碾壓混凝土壓剪強度分析

宋玉普，聞 偉，王懷亮

(1.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連116024；2.大連大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧大連116622)

0 引 言

20世紀80年代初，中國開始進行碾壓混凝土筑壩技術(shù)的研究。相對于傳統(tǒng)的混凝土施工技術(shù)，碾壓混凝土筑壩技術(shù)具有施工快、水泥用量少、工程質(zhì)量可靠度高、工藝簡單、機械化程度高、工程造價低等特點，具有巨大的經(jīng)濟效益[1-3]。

在碾壓混凝土壩體內(nèi)，不同體量區(qū)域所處的應(yīng)力狀態(tài)也有很大差別，在局部會出現(xiàn)二維甚至三維復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)，一般處于此受力狀況的碾壓混凝土都比較危險，此時使用單軸拉、壓、剪強度理論設(shè)計和驗算得到的結(jié)果與工程實際受力情況有很大差異。因此，為了滿足工程實際的需要，有必要對碾壓混凝土進行復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下性能的理論探索和研究。

經(jīng)過三十多年的研究，碾壓混凝土工程技術(shù)和理論取得了長足的發(fā)展。林長農(nóng)等[4]研究了不同層面類型和本體碾壓混凝土的抗剪、抗壓、劈拉、拉伸及抗?jié)B性能，通過比較論證了使用水泥砂漿作為層面處理材料的可行性；王懷亮等[5]對兩種級配的本體、層面碾壓混凝土進行了單軸拉壓應(yīng)力下的動態(tài)試驗，得出了在不同應(yīng)變速率下碾壓混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€及其表達式，為開展碾壓混凝土壩的地震響應(yīng)分析打下了基礎(chǔ)。王懷亮、宋玉普[6-7]對碾壓混凝土在側(cè)向應(yīng)力下的多軸剪切作用進行過試驗分析，建立了不同應(yīng)力狀況下的抗剪強度破壞準(zhǔn)則。

目前對碾壓混凝土的研究大多集中在單軸拉、壓、剪受力狀況下，對其在多軸復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的強度及變形性能的分析比較少，沒有對大骨料三級配碾壓混凝土壓剪作用的分析。本文僅就兩種級配碾壓混凝土雙軸壓剪受力狀態(tài)進行研究，通過單剪和雙軸壓剪試驗，得到三級配本體、含層面試件和二級配本體、含層面試件的強度關(guān)系。研究工作對工程實踐具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試件制作

本試驗采用三級配和二級配兩種混凝土材料(配合比見表1、表2)。由于常用碾壓混凝土中二級配和三級配混凝土的最大骨料粒徑通常分別為40 mm和80 mm，根據(jù)試件尺寸應(yīng)不小于最大骨料粒徑三倍的要求，二級配混凝土試件尺寸采用150 mm×150mm×150 mm，三級配混凝土試件尺寸采用250 mm×250 mm×250 mm[3]。其中，每種配合比試件又分為含層面碾壓混凝土和本體碾壓混凝土兩種類型。本體碾壓混凝土試件一次澆筑完成；而含層面碾壓混凝土分兩次澆筑，先將下半部分澆筑、碾壓成型，間隔6 h～8 h后，對澆筑面作鑿毛處理并鋪上一層約1 cm厚粉煤灰水泥砂漿(配合比見表3)，再澆筑、碾壓上半部分。根據(jù)《水工碾壓混凝土試驗規(guī)程》[8]的相關(guān)規(guī)定，試驗采用平板振搗器法。振搗器振幅為0.8 mm±0.1 mm，頻率約為47 Hz。

實驗采用普通自來水，水泥為R32.5硅酸鹽水泥，其他材料還包括:天然河砂、三級配石灰?guī)r碎石粗骨料、國家Ⅱ級粉煤灰、大連建筑科學(xué)研究院出品的DK-5高效減水劑。試件采用鋼模成型，養(yǎng)護48 h后拆模，拆模后在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護28 d，實驗用試件齡期為90 d～100 d。

表1 三級配混凝土配合比

表2 二級配混凝土配合比

表3 砂漿配合比 單位:kg/m3

1.2 試驗方法

實驗設(shè)備采用靜動三軸液壓伺服系統(tǒng)。在壓剪試驗中，壓應(yīng)力垂直于澆筑面，剪力方向與澆筑面平行并與施工層面對中。為了減小加壓板與試件之間的摩擦力，在它們中間放置減摩層，減摩層由三層聚乙烯塑料薄膜夾涂硫化鉬油膏制成，以達到降低端部約束的效果。試驗前，先使用打磨機去掉受壓表面的薄弱灰漿層，并使其平整，以保證兩個承壓面平行。在試驗系統(tǒng)加壓方向加載頭上安裝加壓板，通過加壓板對試件施加壓應(yīng)力；同時在剪切方向加載頭上安置剪切加載板，通過其施加剪切力。試驗機上帶有荷載和位移的測量、采集系統(tǒng)，并能自行處理和存儲試驗數(shù)據(jù)。

試驗采用定側(cè)壓加載方式，即先將壓應(yīng)力加載到一個定值，保持恒定，然后再加載剪切力，直至試件破壞。壓應(yīng)力選用5個水平值，分別為0 MPa、1 MPa、2MPa、3MPa、6MPa，每個壓應(yīng)力水平取 5 個試件進行試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)

二級配和三級配碾壓混凝土的破壞特征相似，試件破壞截面與剪應(yīng)力方向基本平行，說明試件主要是在剪切變形達到極限狀態(tài)下破壞的，屬剪斷型破壞。如圖1中所示，含層面試件基本都沿砂漿層面破壞，破壞面比較平整，而本體試件的破壞截面相對較粗糙、凹凸不整。隨著側(cè)壓應(yīng)力的增大，破壞時試件沿壓應(yīng)力方向出現(xiàn)斜裂縫(如圖2)，且斜裂縫數(shù)量逐漸增多，裂縫寬度增大。說明隨側(cè)壓應(yīng)力不斷增大，試件的受壓破壞特征越來越顯著。

圖1 含層面和本體單剪破壞截面對比

圖2 二級配含層面不同側(cè)壓應(yīng)力下剪切破壞效果

2.2 剪切強度

由試驗結(jié)果換算得到的試件平均剪切強度見表4(剪應(yīng)力為正、壓應(yīng)力為負)。

表4 各壓應(yīng)力狀態(tài)下碾壓混凝土平均剪切強度

從表4可知:各壓應(yīng)力水平下，二級配碾壓混凝土剪切強度比三級配碾壓混凝土剪切強度高，本體剪切強度比含層面剪切強度高。就單剪加載來說，三級配和二級配含層面試件剪切強度比本體分別降低24%和17%；三級配本體比二級配本體剪切強度降低 11%；三級配含層面比二級配含層面降低18%。在壓剪情況下，三級配和二級配含層面試件比本體剪切強度分別降低18%～12%和 12%～5%；三級配本體比二級配降低12%～1%；三級配含層面比二級配降低17%～8%；并且隨壓應(yīng)力的增大，各種試件之間平均剪切強度值的差異幅度都有逐漸縮小的趨勢。由以上分析可知:施工層面顯著削弱了碾壓混凝土平行層面方向的抗剪能力；三級配試件比相應(yīng)的二級配試件抗剪強度低，反映了尺寸效應(yīng)對碾壓混凝土抗剪性能的影響[9]；隨側(cè)壓應(yīng)力的增大，尺寸效應(yīng)和澆筑層面削弱對碾壓混凝土剪切強度的影響逐漸降低。

最后，對比單剪和最大壓應(yīng)力狀態(tài)下剪切強度得:各類型碾壓混凝土試件中，6 MPa側(cè)壓應(yīng)力平均剪切強度為單剪強度的3.10～3.99倍，側(cè)壓應(yīng)力顯著提高了碾壓混凝土的剪切強度。在低側(cè)壓應(yīng)力條件下，壓應(yīng)力增大了碾壓混凝土材料之間的摩擦作用，降低了材料內(nèi)部裂縫的發(fā)展速度，從而提高了材料的抗剪強度；并且側(cè)壓應(yīng)力越大，摩擦作用越大，材料抗剪強度也越高。

由表4中數(shù)據(jù)，對各型試件的側(cè)壓應(yīng)力和平均剪切強度進行回歸分析，可得到剪切強度τ與壓應(yīng)力σ之間的關(guān)系

式中:μ表示摩擦系數(shù)；c表示粘聚力(MPa)。各型試件的回歸分析表達式為

式中:r為各表達式的相關(guān)系數(shù)。由公式可知，碾壓混凝土本體的粘聚力比含層面的大，二級配碾壓混凝土的粘聚力比相應(yīng)的三級配的大。

3 雙剪強度理論分析

實驗選用雙剪強度理論對數(shù)據(jù)作進一步的分析，以方便我們更好地理解混凝土材料的破壞特性。其大致涵義為:當(dāng)單元體上較大剪切應(yīng)力和正應(yīng)力構(gòu)成的影響函數(shù)(F1，F(xiàn)2)達到一定限值時，材料發(fā)生破壞[10]。壓剪試驗的雙剪強度方程可寫成如下形式[11]

其中:τ是壓剪強度；σ是側(cè)壓應(yīng)力；C是材料強度系數(shù)；β為壓應(yīng)力影響系數(shù)。

采用表4中的試驗數(shù)據(jù)，通過雙剪強度方程擬合可以得到各類型試件的參數(shù) β和C(見表5)。

表5 各類型試件雙剪強度系數(shù)回歸值

圖3、圖4是由雙剪強度理論回歸分析得到的壓剪強度曲線與實測數(shù)據(jù)的對比圖。

圖3 三級配本體和含層面數(shù)據(jù)及曲線對比

圖4 二級配本體和含層面數(shù)據(jù)及曲線對比

從圖3、圖4中可以看出，各曲線與實驗實測數(shù)據(jù)比較接近，能夠基本吻合；各本體壓剪強度要大于相應(yīng)含層面的壓剪強度。綜上所述，說明雙剪強度理論能夠真實地反映壓剪破壞強度規(guī)律。

由于機器設(shè)備、操縱習(xí)慣等對試驗的影響，部分數(shù)據(jù)(如單剪強度)與理論值有一定的差異，因此相關(guān)實驗應(yīng)該注意對試驗設(shè)備、方案及步驟等的完善和改進。同時，受實驗條件所限，暫時未進行拉剪破壞試驗的研究，所以無法由雙剪強度理論得到壓(拉)剪破壞強度完整曲線，此處還待后續(xù)研究。

4 結(jié) 論

(1)施工層面顯著削弱了碾壓混凝土平行層面方向的抗剪能力，在工程實踐中要注意考慮層面對材料抗剪強度的影響。三級配試件比相應(yīng)的二級配試件抗剪強度更低，反映尺寸效應(yīng)對碾壓混凝土抗剪性能的影響。

(2)隨側(cè)壓應(yīng)力的增大，尺寸效應(yīng)和澆筑層面對碾壓混凝土剪切強度的影響會逐漸降低。側(cè)壓應(yīng)力能顯著提高碾壓混凝土的抗剪強度，并且較低壓應(yīng)力情況下，側(cè)壓應(yīng)力越大，材料抗剪強度也越高，因此其對剪切作用是有益的。

(3)通過雙剪強度理論計算出的壓剪強度曲線與試驗實測數(shù)據(jù)接近，能夠較好地吻合；同時，曲線顯示各本體試件壓剪強度大于相應(yīng)含層面試件壓剪強度。雙剪強度理論能夠真實地反映壓剪破壞強度規(guī)律。

[1]李傳章.碾壓混凝土研究及其發(fā)展[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2011，(8):135-136.

[2]Kenneth DH.Roller compacted concrete:a civil engineering innovation concrete[J].International Design&Construction，1996，18(3):25-31.

[3]李建偉，苗隆德，王國強，等.混凝土面墻技術(shù)在碾壓混凝土重力壩中的應(yīng)用[J].水利與建筑工程學(xué)報，2008，6(3):98-100.

[4]林長農(nóng)，金雙全，涂傳林.龍灘有層面碾壓混凝土的試驗研究[J].水力發(fā)電學(xué)報，2001，20(3):117-129.

[5]王懷亮，聞 偉.碾壓混凝土單軸動態(tài)力學(xué)性能研究[J].水力發(fā)電學(xué)報 ，2011 ，30(4):155-160.

[6]王懷亮，宋玉普.雙軸復(fù)合應(yīng)力作用下碾壓混凝土特性的試驗研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2010，32(14):115-119.

[7]王懷亮，宋玉普.多軸應(yīng)力條件下碾壓混凝土層面抗剪強度試驗研究[J].水利學(xué)報，2011，42(9):1095-1101.

[8]中國水利水電科學(xué)研究院.DL/T 5433-2009.水工碾壓混凝土試驗規(guī)程[S].北京:中國電力出版社，2009.

[9]屈彥玲，彭一江，杜立峰.碾壓混凝土試件抗剪強度尺寸效應(yīng)的數(shù)值模擬[J].水利與建筑工程學(xué)報，2007，5(3):22-24.

[10]郭艷華，劉建紅，李志業(yè).鋼纖維混凝土壓剪破壞研究[J].建筑材料學(xué)報，2008，11(2):152-156.

[11]俞茂宏.混凝土強度理論及其應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社，2002.