粤北地区穿高地温河道堤防混凝土材料HM耦合试验研究

2022-02-10高四军

水电站机电技术 2022年1期

高四军

（广东益鑫源工程建设管理咨询有限公司，广东江门 529000）

1 引言

水利工程中工程环境常常较为复杂，包括有高地应力、高地温等特殊工程条件[1,2]，因而工程安全稳定性不得不考虑工程环境对其的影响，而水利材料作为工程稳定性重要组成部分，研究水利工程材料在特殊工程条件下的力学稳定性很有必要。余启清[3]、李远征等[4]根据混凝土或土体等材料颗粒流特性，借助PFC等离散元分析平台，建立计算模型与模拟工况，分析不同工况、不同颗粒流参数下水利材料力学特征变化，为工程设计、施工提供仿真模拟成果。当然，限于离散元计算有时过于理想化，因而一些学者认为在现场开展原位试验很有必要，利用静、动力初探或其他原位试验设备，可获得工程现场实际物理力学参数，进而反映工程场地稳定性[5,6]。包括王毅等[7]、梁源凯等[8]在内的，利用精密岩土材料试验设备，设计有THM耦合、HM耦合在内的三轴、单轴等力学试验，通过分析试验数据变化规律，反映水利混凝土材料在内的力学稳定性影响特征。本文根据粤北地区拟建联圩枢纽穿高地温堤防工程混凝土材料的HM耦合试验，分析高温作用与高聚物纤维体含量影响下的力学稳定性特性，为工程材料应用提供一定设计参考。

2 试验概况

2.1 试验背景

粤北地区常年降雨量丰富，且雨季与台风高发季节相遇，常出现水位暴涨、市区内涝等灾害，为此，工程设计部门考虑对韶关、清远等城市拟建联圩防洪排涝枢纽设施，保障地区水利安全。该拟建联圩防洪枢纽工程需穿过韶关等高地温地区，设计堤坝顶部高程为136.8 m，堤防迎水坡的坡度与背水坡的坡度分别为1∶3、1∶2，为减弱由于高地温引起的堤身开裂、渗透坡降陡升等现象，采用特种混凝土进行坝身加固，此类特种混凝土掺加有高聚物纤维体，进而在所需进行堤防工程施工段内均喷射有混凝土。根据工程所用水利材料分析可知，掺高聚物纤维体特征混凝土的力学稳定性乃是堤防工程可建设的重中之重，因而，本文针对此类特殊材料开展HM（热力）耦合下力学破坏试验研究。

2.2 试验介绍

根据粤北地区河道堤防特殊混凝土材料应用工程环境及所需承受的高地温，高温试验组中设定温度为室温（25℃）、50℃、75℃、100℃、125℃，另由于高聚物纤维体乃是特殊混凝土耐高温的关键，因而纤维体含量对特殊混凝土材料力学性能影响不得不考虑，故设定高聚物纤维体含量分别为3%、6%、9%、12%、15%，围压分别为5 MPa、15 MPa，其他水胶比、砂率等参数分别保持一致，仅改变单一参量因素进行力学特性影响分析。本试验中所用试样直径高度均为75 mm、150 mm，每个温度在达到目标温度后，均需静待2 h。

3 高温影响下混凝土三轴力学特征

3.1 应力应变曲线

根据HM耦合试验结果，处理相关力学数据，获得不同温度下特殊混凝土三轴应力应变数据，如图1所示。从图中可看出，相同围压5 MPa下，温度增高，混凝土加载应力均有一定程度升高，围压5 MPa时，温度25℃试样在应变0.5%时的加载应力为61 MPa，而试验温度为75℃、125℃后，相同0.5%应变处的加载应力相比前者分别提升了42.1%、149.9%，表明此类特殊混凝土在温度升高时，其加载能力可得到提高。笔者认为，高温对混凝土材料的影响应分两部分效应来看待，一部分混凝土材料在高温作用下易发生高温损伤效应，造成混凝土承载能力降低的现象[9]；但也有一部分混凝土材料在高温热效应下不仅不会出现热损伤，反而高温对混凝土材料内部的晶体矿物有一种促发膨胀作用，反映在加载应力上则是正向促进作用，而本文特殊混凝土材料实质上应是属于此类。当围压升高至15 MPa后，所有温度下混凝土应力应变曲线不同于围压5 MPa时，其在峰值应力后期处于应力硬化变形，应力波动幅度不超过3.4%，加载应力长期处于较稳定、不下跌状态，而在围压5 MPa室温下试样的峰值应力后期应力下跌幅度可达48.8%，表明围压15 MPa已达到可确保试样长期处于塑性变形的特征值。

图1 不同温度下特殊混凝土三轴应力应变曲线

分析变形特征可知，①不论是围压5 MPa，或是围压15 MPa，峰值应变点在各温度下均指向一致，围压5 MPa下为1%，围压15 MPa下有所提升，为1.95%，从温度热效应来看，其对混凝土峰值变形、最大变形均无显著影响。②从变形模量来看，温度热作用效果显著，在围压5 MPa时，室温下线弹性模量计算为158.5 MPa，而温度75℃、125℃下线弹性模量相比前者分别增大了23.5%、85.9%，同样在围压15 MPa下高温对混凝土变形模量均具有提高作用。故笔者认为，温度热效应虽对混凝土应变参数无显著影响，但对混凝土变形模量具有显著促进效应。

3.2 强度特征

根据HM耦合试验混凝土应力应变数据，获得温度参数与混凝土三轴抗压强度关系曲线，如图2所示。从图中三轴强度变化规律可知，同一围压下混凝土强度与温度参数具有正相关，且两者具有线性函数关系；分析整体增幅可知，温度提升25℃，平均可影响混凝土三轴强度增大8.5%。围压为15 MPa时三轴强度均高于围压5 MPa下，同一温度50℃时，围压15 MPa、5 MPa间三轴强度差距57.9%幅度，且温度升高，高温热效应对强度的促进效应有所减弱，在围压15 MPa时，温度25℃的增长，平均影响混凝土三轴强度变化4.8%，即围压效应可一定程度缩小高温热作用对混凝土强度提升效果。

图2 温度参数与混凝土三轴强度关系曲线

4 高聚物纤维体影响下混凝土三轴力学特征

4.1 应力应变曲线

本工程中特殊混凝土耐高温性质与高聚物纤维体有关，因而考虑对高聚物纤维体含量影响下混凝土三轴力学特征开展分析，图3为不同纤维体含量下混凝土三轴应力应变关系曲线。从图中可看出，纤维体含量愈多，则混凝土加载应力水平愈高，即两者为正相关关系。当围压增高至15 MPa后，纤维体含量与加载应力关系仍保持与低围压下一致，各纤维体含量间加载应力水平差异较之更为显著，相同加载应变1.5%时纤维体含量为9%、15%下的加载应力相比含量3%试样分别提高了3.7%、7.2%，表明围压愈大，纤维体含量影响下的混凝土加载应力水平差异性愈小。

图3 不同高聚物纤维体含量下混凝土应力应变曲线

从纤维体含量影响变形特征可知，相同围压下，不同纤维体含量混凝土在线弹性变形阶段基本保持一致，持续至峰值应力阶段，围压5 MPa时混凝土线弹性模量均保持为132 MPa，而围压10 MPa时有所提高达138.5 MPa。各纤维体含量不同试样的峰值应变、最大应变基本处于相等，两围压下峰值应变分别稳定在1.1%、2%。分析可知，纤维体含量改变，不影响试样线弹性变形能力，亦不影响混凝土峰值应变特性，纤维体含量差异性主要体现在峰值应力后阶段。

4.2 强度特征

从应力应变数据中提取试样三轴抗压强度，获得纤维体含量影响下混凝土三轴强度变化特征，如图4所示。从图4可看出，混凝土三轴强度与纤维体含量为正相关，两者具有线性函数关系，纤维体含量增大3%，围压5 MPa下混凝土三轴强度平均可提升5.8%。当围压为15 MPa时，纤维体含量3%的增长，强度可增大2.9%，围压增大，纤维体含量对混凝土强度的促进作用有所减小。分析认为，当堤防工程所用混凝土材料穿越高地温环境，其较高强度承载力及耐热性，均可确保工程处于安全运营状态。