順坡向壓力荷載作用下擠壓邊墻的破碎研究

彭兆軒，王瑞駿，程金標，張 帥，李 陽

(1.西安理工大學水利水電學院，陜西西安710048；2.浙江省水利水電技術咨詢中心，浙江杭州310020)

0 引 言

混凝土擠壓邊墻施工技術是一種混凝土面板堆石壩上游坡面施工的新技術[1]。1999年巴西埃塔面板堆石壩首次運用了擠壓邊墻技術，因其代替了傳統工藝中墊層料的超填、削坡、修整、碾壓等工序，加快了施工進度，施工質量得到了保證和提高[2，3]，隨后其他國家在興建面板混凝土堆石壩中逐漸采用該項技術[4]。

隨著擠壓邊墻施工技術的不斷發展與運用，眾多學者對擠壓邊墻進行了研究。周偉等[5]研究了擠壓邊墻對面板的應力作用及面板的裂縫成因；石成名等[6]利用地質雷達檢測技術對擠壓邊墻的脫空情況進行了檢查；趙新瑞等[7]對擠壓邊墻表面進行了變形分析；羅先啟等[8]研究了擠壓邊墻對面板的應

表1 面板混凝土配合比

力應變影響；Yalin Arici[9]進行了地震荷載作用下擠壓邊墻對混凝土面板性能的研究；張建明等[10]提出并論證了擠壓邊墻概化數值模型的合理性和適用性；陳洪天等[11]研究發現擠壓邊墻不是混凝土面板產生裂縫的主要原因，且其施工方法不會導致面板應力的惡化。但對于擠壓邊墻在順坡向壓力荷載作用下的裂縫發展和破碎機理尚未有人進行研究，因此進行順坡向壓力荷載作用下擠壓邊墻壓裂破碎機理試驗研究很有必要。

1 試驗準備

1.1 試驗設備與試驗材料

試驗采用大型DTD-2000KN動靜三軸試驗儀，試樣尺寸為150 mm×450 mm(直徑×高)。依據DL/T5422—2009《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻混凝土試驗規程》以及相關文獻[12-21]，并參照某實際工程，確定面板混凝土和擠壓邊墻混凝土配合比如表1、表2所示。

表2 擠壓邊墻混凝土配合比

考慮試件的縮尺效應，面板混凝土粗骨料選用最大粒徑為20 mm的卵石，擠壓邊墻混凝土選用最大粒徑為10 mm的人工碎石，墊層料選用最大粒徑為5 mm的級配良好的砂石料。

1.2 試驗設計

1.2.1 試驗原理

擠壓邊墻的上游是混凝土面板，下游是壓實后的墊層料以及堆石體，擠壓邊墻處于混凝土面板與墊層料之間。上部的壩體自重以及水的重力等都會對下部的擠壓邊墻產生一個順坡向的壓力荷載，這個荷載是長期存在的，并且隨水位的升高，順坡向壓力荷載會逐漸增大，并且擠壓邊墻受到墊層料的約束不能自由變形。

結合實際工程中擠壓邊墻的特征與目前現有的試驗條件，決定采用大型三軸試驗儀來模擬擠壓邊墻的受力狀態以及結構特征，揭示擠壓邊墻在順坡向壓力荷載下的壓裂破碎規律，即模擬擠壓邊墻處于上游面板和下游墊層料之間、擠壓邊墻自身分層疊加、與面板以平面接觸、與墊層料以齒狀接觸的特殊結構以及周圍存在一定的圍壓，順坡向壓力荷載不斷增大的受力狀態。由于三軸儀試件只能是圓柱體，所以用橫斷面為弧形的混凝土面板模擬實際工程中的混凝土面板，弧形面板最大厚度為45 mm，高度為450 mm，如圖1a所示。待擠壓邊墻試件達到試驗齡期后從養護箱中取出，分層疊加、緊密靠在面板側，其他部位填最大粒徑為5 mm的砂礫石模擬墊層料，并用鋼筋插搗密實，運用三軸儀施加圍壓和順坡向壓力荷載，其內部結構與受力狀態如圖1b所示，其中，a為弧形面板，b為擠壓邊墻，c為墊層料，σ1為主壓，σ2為圍壓。

圖1 擠壓邊墻混凝土試件示意

1.2.2 試驗步驟

(1)試驗前的準備。包括模具的設計與制作、試驗材料的選擇與制樣以及試件的養護等。

(2)試驗階段。將養護好的試件取出，先把透水板與混凝土面板依次放置在三軸儀試驗工作臺上，并套上熱縮套，固定其下端與底座，用PVC膠帶使之緊密貼合；接著把擠壓邊墻按照一定的順序放入熱縮套內，在此過程中要不斷的添加墊層料并用鋼筋插搗密實，否則將會使邊墻受力不均，從而造成偏差[22]；然后放置上壓頭，用PVC膠帶使熱縮套與上壓頭完全密封；最后安裝傳感器，經過調試后，利用小車將其送入壓力室開始試驗。

(3)試驗后的處理。對試驗所得數據及時保存，清理試驗設備。

在該試驗中主要考慮邊墻的3種搭接長度，即10、15、20 cm；3種圍壓，即0.5、1、1.5 MPa；3種配合比，即A、B、C。

2 試驗結果分析

在進行了大量試驗的基礎上，得到了大量的試驗數據和裂縫發生、發展以及擠壓邊墻破碎的圖片，經過比對分析后，本文列舉有代表性的典型試驗數據，運用分類對比法分析試驗數據呈現出的規律。

通過大型三軸試驗可以得出如下結果：①擠壓邊墻在順坡向壓力荷載作用下隨著順坡向壓力荷載的逐漸增大，會被逐漸壓裂破壞，但不會被徹底壓碎成為墊層的一部分；②擠壓邊墻在順坡向壓力荷載逐漸增大的過程中，當壓力荷載增大到某一值時，第1條裂縫出現在擠壓邊墻搭接部位附近，方向近似垂直面板；③隨著壓力的進一步增大，裂縫由兩側向中間發展直至將整個試件貫穿，同時由2個試件接觸部位向中間厚度較大處發展，最終整個試件被破壞，所有裂縫大致平行。

2.1 搭接長度對試驗結果的影響分析

搭接長度為10、15、20 cm的擠壓邊墻出現裂縫時的壓力如表3所示。3種搭接長度的擠壓邊墻最終破壞狀態相同，會被壓裂破壞但是不會被徹底壓碎成為墊層料的一部分，被壓裂破壞的順坡向壓力約為5.2 MPa。由試驗結果和表3可知，擠壓邊墻之間的搭接長度在順坡向壓力荷載作用下不會影響擠壓邊墻的最終破壞形態，但是對裂縫起裂時的荷載大小有影響，搭接長度越大，裂縫起裂以及迅速發展增多時所需要的順坡向壓力就越大。

表3 不同搭接長度的擠壓邊墻試件出現裂縫時的壓力

2.2 圍壓對試驗結果的影響分析

受到不同圍壓的擠壓邊墻在順坡向壓力荷載作用下，面板出現不同程度裂縫的壓力如表4所示。由表4可知，不同圍壓對擠壓邊墻在順坡向壓力荷載作用下的最終破壞沒有影響，但是對裂縫起裂時的荷載大小有影響，圍壓越大，裂縫起裂以及迅速發展時所需要的順坡向壓力荷載都越大。

表4 不同圍壓下擠壓邊墻試件出現裂縫時的壓力 MPa

2.3 配合比對試驗結果的影響分析

不同配合比的擠壓邊墻試件出現裂縫時的壓力如表5所示，根據試驗結果和表5可知：①在順坡向壓力荷載作用下，擠壓邊墻會被壓裂破壞但是并不會被徹底壓碎；②擠壓邊墻配合比由A至C(即水膠比減小時)，三軸試驗試件抗壓強度沒有顯著變化，這是因為混凝土面板的存在，面板混凝土的彈性模量遠遠大于擠壓邊墻和墊層料，不易被壓縮，相同的壓力下面板混凝土的變形量遠遠小于擠壓邊墻和墊層料，當壓力達到某一值時，壓力只由面板承受，而面板的最大厚高比為1∶10，容易被破壞而導致試驗停止，這與實際工程中面板不會被順坡向的壓力壓壞的情況吻合；③擠壓邊墻在順坡向壓力荷載作用下被壓裂，起裂位置為擠壓邊墻之間的搭接部位，而不是深入墊層料的齒狀結構處，裂縫方向大致垂直混凝土面板，當壓力進一步增大，裂縫持續發展，所有裂縫幾乎平行，直至將整個試件貫通；④隨著水膠比的減小，擠壓邊墻在順坡向壓力荷載作用下起裂以及裂縫發展所需要的順坡向壓力更大。

表5 不同配合比的擠壓邊墻試件出現裂縫時的壓力 MPa

3 結 語

(1)擠壓邊墻在順坡向壓力荷載逐漸增大的過程中，第1條裂縫出現在擠壓邊墻搭接部位附近，方向近似垂直面板；隨著順坡向壓力的進一步增大，裂縫由擠壓邊墻兩側向中間部位發展直至將整個試件貫穿，裂縫同時由2個試件搭接部位向中間厚度較大的部位發展，最終導致整個試件被破壞，所有裂縫大致平行；邊墻逐漸壓裂破壞，但是不會被徹底壓碎成為墊層的一部分。

(2)擠壓邊墻的水膠比對其在順坡向壓力荷載作用下被壓裂破壞的影響可以忽略，但是水膠比越小，裂縫起裂以及發展所需要的壓力越大。

(3)擠壓邊墻之間的搭接長度和圍壓對于其最終破壞沒有影響，但是對于擠壓邊墻起裂以及裂縫的發展有影響，搭接長度越大，圍壓越大，裂縫起裂以及發展所需要的壓力越大。

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