淮河河道護坡多尺寸混凝土破壞試驗研究

尹永寶

（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應用面較廣，為水工建筑防滲、加固、襯砌支護等提供重要基礎原材料，研究其力學穩定性對提升水利設計水平具有重要意義[1-3]。離散元是研究混凝土、土體等材料力學特性的重要計算方法，何軍等[4]、朱小磊等[5]、劉璇等[6]開發或利用顆粒流等仿真計算平臺，探討單軸、三軸等模擬工況中混凝土力學特征變化規律，為實際工程應用相關成果提供參考。由于離散元仿真計算過于理想化，一些學者開始探討進行全周期、全維度監控與監測研究，從工程現場混凝土施工溫控、裂紋擴展等方面入手，探討混凝土在工程設計、施工中性能變化[7-9]。室內試驗手段在巖土體材料力學、滲透特性研究中有較廣泛應用，任恒誼[10]、姜男[11]、白衛峰等[12]利用巖土體等精密室內儀器，制作混凝土試樣，進行相關室內力學破壞試驗，獲取混凝土力學特性變化過程，探討混凝土的圍壓效應、尺寸效應、配合比參數優化效應等，為工程設計提供準確、優化的力學穩定性方案。本文結合淮河中游堤壩防滲加固工程中防滲混凝土的應用，設計開展尺寸效應、外加纖維含量等參數影響下的力學特性研究，為堤壩工程設計應用防滲混凝土材料提供基礎成果。

1 試驗概況

1.1 防滲混凝土應用背景

淮河中游地區考慮對已有河道堤壩進行維修改造加固，提升防洪能力。根據已有堤壩調查得知，堤防按照100 a一遇洪水標準設計，堤頂高度為26.8 m，堤頂建設有寬度5.0 m的硬化公路，堤壩全長34 km，沿南、北兩側延伸。淮河中游研究段堤壩南側干堤迎水、背水側坡度分別為1/2.5、1/3.5，北側干堤坡度分別為1/2、1/3，兩側干堤共有8座中小型水閘作為水資源調度控制樞紐，最大水閘設計泄流量832 m3/s，監測表明河道最大流量2 080 m3/s。水閘閘室與弧門均為最新除險加固后設施，靜、動力穩定性均較佳，閘基礎采用混凝土灌注樁，包括閘墩、閘門加固梁等結構在內均采用防滲混凝土材料，確保閘室運行過程中滲流場穩定。在已有河道堤壩工程基礎上，工程設計部門考慮從兩方面入手改善堤壩：第一，對已有堤頂進行二次加高，設計加高后堤頂高度為27.8 m；第二，對河道防洪堤壩壩身進行加固防護，確保壩體處于安全穩定狀態，壩身內滲透坡降不超過0.2。目前，監測壩身最大滲透坡降在較大洪水位下會達到0.35，而正常水位下堤壩滲透坡降穩定在0.28~0.3。為此，設計部門考慮二次加高分層堆筑，并結合防滲混凝土灌漿加固，另在壩身布設防滲混凝土材料，降低壩身整體滲流活躍性。目前壩身已設置有預制混凝土砌塊網格，防滲混凝土的施工需結合不同尺寸類型網格布設。為此，針對解決不同尺寸網格混凝土施工后力學穩定性差異，設計開展相應的多尺寸防滲混凝土三軸試驗研究，并結合防滲混凝土內肪滲纖維含量影響性開展試驗探討。

1.2 試驗介紹

本次三軸試驗采用GCTS 混凝土綜合試驗系統進行，該平臺包括加載平臺、數據監測設備、數據采集系統，如圖1 所示。綜合試驗平臺最大圍壓100 MPa，最大荷載800 kN 且荷載誤差不超過1‰，荷載振動頻率5 HZ，加載方式均為液壓控制，加載系統主要位于三軸缸內。試驗平臺可完成多類型尺寸試樣試驗，直徑在300 mm以內，高度在600 mm以內。數據監測系統包括外連聲發射與攝像頭等設備，可實時獲得試樣微觀裂紋擴展、延伸等細觀特征，為揭示宏觀力學特征規律提供重要手段。數據采集系統可間隔0.1~10 s 采集力學特征數據，可實時處理呈現獲得應力應變、應力環向應變等特征，軸向變形傳感器監測量程為-20~20 mm，環向變形監測量程為-15~15 mm，另配備有與試樣同步的LVDT變形監測設備，最大誤差不超過0.2%，數據采集示意如圖2所示。

圖1 GCTS混凝土綜合試驗系統

圖2 數據采集示意

為確保試驗結果，對淮河河道堤壩防滲混凝土材料應用設計肪滲纖維含量、尺寸參數差異2 種試驗方案。所有試樣直徑均為50 mm，尺寸參數差異主要體現在高度的改變，設定高度分別為100、150、200、250和300 mm。另肪滲纖維含量與混凝土防滲性能有關，防滲混凝土抗滲性很大程度上取決于肪滲纖維，其含量差異對防滲混凝土力學穩定性有較大影響。因其含量限制在12%以內，本試驗中設定肪滲纖維含量分別為2%、4%、6%、8%、10%，圍壓分別設定為10、20 MPa，各試驗組中僅改變單一變量參數，研究另一參數對力學特征影響規律，各試驗組具體參數方案詳見表1。

表1 各組試樣試驗參數

三軸試驗方案按照如下步驟進行：①按照目標肪滲纖維含量、高度及配合比參數制作混凝土試樣，經打磨加工、滿足室內力學試驗要求后，放入養護箱內養護24 h；②從養護箱內拿出試樣，量取相關物理參數后，采用防油膜包裹，放置加載平臺上，安裝變形、力學監測等傳感器，完成試驗準備工作；③先開始圍壓加載至目標值，再采用恒定LVDT 變形控制加載速率，待試樣失穩破壞后，停止試驗，更換其他組試樣重復試驗。

2 肪滲纖維含量對混凝土力學影響

2.1 應力應變特征

通過三軸力學試驗獲得肪滲纖維含量影響下混凝土力學特征，并進行處理獲得典型肪滲纖維含量影響下混凝土多向應變與應力關系特征曲線，如圖3 所示。依據力學特征關系可知，在標準尺寸高度100 mm 試樣下，肪滲纖維含量愈高，混凝土加載應力水平愈低，圍壓10 MPa 下相同軸向應變0.2%時肪滲纖維含量2%試樣的加載應力為115.5 MPa，而纖維含量為6%、8%試樣加載應力相比前者分別下降了14%、42.3%，表明肪滲纖維成分存在對防滲混凝土承載能力有抑制作用。分析認為，當混凝土內部含有肪滲纖維后，致密的肪滲纖維可作為一種防水塑膠薄膜，降低水流滲入混凝土作用，且愈多含量的肪滲纖維愈可限制水頭壓力入滲等級。但不可忽視的是，肪滲纖維進入混凝土內部后，其晶體結構相比混凝土主骨架乃是較弱的承載面，在較大三軸軸向應力下，薄弱面出現開裂破壞，進而導致整體失穩破壞，表現為加載應力水平較低[13，14]。圍壓增大至20 MPa 后，試樣整體應力應變曲線在峰值應力后期出現緩降或穩定不降現象，這主要受高圍壓強束縛力作用影響。為確保混凝土裂紋發展處于可控狀態，不致于混凝土迅速失穩、加載應力跌落，圍壓20 MPa下各試樣峰值應力后期應力下跌幅度不超過2%，而在圍壓10 MPa下僅肪滲纖維含量2%試樣就下降了42.5%，這是兩圍壓下應力變化典型差異。

圖3 肪滲纖維含量影響下混凝土軸向應變-應力-環向應變關系

從變形特征來看，在相同圍壓下，低肪滲纖維含量試樣的線彈性模量更大。圍壓10 MPa 下纖維含量為2%試樣線彈性模量為445.35 MPa，而纖維含量為6%、8%試樣的線彈性模量相比前者分別降低了11.8%、35.8%。圍壓10 MPa 下，纖維含量增大2%，線彈性模量平均下降15.9%。同樣，在圍壓20 MPa下線彈性模量與纖維含量關系特征基本類似，整體上圍壓20 MPa 下線彈性模量要高于10 MPa 圍壓，在相同纖維含量6%試樣中兩者相差6.3%，而圍壓20 MPa 下纖維含量增大2%，線彈性模量平均下降29.3%。對比各纖維含量試樣峰值軸向應變、環向應變可知，在同一圍壓下基本一致，圍壓10、20 MPa下峰值軸向應變分別為0.58%、0.6%，對應的環向應變分別為0.3%、0.4%（負方向），表明肪滲纖維成分存在不影響混凝土峰值變形參數，僅改變混凝土線彈性變形階段模量參數。

2.2 強度特征

根據力學特征數據處理后可獲得三軸抗壓強度與肪滲纖維含量關系，如圖4 所示。從圖4 可知，肪滲纖維含量與混凝土強度為負相關，且兩者具有二次函數關系。圍壓10 MPa 下纖維含量為2%時，三軸抗壓強度為156.88 MPa，而纖維含量為4%、8%、10%的試樣強度相比前者分別降低了4.1%、14.3%、30.4%，強度降幅為遞增態勢。在纖維含量2%~6%時，纖維含量差異2%，強度平均損失3.3%；而在纖維含量6%~10%時，強度損失幅度達13.8%，即纖維含量應控制在合理區間，在確保防滲等級基礎上，不損失混凝土承載性能。圍壓20 MPa 下強度與纖維含量關系基本與低圍壓下類似，且亦是在纖維含量6%后強度出現較大幅度下降，在纖維含量6%前、后區間內，強度平均降低6.2%、16.8%。綜合分析認為，為確保河道堤壩防滲性與加高后穩定性，以纖維含量6%作為目標設計參數更佳。

圖4 三軸抗壓強度與肪滲纖維含量關系

3 尺寸效應對混凝土力學影響

3.1 應力應變特征

根據不同試樣高度尺寸參數差異下混凝土試驗，獲得尺寸效應影響下混凝土應力應變曲線，如圖5 所示。根據圖5 應力特征可知，在相同圍壓下，試樣高度愈大，則混凝土加載應力愈小，圍壓10 MPa時，高度100 mm 試樣在應變1%時加載應力為114.5 MPa，而高度150、250 mm 試樣相同應變下加載應變較前者分別下降了7.1%、15.5%，即試樣高度愈大，愈限制混凝土承載應力水平。筆者認為，尺寸效應與混凝土顆粒礦物以及承載截面積有關，試樣高度增大，試樣裂紋擴展延伸在較大高度上進展較快，對試樣承載應力是一種削弱，高度愈大，對試樣裂紋的抑制以及微裂紋破裂的產生均無顯著作用，因而呈現混凝土尺寸效應。圍壓20 MPa 后，混凝土仍具有顯著尺寸效應，但在相同應變1%下高度150、250 mm 試樣相同應變下加載應變較高度100 mm 試樣分別下降了9.3%、20.4%，表明圍壓增大后尺寸效應更為顯著。為確保堤壩加固防滲后穩定性，應根據合適尺寸適配相應的混凝土，盡可能選擇高度低的混凝土，以減少尺寸效應引起的承載性能削弱現象。

圖5 尺寸效應影響下混凝土應力應變關系

盡管混凝土尺寸效應影響了加載應力，但相同圍壓下，各試樣高度下混凝土線彈性模量基本相近，圍壓10 MPa下防滲混凝土線彈性模量穩定在243.5 MPa，圍壓20 MPa 下混凝土線彈性模量增大了63.7%，達398.7 MPa；不同高度試樣僅在接近峰值應力時，才具有顯著變形特征差異性，且各試樣峰值應變基本保持一致，圍壓10、20 MPa 下分別為1.2%、1.1%，表明尺寸效應在混凝土線彈性變形階段影響較弱，主要影響體現在屈服變形階段。

3.2 強度特征

同理，對尺寸效應中混凝土力學數據處理，獲得尺寸效應影響下混凝土三軸抗壓強度變化特征，如圖6所示。從圖6可知，混凝土強度隨試樣高度增加呈遞減關系，且在各高度方案間降幅基本穩定，圍壓10 MPa 下高度150、250、300 mm 試樣強度相比高度100 mm 下降了0.1%、16.5%、26%，各高度方案間強度降幅平均為7.2%。當圍壓增大至20 MPa 后，相同高度下試樣強度有所增長，高度150 mm試樣圍壓20 MPa 下強度比圍壓10 MPa 下增大了22.3%，各方案中圍壓效應促進強度增長幅度約為19.5%~25.8%。圍壓20 MPa下尺寸效應引起的強度平均降幅為10.3%，表明圍壓增大后，尺寸效應引起的強度損耗更為顯著，故圍壓效應有促進尺寸效應發展的作用[15，16]。從工程設計應用角度考慮，在高圍壓工程環境下，應著重控制試樣尺寸差異，減少不同試樣高度聯合承載，確保試樣高度整體一致，降低混凝土承載能力受尺寸效應影響。

圖6 三軸抗壓強度與尺寸效應關系

4 結論

（1）肪滲纖維含量愈高，混凝土強度愈低，兩者具有二次函數關系，且降幅遞增，圍壓10 MPa 下纖維含量2%~6% 與6%~10% 相比強度平均損耗3.3%、13.8%；肪滲纖維不影響混凝土峰值變形參數，但可抑制線彈性模量參數，圍壓20 MPa 下纖維含量增大2%，線彈性模量降幅為29.3%。

（2）混凝土強度隨高度增大為遞減關系，高度增長50 mm 下強度降幅較為穩定，圍壓10 MPa 下平均為7.2%，圍壓20、10 MPa 下各高度試樣強度差距為19.5%~25.8%，圍壓有促進尺寸效應發展作用；尺寸效應對混凝土線彈性變形階段影響較弱，線彈性模量保持一致，主要影響在屈服塑性變形階段。

（3）綜合認為肪滲纖維含量為6%，選擇尺寸差異較小的混凝土進行承載適配，工程防滲性、承載能力均為最佳。