淮河河道护坡多尺寸混凝土破坏试验研究

尹永宝

（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应用面较广，为水工建筑防渗、加固、衬砌支护等提供重要基础原材料，研究其力学稳定性对提升水利设计水平具有重要意义[1-3]。离散元是研究混凝土、土体等材料力学特性的重要计算方法，何军等[4]、朱小磊等[5]、刘璇等[6]开发或利用颗粒流等仿真计算平台，探讨单轴、三轴等模拟工况中混凝土力学特征变化规律，为实际工程应用相关成果提供参考。由于离散元仿真计算过于理想化，一些学者开始探讨进行全周期、全维度监控与监测研究，从工程现场混凝土施工温控、裂纹扩展等方面入手，探讨混凝土在工程设计、施工中性能变化[7-9]。室内试验手段在岩土体材料力学、渗透特性研究中有较广泛应用，任恒谊[10]、姜男[11]、白卫峰等[12]利用岩土体等精密室内仪器，制作混凝土试样，进行相关室内力学破坏试验，获取混凝土力学特性变化过程，探讨混凝土的围压效应、尺寸效应、配合比参数优化效应等，为工程设计提供准确、优化的力学稳定性方案。本文结合淮河中游堤坝防渗加固工程中防渗混凝土的应用，设计开展尺寸效应、外加纤维含量等参数影响下的力学特性研究，为堤坝工程设计应用防渗混凝土材料提供基础成果。

1 试验概况

1.1 防渗混凝土应用背景

淮河中游地区考虑对已有河道堤坝进行维修改造加固，提升防洪能力。根据已有堤坝调查得知，堤防按照100 a一遇洪水标准设计，堤顶高度为26.8 m，堤顶建设有宽度5.0 m的硬化公路，堤坝全长34 km，沿南、北两侧延伸。淮河中游研究段堤坝南侧干堤迎水、背水侧坡度分别为1/2.5、1/3.5，北侧干堤坡度分别为1/2、1/3，两侧干堤共有8座中小型水闸作为水资源调度控制枢纽，最大水闸设计泄流量832 m3/s，监测表明河道最大流量2 080 m3/s。水闸闸室与弧门均为最新除险加固后设施，静、动力稳定性均较佳，闸基础采用混凝土灌注桩，包括闸墩、闸门加固梁等结构在内均采用防渗混凝土材料，确保闸室运行过程中渗流场稳定。在已有河道堤坝工程基础上，工程设计部门考虑从两方面入手改善堤坝：第一，对已有堤顶进行二次加高，设计加高后堤顶高度为27.8 m；第二，对河道防洪堤坝坝身进行加固防护，确保坝体处于安全稳定状态，坝身内渗透坡降不超过0.2。目前，监测坝身最大渗透坡降在较大洪水位下会达到0.35，而正常水位下堤坝渗透坡降稳定在0.28~0.3。为此，设计部门考虑二次加高分层堆筑，并结合防渗混凝土灌浆加固，另在坝身布设防渗混凝土材料，降低坝身整体渗流活跃性。目前坝身已设置有预制混凝土砌块网格，防渗混凝土的施工需结合不同尺寸类型网格布设。为此，针对解决不同尺寸网格混凝土施工后力学稳定性差异，设计开展相应的多尺寸防渗混凝土三轴试验研究，并结合防渗混凝土内肪渗纤维含量影响性开展试验探讨。

1.2 试验介绍

本次三轴试验采用GCTS 混凝土综合试验系统进行，该平台包括加载平台、数据监测设备、数据采集系统，如图1 所示。综合试验平台最大围压100 MPa，最大荷载800 kN 且荷载误差不超过1‰，荷载振动频率5 HZ，加载方式均为液压控制，加载系统主要位于三轴缸内。试验平台可完成多类型尺寸试样试验，直径在300 mm以内，高度在600 mm以内。数据监测系统包括外连声发射与摄像头等设备，可实时获得试样微观裂纹扩展、延伸等细观特征，为揭示宏观力学特征规律提供重要手段。数据采集系统可间隔0.1~10 s 采集力学特征数据，可实时处理呈现获得应力应变、应力环向应变等特征，轴向变形传感器监测量程为-20~20 mm，环向变形监测量程为-15~15 mm，另配备有与试样同步的LVDT变形监测设备，最大误差不超过0.2%，数据采集示意如图2所示。

图1 GCTS混凝土综合试验系统

图2 数据采集示意

为确保试验结果，对淮河河道堤坝防渗混凝土材料应用设计肪渗纤维含量、尺寸参数差异2 种试验方案。所有试样直径均为50 mm，尺寸参数差异主要体现在高度的改变，设定高度分别为100、150、200、250和300 mm。另肪渗纤维含量与混凝土防渗性能有关，防渗混凝土抗渗性很大程度上取决于肪渗纤维，其含量差异对防渗混凝土力学稳定性有较大影响。因其含量限制在12%以内，本试验中设定肪渗纤维含量分别为2%、4%、6%、8%、10%，围压分别设定为10、20 MPa，各试验组中仅改变单一变量参数，研究另一参数对力学特征影响规律，各试验组具体参数方案详见表1。

表1 各组试样试验参数

三轴试验方案按照如下步骤进行：①按照目标肪渗纤维含量、高度及配合比参数制作混凝土试样，经打磨加工、满足室内力学试验要求后，放入养护箱内养护24 h；②从养护箱内拿出试样，量取相关物理参数后，采用防油膜包裹，放置加载平台上，安装变形、力学监测等传感器，完成试验准备工作；③先开始围压加载至目标值，再采用恒定LVDT 变形控制加载速率，待试样失稳破坏后，停止试验，更换其他组试样重复试验。

2 肪渗纤维含量对混凝土力学影响

2.1 应力应变特征

通过三轴力学试验获得肪渗纤维含量影响下混凝土力学特征，并进行处理获得典型肪渗纤维含量影响下混凝土多向应变与应力关系特征曲线，如图3 所示。依据力学特征关系可知，在标准尺寸高度100 mm 试样下，肪渗纤维含量愈高，混凝土加载应力水平愈低，围压10 MPa 下相同轴向应变0.2%时肪渗纤维含量2%试样的加载应力为115.5 MPa，而纤维含量为6%、8%试样加载应力相比前者分别下降了14%、42.3%，表明肪渗纤维成分存在对防渗混凝土承载能力有抑制作用。分析认为，当混凝土内部含有肪渗纤维后，致密的肪渗纤维可作为一种防水塑胶薄膜，降低水流渗入混凝土作用，且愈多含量的肪渗纤维愈可限制水头压力入渗等级。但不可忽视的是，肪渗纤维进入混凝土内部后，其晶体结构相比混凝土主骨架乃是较弱的承载面，在较大三轴轴向应力下，薄弱面出现开裂破坏，进而导致整体失稳破坏，表现为加载应力水平较低[13，14]。围压增大至20 MPa 后，试样整体应力应变曲线在峰值应力后期出现缓降或稳定不降现象，这主要受高围压强束缚力作用影响。为确保混凝土裂纹发展处于可控状态，不致于混凝土迅速失稳、加载应力跌落，围压20 MPa下各试样峰值应力后期应力下跌幅度不超过2%，而在围压10 MPa下仅肪渗纤维含量2%试样就下降了42.5%，这是两围压下应力变化典型差异。

图3 肪渗纤维含量影响下混凝土轴向应变-应力-环向应变关系

从变形特征来看，在相同围压下，低肪渗纤维含量试样的线弹性模量更大。围压10 MPa 下纤维含量为2%试样线弹性模量为445.35 MPa，而纤维含量为6%、8%试样的线弹性模量相比前者分别降低了11.8%、35.8%。围压10 MPa 下，纤维含量增大2%，线弹性模量平均下降15.9%。同样，在围压20 MPa下线弹性模量与纤维含量关系特征基本类似，整体上围压20 MPa 下线弹性模量要高于10 MPa 围压，在相同纤维含量6%试样中两者相差6.3%，而围压20 MPa 下纤维含量增大2%，线弹性模量平均下降29.3%。对比各纤维含量试样峰值轴向应变、环向应变可知，在同一围压下基本一致，围压10、20 MPa下峰值轴向应变分别为0.58%、0.6%，对应的环向应变分别为0.3%、0.4%（负方向），表明肪渗纤维成分存在不影响混凝土峰值变形参数，仅改变混凝土线弹性变形阶段模量参数。

2.2 强度特征

根据力学特征数据处理后可获得三轴抗压强度与肪渗纤维含量关系，如图4 所示。从图4 可知，肪渗纤维含量与混凝土强度为负相关，且两者具有二次函数关系。围压10 MPa 下纤维含量为2%时，三轴抗压强度为156.88 MPa，而纤维含量为4%、8%、10%的试样强度相比前者分别降低了4.1%、14.3%、30.4%，强度降幅为递增态势。在纤维含量2%~6%时，纤维含量差异2%，强度平均损失3.3%；而在纤维含量6%~10%时，强度损失幅度达13.8%，即纤维含量应控制在合理区间，在确保防渗等级基础上，不损失混凝土承载性能。围压20 MPa 下强度与纤维含量关系基本与低围压下类似，且亦是在纤维含量6%后强度出现较大幅度下降，在纤维含量6%前、后区间内，强度平均降低6.2%、16.8%。综合分析认为，为确保河道堤坝防渗性与加高后稳定性，以纤维含量6%作为目标设计参数更佳。

图4 三轴抗压强度与肪渗纤维含量关系

3 尺寸效应对混凝土力学影响

3.1 应力应变特征

根据不同试样高度尺寸参数差异下混凝土试验，获得尺寸效应影响下混凝土应力应变曲线，如图5 所示。根据图5 应力特征可知，在相同围压下，试样高度愈大，则混凝土加载应力愈小，围压10 MPa时，高度100 mm 试样在应变1%时加载应力为114.5 MPa，而高度150、250 mm 试样相同应变下加载应变较前者分别下降了7.1%、15.5%，即试样高度愈大，愈限制混凝土承载应力水平。笔者认为，尺寸效应与混凝土颗粒矿物以及承载截面积有关，试样高度增大，试样裂纹扩展延伸在较大高度上进展较快，对试样承载应力是一种削弱，高度愈大，对试样裂纹的抑制以及微裂纹破裂的产生均无显著作用，因而呈现混凝土尺寸效应。围压20 MPa 后，混凝土仍具有显著尺寸效应，但在相同应变1%下高度150、250 mm 试样相同应变下加载应变较高度100 mm 试样分别下降了9.3%、20.4%，表明围压增大后尺寸效应更为显著。为确保堤坝加固防渗后稳定性，应根据合适尺寸适配相应的混凝土，尽可能选择高度低的混凝土，以减少尺寸效应引起的承载性能削弱现象。

图5 尺寸效应影响下混凝土应力应变关系

尽管混凝土尺寸效应影响了加载应力，但相同围压下，各试样高度下混凝土线弹性模量基本相近，围压10 MPa下防渗混凝土线弹性模量稳定在243.5 MPa，围压20 MPa 下混凝土线弹性模量增大了63.7%，达398.7 MPa；不同高度试样仅在接近峰值应力时，才具有显著变形特征差异性，且各试样峰值应变基本保持一致，围压10、20 MPa 下分别为1.2%、1.1%，表明尺寸效应在混凝土线弹性变形阶段影响较弱，主要影响体现在屈服变形阶段。

3.2 强度特征

同理，对尺寸效应中混凝土力学数据处理，获得尺寸效应影响下混凝土三轴抗压强度变化特征，如图6所示。从图6可知，混凝土强度随试样高度增加呈递减关系，且在各高度方案间降幅基本稳定，围压10 MPa 下高度150、250、300 mm 试样强度相比高度100 mm 下降了0.1%、16.5%、26%，各高度方案间强度降幅平均为7.2%。当围压增大至20 MPa 后，相同高度下试样强度有所增长，高度150 mm试样围压20 MPa 下强度比围压10 MPa 下增大了22.3%，各方案中围压效应促进强度增长幅度约为19.5%~25.8%。围压20 MPa下尺寸效应引起的强度平均降幅为10.3%，表明围压增大后，尺寸效应引起的强度损耗更为显著，故围压效应有促进尺寸效应发展的作用[15，16]。从工程设计应用角度考虑，在高围压工程环境下，应着重控制试样尺寸差异，减少不同试样高度联合承载，确保试样高度整体一致，降低混凝土承载能力受尺寸效应影响。

图6 三轴抗压强度与尺寸效应关系

4 结论

（1）肪渗纤维含量愈高，混凝土强度愈低，两者具有二次函数关系，且降幅递增，围压10 MPa 下纤维含量2%~6% 与6%~10% 相比强度平均损耗3.3%、13.8%；肪渗纤维不影响混凝土峰值变形参数，但可抑制线弹性模量参数，围压20 MPa 下纤维含量增大2%，线弹性模量降幅为29.3%。

（2）混凝土强度随高度增大为递减关系，高度增长50 mm 下强度降幅较为稳定，围压10 MPa 下平均为7.2%，围压20、10 MPa 下各高度试样强度差距为19.5%~25.8%，围压有促进尺寸效应发展作用；尺寸效应对混凝土线弹性变形阶段影响较弱，线弹性模量保持一致，主要影响在屈服塑性变形阶段。

（3）综合认为肪渗纤维含量为6%，选择尺寸差异较小的混凝土进行承载适配，工程防渗性、承载能力均为最佳。