水利工程中防渗结构多类型材料单轴试验研究

2021-02-26缪成美薛亚民陈大雷

水电站机电技术 2021年1期

王毅，缪成美，薛亚民，张诚，陈大雷

（1.淮安市淮河水利建设工程有限公司，江苏涟水 223400；2.江苏淮阴水利建设有限公司，江苏淮安 223001；3.江苏淮源工程建设监理有限公司，江苏淮安 223001）

1 引言

水利枢纽工程中，防渗措施重中之重，设计有效防渗措施，将显著提升水利工程运营安全稳定性[1-3]。利用多类型混合料设计防渗墙结构，增强水利工程主体结构与防渗墙的整体性，但不可忽视，多类混合料的力学特性同样对水利枢纽工程安全稳定具有重要作用，因而，设计开展混合料的力学特性影响特征分析具有重要作用[4,5]。已有一些学者利用水工模型试验，研究了防渗墙结构在整体枢纽工程中长期运营稳定性，极大为防渗墙混合料设计使用提供参考[6]。当然，亦有一些学者基于材料力学试验研究方法，设计了沥青混凝土、改性膨润土及其他水工混凝土材料力学特性，为水利工程中防渗结构设计应用提供对比参考[7,8]。本文将以水泥、土体等多类混合料为研究对象，探讨其单轴力学特征[9,10]，为水利枢纽工程中防渗结构设计提供试验依据。

2 试验概况

2.1 试验背景及试验仪器

某水利枢纽工程作为地区内重要蓄水调水设施，包括有泄洪闸以及坝体部分，其中泄洪闸采用平面钢闸门，以液压式启闭机作为调控设施，与下游灌区输水渠道相通；另目前建设有长度约为400 m的混合坝体，包括150 m长度的土石坝，其他区段内均采用C 25素混凝土一体式浇筑型的重力式大坝，坝趾处铺设有细粒混凝土砌石地层，厚度30 cm，面板设置有聚氨酯填缝材料。现为增强该枢纽工程坝体防渗稳定性，考虑对坝体增设防渗墙结构，厚度设计为60 cm，水库管理部门考虑采用水泥-膨润土为原材料，制作混合料性质的防渗墙结构，而混合料力学特性与防渗墙防渗性能息息相关，故而设计开展材料单轴力学破坏试验。

本次混合料单轴压缩破坏试验采用RC 150混凝土材料试验机，该实验系统包括有数据采集系统与加载系统，加载台上可适应不同尺寸试样试验，最大竖向荷载可达1 000 kN，可变换多种控制方式加载，精度误差最小仅为0.2%；数据采集系统可实时查看数据，采集间隔为0.5 s，力传感器以及位移传感器均在实验前均已标定，位移传感器最大可达12 mm，图1为该混凝土材料试验系统。

图1 混凝土材料试验系统

2.2 试验方案

为研究防渗墙结构中混合料单轴压缩破坏特性，研究设计不同配合比方案，其中分为水与水泥比（水灰比）、水与膨润土之比（水土比）两个影响方案，水灰比参数设定为 6、5、4、3，水土比设定为 7.5、5.5、4.5、3.5，具体配合比及试验方案如表1所示。按照试验方案目标配合比，取定量材料加水拌匀后，将膨润土、水泥、土颗粒振捣接触，保证所制作出试样内部晶体结构在加载过程中各向同性；将拌匀后的水泥-膨润土试样置入模具中成型，径高尺寸为100 mm×200 mm，倒入模具后应保证模具端面平整，后放入养护箱内恒温恒湿环境下养护48 h，后续完成脱模工作。相同配合比试验分别按照龄期15 d、30 d养护后，才可进行后续单轴试验，本实验中参照规范[11]进行单轴试验研究。

表1 混合料配合比试验方案

试验步骤简介如下：

（1）经养护箱养护目标龄期后的试样取出，完成试验前试样各物理参数测定，安装试样至加载台上，保证端面与加载中心对齐；

（2）试验系统中力传感器清零，位移传感器调整至合适量程，直接在试样两端安装位移传感器，后以荷载控制以及变形控制方式逐级加载，观测试样实时应力应变曲线，直至失稳破坏，停止试验；

（3）结束数据采集后，卸掉残余竖向荷载，更换试样，继续试验。

3 混合料单轴破坏力学特征

3.1 水灰比影响特性

图2 水灰比影响下混合料单轴应力应变曲线（养护龄期15 d）

图3 水灰比与单轴抗压强度关系曲线

基于单轴压缩破坏实验，获得不同配合比参数影响下混合料力学特征，限于篇幅，本文以养护龄期15 d试验结果开展分析，图2为水灰比影响下混合料单轴应力应变曲线。从图中可看出，加载过程中加载应力水平与水灰比为负相关关系，相同加载应变下，以低水灰比试样应力水平较高，在相同水土比7.5、相同加载应变1%时，水灰比为6试样的应力值为15.8 kPa，而相同情况下，水灰比为5、4、3试样应力相比前者分别增大了1.2倍、5.1倍、7倍；此种现象在水土比5.5等方案中亦是如此。分析认为，水灰比参数愈小，则混合料中水泥占比含量愈高，即水泥可充分与混合料中颗粒骨架结构胶凝，减少混合料内部所存在孔隙孔间，增强试样承载稳定性，从而提高混合料单轴加载过程中应力水平。另一方面，水灰比增大，对加载应力水平的抑制影响，实质上亦会弱化混合料单轴抗压强度，图3为两个养护龄期下混合料单轴抗压强度随水灰比变化曲线，从图中可知，养护30 d、水土比7.5时，水灰比为3的试样单轴抗压强度为299.6 kPa，而水灰比为4、5、6试样抗压强度相比前者分别降低了28.7%、58.4%、61.8 %；另对比在相同养护龄期下，水土比为4.5时，前述水灰比试样之间降低幅度分别为21.7%、49%、80.6%，即当水土比降低，会提高低水灰比试样与高水灰比试样之间强度差异；分析表明，水土比降低，混合料中水含量减少会影响水泥胶凝特性，减弱试样晶体框架结构间粘结性能，表现在抗压强度上为降低幅度增大。

从变形特征来看，水灰比愈大，则峰值应力后软化特性愈弱，低水灰比试样峰值应力后呈显著脆性破坏特征，而高水灰比试样峰值应力后具有硬化特征。从图2水土比4.5研究方案试验结果可知，峰值应变最大为水灰比最高的试样，达2.1%，而水灰比为5、4、3试样峰值应变分别为1.7%、1.6%、1.5%，且低水灰比试样峰值前弹性阶段持续较长，即高水灰比试样塑性变形能力得到增强，混合料峰值应变亦是以高水灰比试样最大。

3.2 水土比影响特性

图4为水土比影响下混合料单轴压缩应力应变曲线。从图中可看出，在同为水灰比5、4、3试验方案中，加载应力水平均与水土比为负相关关系，相同应变下，以低水土比试样应力水平较高，当相同水灰比4、加载应变0.7%下，水土比为7.5试样的加载应力为107.5 kPa，而水土比3.5、4.5、5.5试样相比前者分别增大了13.6%、11.7%、8.5%。当水土比愈大，则土颗粒含量愈小，即混合料中承载骨架结构愈弱，导致加载过程中应力水平较低；分析认为，土颗粒有助于提升混合料承载能力，在防渗墙结构设计过程中，应添加入适量土体。当同为水灰比6时，加载过程中应力水平最高者为水土比5.5，随水土比增大，加载应力水平为先增后减变化。图5为两种不同养护龄期条件下单轴抗压强度受水土比影响特性曲线，养护龄期为30 d、水灰比为6时，水土比为5.5的试样强度为171.9 kPa，而水土比为4.5、7.5试样的抗压强度相比前者分别降低了11.8%、32.7%，分析认为，当混合料中水灰比处于较高水平时，而水土比递增至一定界限时，混合料中已不是传统的三相材料，而是趋于二相体，进而势必会改变混合料中成型的骨架颗粒结构，造成试样单轴抗压强度降低。从变形特征来看，在水灰比为6的试样中，应力硬化现象显著，随水土比递减，硬化现象愈显著；从峰值应变来看，养护30 d下相同水灰比为5的实验方案中水土比 7.5、5.5、4.5、3.5 对应的应变值分别为 2.1 %、1.65%、2.1%、2.3%，整体上为递增，但基本相近，即水土比对峰值应变影响较弱，一致性关系并不显著。

图4 水土比影响下混合料单轴应力应变曲线（养护龄期30 d）

图5 水土比与单轴抗压强度关系曲线

3.3 养护龄期影响特性

基于两种不同养护龄期下混合料单轴破坏试验，获得图6所示养护龄期影响下的力学特性，另给出图7所示抗压强度受养护龄期影响特征。从整体应力水平及抗压强度表现来看，养护龄期与混合料强度为正相关，当相同水灰比5、水土比5.5时，养护15 d的混合料试样抗压强度为144.3 kPa，而相同配合比方案下养护30 d试样抗压强度相比前者增大了33.8%；分析认为，混合料中包括有水泥这类胶凝材料，当养护龄期愈长，胶凝材料的水化反应愈充分，试样颗粒骨架结构愈稳固，因而强度增长显著。从图7（b）可看出，相同配合比方案在不同养护龄期条件下，强度变化幅度有较大显著差异：在试验方案a组中，以水灰比参数较小的a-3、a-4增大幅度为最大，分别达116.6 kPa、171.7 kPa；而在试验方案b组中，同样的b-3、b-4试样强度增长亦较显著，分析认为，当水灰比较小时，即混合料中水泥含量较多，可显著提升养护龄期对试样单轴抗压强度的促进效应。当水土比递减，混合料中土颗粒含量有所增多之时，在达到一定含量时，如d-2试样的强度增长幅度基本与c-2一致，即土颗粒含量对养护龄期促进强度增长效应具有上限性。