輸水工程中襯砌材料混凝土力學(xué)與抗?jié)B性影響試驗(yàn)研究

王 鵬，華 中，常 哲，陳 晶，王 曉

（淮安市淮河水利建設(shè)工程有限公司，江蘇 漣水 223400）

水利工程中混凝土材料應(yīng)用面較廣，包括水利大壩[1]、泵站工程[2]以及輸水渠道[3]等水工建筑在內(nèi)，對(duì)水工結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有舉足輕重作用。開(kāi)展混凝土材料的力學(xué)特征分析，對(duì)推動(dòng)水利材料應(yīng)用水平提高具有重要意義；此外，混凝土材料的抗?jié)B性亦是工程必須考慮的因素[4，5]，綜合混凝土的力學(xué)特征與滲透特性分析，工程安全設(shè)計(jì)才具有系統(tǒng)全面性。曹明偉[6]、朱小磊等[7]、劉璇等[8]根據(jù)混凝土材料的顆粒流特征，利用離散元仿真計(jì)算手段，建立顆粒流模型，設(shè)計(jì)開(kāi)展了不同參數(shù)、不同配合比因素以及尺寸效應(yīng)等影響下的力學(xué)特征試驗(yàn)。顆粒流仿真計(jì)算雖效率較高，但計(jì)算結(jié)果有時(shí)過(guò)于理想化，因此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)混凝土工程進(jìn)行監(jiān)測(cè)或?qū)炷潦┕みM(jìn)行全方位、全周期監(jiān)測(cè)分析，進(jìn)而預(yù)判工程失穩(wěn)前兆，具有實(shí)際意義[9，10]。通過(guò)精密室內(nèi)儀器，設(shè)計(jì)開(kāi)展相應(yīng)的力學(xué)加載與滲透等試驗(yàn)，針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果開(kāi)展細(xì)致分析，可獲得配合比參數(shù)、試驗(yàn)條件等因素影響下的混凝土力學(xué)變化特征[11-13]，為工程建設(shè)提供參考。本文根據(jù)蘇北擬建二級(jí)支渠U形防滲混凝土襯砌材料應(yīng)用環(huán)境，考慮摻棉稈纖維含量對(duì)力學(xué)及滲透特性的耦合影響，為設(shè)計(jì)確定最優(yōu)含量提供相應(yīng)試驗(yàn)佐證。

1 試驗(yàn)概況

1.1 工程背景

為提升蘇北地區(qū)水資源調(diào)度能力，擬修建一輸水灌渠，服務(wù)地區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水，并起到防洪排澇作用。輸水工程設(shè)計(jì)全長(zhǎng)66 km，在原有蘇北灌渠基礎(chǔ)上延伸，使蘇北水資源調(diào)度系統(tǒng)更具整體性，并兼顧多方面用水需求。該渠道是二線(xiàn)支渠，渠首設(shè)計(jì)流量較低，為0.5 m3/s，渠道寬度1.2～1.6 m，邊坡坡度1/4～1/3，根據(jù)靜力穩(wěn)定性初步估算，渠坡抗傾覆、抗滑移系數(shù)均高于1，地震動(dòng)力工況模擬計(jì)算下加速度響應(yīng)最大值低于1.5 m/s2，最大應(yīng)力響應(yīng)值出現(xiàn)在樁號(hào)K1+125—K1+210 區(qū)段內(nèi)，灌渠整體靜、動(dòng)力穩(wěn)定性較佳。為更好調(diào)度水資源，渠道設(shè)置12 座中小型水閘設(shè)施，最大設(shè)計(jì)流量128 m3/s，閘室基礎(chǔ)防滲性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均較好。經(jīng)驗(yàn)算，閘室結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力約1.4 MPa、壓應(yīng)力低于15 MPa，均出現(xiàn)在閘室底板。每座水閘均設(shè)置有擋土墻設(shè)施，厚度約1.5 m，確保渠坡土壓力不對(duì)水閘運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生較大影響。渠道均采用U 形防滲砌塊作為主要襯砌材料。該材料是在普通混凝土配合比基礎(chǔ)上添加天然棉稈纖維形成的，以提升抗?jié)B性。普通C30 混凝土抗?jié)B等級(jí)約為P8，此類(lèi)摻棉稈纖維的防滲混凝土抗?jié)B等級(jí)最大可達(dá)P14，防滲性能較佳。但不能忽視的是，加入棉稈纖維后，在渠道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中靜、動(dòng)力荷載作用下，混凝土應(yīng)力安全會(huì)受到影響，所以探討棉稈纖維最佳含量很有必要。根據(jù)設(shè)計(jì)，全渠道上靜水壓力最大可達(dá)6.8 MPa，自重沉降變形最大約3～4 mm，最大拉應(yīng)力應(yīng)控制在1.3～1.4 MPa。就淮安擬建二級(jí)輸水灌渠支渠U形混凝土砌塊開(kāi)展力學(xué)與滲透特性分析，為工程材料配合比設(shè)計(jì)等提供基礎(chǔ)佐證。

1.2 試驗(yàn)介紹

試驗(yàn)采用CTR-YAW3000型混凝土材料力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)控制設(shè)備，如圖1 所示。系統(tǒng)最大荷載量程800 kN，耦合有液體滲流測(cè)試裝置，最大滲透壓20 MPa，所有荷載傳感器在使用前均已標(biāo)定，精度、誤差均滿(mǎn)足測(cè)試要求。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括外接變形傳感器與內(nèi)置測(cè)量設(shè)備，其中外接變形傳感器主要用于試樣軸向變形與環(huán)向變形測(cè)試，量程分別為-10～10、-15～15 mm；滲透流量測(cè)試裝置密封性較好，全程數(shù)據(jù)測(cè)試均為電測(cè)點(diǎn)，最大誤差不超過(guò)0.1%，數(shù)據(jù)采集間隔為0.5 s。實(shí)時(shí)控制設(shè)備包括液壓加載控制程序以及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理設(shè)備，可在試驗(yàn)全過(guò)程對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)、滲透特征監(jiān)測(cè)，確保試驗(yàn)過(guò)程均處于可控狀態(tài)。

圖1 CTR-YAW3000型混凝土材料力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)主要研究對(duì)象為輸水渠道U形混凝土砌塊材料的力學(xué)與滲透特性，有針對(duì)性開(kāi)展混凝土配合比中棉稈纖維含量的影響性試驗(yàn)。依照砌塊實(shí)際情況，設(shè)計(jì)棉稈纖維含量為3%、6%、9%、12%、15%，三軸滲透壓統(tǒng)一設(shè)定為1 MPa，滲透測(cè)點(diǎn)均勻分布在三軸加載全過(guò)程中，每個(gè)試樣測(cè)點(diǎn)約10個(gè)，采用瞬態(tài)法測(cè)試混凝土滲透率，圍壓設(shè)定為5、10、15、20 MPa，配合比參數(shù)中僅改變棉稈纖維含量，其他砂率、水膠比等參數(shù)均保持一致，且與主渠道U 形砌塊C35 混凝土配合比參數(shù)一致，所制出樣品均按照室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行精加工、打磨，試驗(yàn)前放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h，所有試樣均為圓柱形，直徑、高度均為50/100mm。各組具體試驗(yàn)參數(shù)，詳見(jiàn)表1。

表1 各組試樣試驗(yàn)參數(shù)

2 混凝土力學(xué)特征分析

2.1 圍壓影響

根據(jù)不同圍壓下混凝土力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得圍壓影響下混凝土應(yīng)力應(yīng)變特征，如圖2所示。

圖2 圍壓影響下混凝土應(yīng)力應(yīng)變特征

從圖2 可知，圍壓愈大，混凝土試樣承載應(yīng)力水平愈高，棉稈纖維含量3%試驗(yàn)組中，圍壓5 MPa 下峰值應(yīng)力為52.4 MPa，而圍壓10、20 MPa 下峰值應(yīng)力較前者分別上升了69.3%、2.53 倍，整體上看圍壓提升5 MPa，可促進(jìn)峰值應(yīng)力提升約53.1%。當(dāng)混凝土配合比中棉稈纖維含量增大至12%后，圍壓對(duì)試樣依然具有強(qiáng)力促進(jìn)效應(yīng)，雖整體上加載應(yīng)力水平低于含量3%試驗(yàn)組，但圍壓每增大5 MPa，混凝土試樣峰值應(yīng)力增幅依然可達(dá)到50.6%，表明棉稈纖維成分增加雖可削弱混凝土試樣整體承載應(yīng)力水平，但圍壓對(duì)混凝土強(qiáng)度促進(jìn)效應(yīng)并不受其影響。從變形特征變化可看出，圍壓愈大試樣變形模量愈大。以線(xiàn)彈性模量為例，在棉稈纖維含量3%、圍壓5 MPa 下的試樣線(xiàn)彈性模量為161.8 MPa，而同一試驗(yàn)組中圍壓10、20 MPa 試樣的線(xiàn)彈性模量較前者分別上升了40.6%、132.3%，表明圍壓可提升混凝土線(xiàn)彈性變形能力，這與圍壓可限制裂紋擴(kuò)展的作用有關(guān)，宏觀大裂紋延伸受限，對(duì)其內(nèi)部線(xiàn)彈性變形具有一定促進(jìn)作用。對(duì)比不同圍壓試樣的峰值應(yīng)變可知，在圖2（b）中圍壓5～20 MPa 下的4 個(gè)試樣峰值應(yīng)變分別為0.42%、0.51%、0.64%、0.77%，即圍壓可提升混凝土峰值應(yīng)變參數(shù)。總之，圍壓對(duì)混凝土力學(xué)特征均具有促進(jìn)效應(yīng)，輸水灌渠工程設(shè)計(jì)襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)考慮不同靜水壓力工況下U形混凝土砌塊的力學(xué)穩(wěn)定性，配置相應(yīng)含量的摻棉稈纖維砌塊。

2.2 棉稈纖維含量影響

對(duì)不同棉稈纖維含量混凝土試樣力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得棉稈纖維含量影響下混凝土應(yīng)力應(yīng)變特征，如圖3所示。

圖3 棉稈纖維含量影響下混凝土應(yīng)力應(yīng)變特征

從圖3 可知，棉稈纖維含量愈多則加載應(yīng)力水平愈低，圍壓5 MPa下棉稈纖維含量6%試樣的峰值應(yīng)力為55 MPa，而含量9%、15%試樣峰值應(yīng)力較前者分別下降了4.7%、40.1%。圍壓5 MPa 下棉稈纖維含量增加3%，峰值應(yīng)力降低12.7%，且峰值應(yīng)力降幅在纖維含量9%后顯著加大，纖維含量9%試樣相比含量3%、6%試樣峰值應(yīng)力分別降低了9.3%、4.7%，而含量12%、15%試樣峰值應(yīng)力較之含量9%又分別降低了21.2%、37.1%，降幅主要集中在含量9%～15%區(qū)間內(nèi)。圍壓5、20 MPa下纖維含量在3%～9%區(qū)間內(nèi)，平均降幅分別為4.8%、2.9%；而在區(qū)間9%～15%內(nèi)，降幅可達(dá)20.7%、17.9%。由此表明，控制纖維含量在適宜值時(shí)可保證工程設(shè)計(jì)可靠性。

另一方面，纖維含量對(duì)混凝土試樣應(yīng)變特征亦有顯著影響，線(xiàn)彈性模量與纖維含量為負(fù)相關(guān)，圍壓5 MPa 下棉稈纖維含量9%、15%試樣的線(xiàn)彈性模量較含量3%分別下降20.5%、63%，線(xiàn)彈性模量隨纖維含量增長(zhǎng)平均降幅約21%。峰值應(yīng)變隨纖維含量增長(zhǎng)呈增大趨勢(shì)，圍壓20 MPa 下棉稈纖維含量3%、6%、9%、15%試樣的峰值應(yīng)變分別為0.48%、0.55%、0.62%、0.93%，這與棉稈纖維自身較強(qiáng)塑性變形能力有關(guān)，摻入愈多棉稈纖維后其峰值應(yīng)變遞增。

2.3 抗剪特征參數(shù)變化

各試驗(yàn)組中混凝土抗剪特征參數(shù)變化關(guān)系，如圖4所示。從圖4可知，棉稈纖維含量愈高則混凝土的抗剪特征參數(shù)愈小，抗剪特征參數(shù)與棉稈纖維含量具有線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系；棉稈纖維含量3%下粘聚力、內(nèi)摩擦角特征參數(shù)分別為3.6 MPa、65.3°，而含量9%、15%時(shí)粘聚力分別下降8.3%、15%；從整體降幅可知，棉稈纖維含量增大3%，抗剪特征參數(shù)降幅分別為4%、11.6%，以?xún)?nèi)摩擦角參數(shù)變化最為敏感。分析認(rèn)為，棉稈纖維作為一種塑性變形較強(qiáng)、強(qiáng)度較弱的材料，其纖維網(wǎng)具有致密性，但承載性能較差，在混凝土內(nèi)部是軟弱面[14，15]，抗剪特征參數(shù)隨之遞減；在摻有棉稈纖維的混凝土顆粒骨架中，顆粒咬合、摩擦性均會(huì)受棉稈纖維含量影響，而棉稈纖維雖然承載能力較小，但仍具有一定粘結(jié)性，故內(nèi)摩擦角的敏感性變化高于粘聚力參數(shù)。

圖4 混凝土抗剪特征參數(shù)變化關(guān)系

3 混凝土滲透特性分析

在三軸加載全過(guò)程進(jìn)行混凝土滲透率測(cè)試，獲得不同試驗(yàn)圍壓及棉稈纖維含量下的試樣滲透率變化特征，如圖5所示。

圖5 試樣滲透率變化特征

從圖5可知，滲透率在加載過(guò)程中變化呈“降低—陡升—平穩(wěn)”階段性：降低階段主要受混凝土初始荷載壓密影響，內(nèi)部滲透通道閉合，導(dǎo)致滲透率降低，在纖維含量9%試驗(yàn)組中，圍壓10 MPa下該階段滲透率降幅達(dá)92.8%；當(dāng)加載應(yīng)力遞增、超過(guò)最大壓密點(diǎn)后，試樣滲透率升高，此階段與混凝土內(nèi)部損傷裂紋產(chǎn)生有關(guān)，裂紋的延伸有助于滲透通道的形成，進(jìn)而促使?jié)B透率增大[16，17]，同樣纖維含量9%試樣，在圍壓10 MPa下該階段各測(cè)點(diǎn)間最大增幅可達(dá)6 倍；后隨試樣失穩(wěn)破壞，加載過(guò)程進(jìn)入殘余應(yīng)力階段，此時(shí)試樣內(nèi)部滲透通道完全形成，滲透狀態(tài)基本穩(wěn)定，故滲透率變化波動(dòng)幅度較小，最終穩(wěn)定在1.1×10-14m2。

對(duì)比不同圍壓影響下滲透率水平可知，圍壓愈大滲透率愈低，圍壓5、10、20 MPa 下試樣最終滲透率分別穩(wěn)定在 4.78×10-14、1.1×10-14、2.1×10-16m2，彼此間幅度差異最大可達(dá)2 個(gè)量級(jí)，表明圍壓對(duì)滲透率抑制作用較為顯著。而對(duì)比纖維含量對(duì)混凝土滲透率影響可知，棉稈纖維含量與滲透率水平具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，棉稈纖維含量3%試樣在初始測(cè)點(diǎn)滲透率為6.53×10-14m2，而含量9%、15%試樣同一測(cè)點(diǎn)滲透率較前者分別降低了95.8%、100.2%，表明摻加棉稈纖維有利于提升混凝土防滲等級(jí)，棉稈纖維成分的存在可形成一張“防滲網(wǎng)”，確?；炷羶?nèi)部孔隙無(wú)法形成滲透通道，有利于輸水灌渠防滲。從混凝土防滲性與力學(xué)穩(wěn)定性綜合考量，棉稈纖維含量在9%時(shí)，加載全過(guò)程滲透率已基本達(dá)到10-15m2級(jí)別。在追求混凝土防滲性基礎(chǔ)上，同時(shí)確?；炷翉?qiáng)度不致受影響過(guò)大，棉稈纖維含量9%時(shí)更適合于輸水灌渠U形混凝土襯砌材料。

4 結(jié)論

（1）圍壓可促進(jìn)混凝土強(qiáng)度、變形模量、峰值應(yīng)變參數(shù)發(fā)展，在棉稈纖維含量3%、15%下，圍壓增大5 MPa 混凝土強(qiáng)度漲幅約53.1%，而圍壓20 MPa 下相比圍壓5 MPa下線(xiàn)彈性模量增大了132.3%。

（2）棉稈纖維含量愈多，混凝土承載強(qiáng)度與線(xiàn)彈性模量均愈低，但峰值應(yīng)變隨之增大；強(qiáng)度降幅在纖維含量9%后更顯著，圍壓5 MPa下纖維含量在3%～9%、9%～15% 區(qū)間內(nèi)峰值應(yīng)力平均降幅分別為4.8%、20.7%。

（3）抗剪特征參數(shù)與棉稈纖維含量具有線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系，纖維含量增大3%抗剪特征參數(shù)平均降幅分別為4%、11.6%，以?xún)?nèi)摩擦角受棉稈纖維含量影響更為敏感。

（4）加載全過(guò)程混凝土滲透率呈“降低—陡升—平穩(wěn)”變化；圍壓抑制滲透率水平，差幅可達(dá)2 個(gè)量級(jí)；棉稈纖維含量愈多滲透率水平愈低，初始測(cè)點(diǎn)含量9%、15%試樣滲透率較含量3%下分別降低了95.8%、100.2%；綜合混凝土防滲性與力學(xué)穩(wěn)定性，纖維含量9%時(shí)更合理。