瀝青混凝土面板防滲層不同變形性能研究

韓雪東

(肇源縣灌排中心，黑龍江 肇源 166500)

0 前 言

瀝青混凝土面板防滲層是面板的主要防滲體，為傳力結構非承載結構，從應變角度研究瀝青混凝土面板防滲層在不同條件下的變形性能非常重要。文章主要從不同的模型計算角度去分析不同溫度下的拉伸、抗壓、小梁彎曲、圓盤蠕變特性試驗，對求解的最大拉應變進行了驗證，同時比較了不同破壞拉應變之間的關系，得出2℃時采用彈塑性、11和25℃采用線彈性計算小梁彎曲最大彎拉應變、圓盤特性試驗以蠕變模型分析較為合理。

1 緒 論

瀝青混凝土和普通混凝土不同，當外界環境溫度或荷載時長變化時，瀝青混凝土的破壞變形值變化顯著，其作為柔性結構蠕變特性明顯，瀝青混凝土面板堆石壩是采用堆石體表面防滲的壩型，面板受到來自上游水荷載、日照高溫、水流沖刷和氣溫溫差等作用，和堆石體相比，瀝青混凝土面板更符合傳力結構特點，其變形和應變速率決定于基礎結構形變而非自身[1]。因此在水工瀝青混凝土設計中面板參數的主控指標應設定為應變量。

2 圓盤蠕變特性有限元原理

彈性薄板的小撓度理論基本假設：薄板中面彎曲只發生沿中面法線w的撓度，各單元點變形前后基于不同結構均在同一法線，距離恒定。各層結構平行中面，相互獨立，截取圓薄板的微元體如圖1所示[2]。

圖1 在圓薄板上取微元體示意圖

微元體內力分布見圖2：徑向：Mr、Mr+(dMr/dr)dr；周向：Mθ、Mθ；橫向剪力：Qr、Qr+(dQr/dr)dr。

圖2 圓薄板微元體受力分析圖

微體內、外力對圓柱面切線T的力矩代數和為零[3]，平衡方程為：

∑MT=0

(1)

(2)

圓平板在軸對稱載荷下的平衡方程：

(3)

3 蠕變理論在圓盤試驗中應用分析

3.1 2℃時的圓盤初裂應變求解

圓盤試驗時，設定荷載為單一較小水壓力，隨時間變化撓度增加，到圓盤產生結構裂縫或漏水時結束[4]。因上、下接觸面為危險面，文章僅對該部分進行計算分析。2℃的圓盤試驗各參數為p=0.12MPa、h=50mm、μ=0.48、R=250mm，上下表面的徑向、周向應力結果見圖3-圖4。(拉應力為值，壓應力為值)

圖3 2℃圓盤試驗上下表面處的徑向應力分布圖

圖4 周向應力分布圖

求得固支段的剪應力隨高度的分布圖見圖5。

圖5 2℃圓盤試驗固支端剪切應力高度分布圖

圓盤試驗應力值見表1。

表1 圓盤試驗應力值 2℃

靜力部分引起的圓板上部的撓度分布，見圖6；瞬態徑向應變分布圖，見圖7；圓盤試驗應力值，見表2。

表2 圓盤試驗應力值 2℃

圖6 2℃圓盤試驗靜力引起的瞬態撓度分布圖

圖7 瞬態徑向應變分布圖

4 瀝青混凝土面板變形的因素分析

4.1 水荷載的作用

在水荷載作用下，瀝青混凝土面板應變主控指標為拉伸應變來控制設計指標，結果表明：

1)無論是大壩堆石體或岸坡基巖，瀝青混凝土面板的最大拉應變出現在上游壩坡與水庫底部的反弧段位置[5]。

2)面板沿厚度方向的應力應變均勻分布，表明面板狀態單純受拉或受壓，在面板貼坡段受壓，在反弧段受拉。

3)瀝青混泥土面板變形受堆石料材料參數影響顯著，表明其變形主要決定于下臥基礎層的變形。

4.2 不均勻沉陷對面板的影響

不均勻沉降時瀝青混凝土面板應變主控指標為彎曲應變。當壩址區無透鏡體時，壩基覆蓋層材料單一，面板的應變沿厚度方向均勻分布。若壩址區存在不連續土質透鏡體，壩體的基礎沉降造成面板撓度產生突變，此時面板上方受壓，周圍受拉。

4.3 繞壩滲流反向水壓力對面板的影響

當庫水位下降時，若面板下方滲水未排盡，反向水壓力將造成面板鼓包，此時面板應力較低，隨時間效應面板變化為瀝青混凝土蠕變。

4.4 不同變形性能試驗間的比較

圓盤試驗成果驗證標準：2℃時圓盤中心變形撓跨比達到2.5%不漏水，25℃時圓盤中心撓跨比達到10%不漏水。不同試驗強度間的比較，見表3；不同試驗彈性模量間的比較，見圖4，不同試驗最大應變間的比較，見圖5，不同試驗強度間的比較，見圖8，不同試驗彈性模量間的比較，見圖9，不同試驗最大應變間的比較，見圖10。

圖9 不同試驗彈性模量間的比較

圖10 不同試驗最大應變間的比較

表3 不同試驗強度間的比較

表4 不同試驗彈性模量間的比較

表5 不同試驗最大應變間的比較

圖8 不同試驗強度間的比較

從上面的圖中可知，當拉伸、壓縮、彎曲應變速率相同時，試驗溫度升高，直接拉伸強度、抗壓強度、小梁彎曲各強度指數均明顯下降，在2℃到25℃的溫度區間內，瀝青混凝土脆性特性表現明顯。在同一溫度、應變率條件下，直接拉伸的強度小于小梁彎曲的強度，小梁彎曲的強度小于壓縮的強度，拉伸的強度遠小于壓縮的，基本上呈拉壓各異特點。

從彈性模量看，拉伸試驗、抗壓試驗、小梁彎曲速率相同時的彈性模量表現出一定的相似性，基本隨溫度升高而降低，在2℃左右彈性模量很大，高溫25℃的彈性模量很小。就直接拉伸和抗壓而言，結果近似相同，2℃的小梁彎曲彈性模量大于直接拉伸和抗壓。溫度升高后，小梁彎曲的彈性模量逐漸與直接拉伸和、抗壓結果相同。

從應變量結果可知，溫度升高后的圓盤試驗和其他指標應變量呈不同程度的上升，同溫度的圓盤試驗彎拉應變和抗壓結果相似，小梁彎曲應變大于拉伸應變，但絕大部分溫度下的結果是小于圓盤試驗，較高溫度下的小梁彎曲的變形能力大于圓盤試驗。

5 結 論

文章基于瀝青混凝土圓盤蠕變分析原理，通過求解不同溫度的圓盤初裂變應變，得出不同溫度最適宜的研究方法和模型選取，分析比較瀝青混凝土面板防滲層的不同變形性能試驗間的關系，指出試驗指標對工程設計進行控制的指導性，所得結果對于瀝青混凝土壩的防滲面板研究具有一定的參考價值。