 MPa,位置在坝体底部。在逐级蓄水以后,坝体上游受到水的浮托力作用,沥青混凝土心墙中破碎粗骨料相互咬合,受浮托力影响较小。坝体的大主应力和小主应力均有一定的减小,此时坝体底部大主应力为1.24 MPa,小主应力为0.69 MPa。

3.2 心墙应力应变分析

沥青混凝土心墙是沥青混凝土心墙砂砾石坝的关键部位,对整个大坝的防渗系统至关重要,不同破碎率的粗骨料对沥青混凝土心墙的应力应变特性影响计算结果见表4。

从表4可以看出,不同破碎率的粗骨料沥青混凝土心墙在坝壳料和过渡层的中间水平位移不大,竣工期下游面水平位移在1 cm左右,逐级蓄水后,在水压力作用下比竣工期向下游移动多出2.8 cm,满蓄期上游面水平位移在水压力作用下基本为0。心墙的竖向位移竣工期基本在19.3 cm,满蓄期基本在18.8 cm,与坝体的竖向沉降差异不大,从而避免了心墙部分自重传递到坝壳,心墙内部应力减小,坝壳应力增大的心墙拱效应现象。该坝体和心墙竖向沉降差异越小,拱效应越微弱,对坝体安全越有利。心墙在竣工期和满蓄期均受压应力,随着骨料的破碎率的增加,心墙受到的大主应力也有一定的增加,竣工期从0.97 MPa增加到1.32 MPa,满蓄期从1.09 MPa增加到1.42 MPa。在骨料与沥青黏附性基本无差别的情况下,由于破碎率为100%的粗骨料表面棱角明显,沥青混凝土心墙在摊铺时温度较高,处于流动塑性状态,在受到碾压以及周围坝壳料的外力作用时,部分粗骨料之间的沥青胶浆面偏薄,骨料的表面摩擦使心墙受到较高的应力。小主应力也呈现随着骨料破碎率增加而增加的规律。在心墙的竣工期和满蓄期,均存在一定程度的拉应变,其值均在0.7%左右。3种不同粗骨料破碎率的沥青混凝土心墙应力变形特性如图3所示。

图2 坝体应力应变计算结果

表4 心墙应力应变计算结果

从图3可以看出,心墙的竖向沉降最大值出现位置均在1/2高度处,粗骨料的破碎率为100%时,心墙的竖向沉降比其他两个破碎率略低,但差别不大。竣工期和满蓄期心墙从底部到2/3高度处的大主应力随着粗骨料破碎率的增加有一定增加,3种粗骨料破碎率的心墙和坝体的应力差异不大,避免了两者之间的应力传递。在坝顶部位的心墙大主应力随着骨料破碎率增加无明显变化。竣工期时3种粗骨料不同破碎率的心墙小主应力在心墙底部差异不明显,满蓄期时由于水压力作用,心墙底部小主应力随着粗骨料破碎率的增加出现细微差别,坝顶小主应力几乎相同。心墙和坝壳料的自重使心墙在竣工期和满蓄期处于受压状态,仅在心墙的坝肩部位出现一定的拉应力区,且拉应力很小。

4 结论

本文利用了ABAQUS有限元计算软件,以心墙沥青混凝土的静三轴试验数据为基础,采用邓肯-张模型对沥青混凝土心墙坝进行了二维有限元计算,分析了坝体和心墙在不同粗骨料破碎率下的应力应变规律,得出以下结论：

(1)粗骨料破碎率为100%与0的心墙沥青混凝土相比,内摩擦角高出3.5°,粘聚力高出103kPa,但其他非线性参数差别不明显。

(2)在坝壳料和过渡料相同的条件下,粗骨料破碎率为100%与0时相比,坝体的位移、应力、应变以及剪应力水平相差不大。

(3)心墙的位移、应变及剪应力水平受粗骨料破碎率的影响不大,且均在安全范围之内。因此,心墙沥青混凝土可以完全使用天然砾石骨料。

[1]SL501—2010 土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范[S]．

[2]岳跃真, 郝巨涛, 孙志恒, 等. 水工沥青混凝土防渗技术[M]. 北京：化学工业出版社, 2007．

[3]何建新, 朱西超, 杨海华, 等. 采用砾石骨料的心墙沥青混凝土水稳定性能试验研究[J]. 中国农村水利水电, 2014(11)： 109- 112．

[4]周欣华, 铙锡保, 朱国胜. 沥青混凝土心墙堆石坝产生水力劈裂破坏的分析与评价[C]∥第二届全国岩土与工程学术大会论文集(上册). 武汉：科技出版社, 2006: 621- 626.

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(责任编辑焦雪梅)

Analysis on the Influence of Gravel Aggregate Crushing Rate on Stress and Strain of Asphalt Concrete Core Wall Dam

HE Jianxin, TONG Weichao, WANG Huaiyi, YANG Haihua

(College of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, Xinjiang, China)

Through indoor static tri-axial test to obtain Duncan-ZhangE-μmodel parameters, an asphalt concrete core wall dam in Xinjiang is calculate by using ABAQUS finite element software. The stress and strain characteristics of dam body and core wall during the period of completion and full storage are analyzed under the conditions of different gravel aggregate crushing rates. The results show that the stress and strain characteristics of dam body are little affected by the crushing rate of coarse aggregate in asphalt concrete core wall, and only the major principal stress in core wall will increase with the increase of coarse aggregate crushing rate, but all stresses and strains in core wall are in safe range. Therefore, the natural gravel aggregate can be completely used in asphalt concrete core wall dam．

static three axis; stress and strain; gravel aggregate; crushing rate; asphalt concrete core wall dam