堆石混凝土壩中預制塊砌體的抗剪性能試驗研究

李繼紅，趙 青，周述禮，王志杰

(貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

堆石混凝土(Rock-Filled Concrete，簡稱RFC)技術是在自密實混凝土高流動性、不離析基礎之上發展起來的新型大體積混凝土技術，具有較好的綜合性能，并在水利工程中取得了廣泛應用[1- 2]。

隨著堆石混凝土筑壩技術的發展，在筑壩材料方面取得了許多突破成果，如低水泥用量高自密實性能混凝土[3]、軟巖作堆石材料[4- 5]以及高寒地區混凝土特殊配合比[6]等。為了發揮堆石混凝土技術快速施工的優勢，在堆石混凝土拱壩施工中，使用整體澆筑拱壩技術[7]，在防滲層使用一體化澆筑技術[8- 9]，同時根據堆石混凝土壩的筑壩過程，為有效防止高流動性的自密實混凝土對模板造成較大的側壓力而產生變形。對此，工程中采用砌筑混凝土預制塊來代替其他模板使用，澆筑后并作為壩體的一部分。曾旭等[10]對混凝土預制塊砌體模板在堆石混凝土壩中的應用做出了詳細的對比闡述，并得出混凝土預制塊砌體模板具有可行性和經濟性。

由于混凝土預制塊砌體模板由砂漿和砌塊砌筑而成，在大壩澆筑的過程中高自密實混凝土會對砌體模板產生較大的側壓力，壓力過大則會引起砌體之間剪切應力過大，從而造成模板失穩而垮塌。因此混凝土預制塊砌體抗剪性能直接關系到堆石混凝土壩施工中的穩定性問題，需要對混凝土預制塊砌體的抗剪性能進行深入研究。

本文立足于工程建設需要，從施工現場取得混凝土預制塊材料，以砌體的抗剪穩定性為研究對象，對4組共20個不同砌筑砂漿齡期以及不同法向荷載作用下混凝土預制塊砌體進行室內剪切試驗，通過對混凝土預制塊砌體的抗剪強度和破壞機理進行分析，從而得出混凝土預制塊砌體在不同齡期中的抗剪強度。

1 試驗概況

1.1 試件參數及材料性能

用于剪切試驗的混凝土預制塊來源于某施工現場，采用C15混凝土澆筑成為500mm×300mm×300mm的長方體試塊，每塊重量108kg。試件均采用M10砂漿砌筑，砌筑砂漿的配合比見表1。在剪切試驗前，依據JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》[11]，分別測出了M10混凝土砌筑砂漿不同齡期的粘結強度及立方體抗壓強度試驗平均值，試驗結果見表2。

表1 砌筑砂漿配合比

表2 砌筑砂漿不同齡期的粘結強度及立方體抗壓強度試驗平均值

1.2 試件制作

本試驗中采用直剪試驗，由上、下2個砌塊組成，砌塊之間砌筑砂漿的厚度均為20mm。試件尺寸為500mm×300mm×620mm。按齡期進行分組，分為1、2、3、7d共4組，每組砌筑5個試件，共10個試塊。

1.3 試驗裝置及荷載施加

試驗的反力裝置使用的是YJ-ⅢD-W型結構力學組合實驗系統，固定裝置是由2塊300mm×300mm的鋼板以及2根直徑為10mm的螺紋鋼焊接而成，將其用螺栓固定在試件兩側，防止試驗過程中試件產生滑移。使用液壓千斤頂加載，壓力傳感系統讀取并記錄數據，位移計固定在固定鋼架上，放置于試件兩側的對稱部位用于測量水平方向位移，取其平均值減小位移誤差。剪切試驗示意簡圖及現場照片如圖1所示。

圖1 剪切試驗示意簡圖及現場照片

試驗過程中，通過在試件頂部放置鐵塊(每塊約20kg)的方法實現法向荷載的施加，且每一次試驗的法向荷載一次性施加完畢，由于試驗中上部試塊自重較大，將自重考慮為施加的法向應力，共有4組不同齡期工況的直剪試驗，每組試驗分為5次進行，每次對應的法向應力分別為0.0072、0.0122、0.0152、0.0192、0.0232MPa。水平方向上由千斤頂對試件施加剪切荷載，采用勻速間斷加載的方式，嚴格控制剪切力的增加，每次增加的剪切力為1.5kN(約0.001MPa)，通過壓力傳感器及配套電子顯示器讀取水平方向加載數值，并通過位移計讀取出每級荷載下相應的位移數據，待數值穩定后，繼續加載。當剪切面發生剪切破壞時，即判定試驗結束，并讀出試件發生剪切破壞時的剪切荷載峰值。

2 試驗結果

2.1 試驗現象及破壞形態

試件從加載到破壞的過程可分為4個階段。在水平剪切荷載施加的開始階段，試件的砌縫位置無明顯變化，試件上部砌塊水平方向安裝的位移計讀數出現微小數值；加載繼續，位移計讀數開始增大，上部砌塊與砂漿之間處開始出現微裂紋；隨著加載不斷增大，微裂紋逐漸擴展，很快開始向右延伸，位移計讀數變化速率明顯增大；最后砂漿與砌塊突然分開，并伴隨聲響，同時水平剪切荷載急劇下降，試件發生剪切破壞，在4組試驗中，所有破壞均發生在上部砌塊與砂漿之間的接觸面上，為黏結剪切破壞。

2.2 試驗數據和破壞機理分析

破壞時水平剪切荷載的最高數值即為砌縫砂漿抗剪的極限承載力，各齡期工況下，砌縫砂漿抗剪的極限承載力隨著法向應力的增大而提高，剪切應力-位移曲線如圖2所示，試驗結果見表3。

圖2 剪切應力-位移曲線

表3 抗剪強度試驗值及回歸計算值

從圖2可以看出，在相同的法向應力作用下，齡期越大，曲線的斜率越小，位移增加越緩慢，當施加的剪切應力超過極限應力的40%時，曲線的斜率有明顯變化，位移的增加速率明顯加快，最終達到破壞狀態，試驗的表觀現象和數據曲線有較好的對應關系。

混凝土預制塊砌筑體在直剪試驗中所承受的法向荷載遠小于其極限強度，因此其剪切破壞形式為剪摩破壞，故本試驗中采用庫倫理論的表達式來計算砌體的砌筑砂漿抗剪強度[12- 13]，表達式的基本形式為：

τ=c+φσn

(1)

式中，c—黏結強度，MPa；σn—法向壓應力，MPa；φ—砌縫與塊材間的摩擦系數。

根據表3中的試驗結果，在澆筑后的7d內，抗剪強度快速增長。對比表2，在同一法向應力作用下，隨著齡期的變化，試件的抗剪強度與砂漿的粘結強度及抗壓強度都呈現正相關關系。

在各齡期工況下，由于砌筑試塊本身尺寸較大，采用人工鑿毛的方式，使得試塊砌筑表面粗糙度有差別，當法向應力施加變化較小時，剪切應力隨著法向應力的增大出現減小的情況，但總體上來說，試驗中的最大剪切應力隨著法向應力的增大而增大，與庫倫理論相吻合。

試件的砌縫抗剪極限承載力可通過試驗獲得，c和φ可通過對數據的統計回歸得到。例如，1d的回歸分析得到的量值為：c=0.083和φ=0.3743。回歸所得的c=0.083，與M10砌筑砂漿試驗現象相符，回歸曲線如圖3所示，決定系數為0.799，呈現出一定的離散型。同理可得，各齡期工況下的回歸公式及相關系數，見表4。

根據表4中各齡期工況下對試件的砌縫抗剪強度進行計算，對比結果見表3。表中σ為壓應力，τ、τ及Δcr分別為砌縫抗剪強度試驗值、回歸計算值和剪切破壞的最大位移。試驗值和計算值吻合度較好，所有試件試驗值與計算值的比值統計平均值為1.0001，各試件試驗值和計算值的誤差在2%之內，且差值均不超過0.003MPa。

圖3 在1d工況下各試件的極限剪切應力試驗結果和回歸曲線

表4 各齡期工況中回歸結果及砌筑砂漿試驗值

由表4分析得出，庫倫理論類型砌縫抗剪強度表達式中的摩擦系數φ隨著砌筑齡期的增加而增加，抗剪斷黏結力c也與齡期呈現正相關的關系。由于本試驗剪切荷載采用非連續加載的方式，會造成混凝土砂漿粘結面造成疲勞損傷，因此試驗數據存在一定的離散型，切向荷載與法向荷載的相關性在0.79～0.93之間。

3 抗剪強度影響因素分析

(1)砌筑砂漿齡期。試驗中砌體試件的剪切破壞均表現為砂漿與混凝土之間的粘結破壞，隨著齡期的增長，砂漿的強度以及砂漿與砌塊之間的黏結力也越大，因此，砂漿與砌塊之間的黏結抗剪強度也越高。

(2)試塊的表面粗糙度。試驗由于試塊尺寸較大，為了提高黏結面的粗糙度，試塊采用人工鑿毛的方式，受人為因素的影響，使得粗糙度不均勻，各試塊均無同一粗糙度，使得實測數據存在一定的離散性。

(3)剪切荷載施加方式。試驗中剪切荷載采用非連續加載的方式，會對砂漿與砌塊之間的粘結面造成疲勞損傷，從圖5的剪切應力-位移曲線中可以看出，開始加載時位移增加速率較慢，當施加的剪切應力超過極限應力的40%時，位移的增加速率明顯加快，使得試驗值與計算值之間存在差距。

4 結論

(1)混凝土預制塊砌體的水平砌縫破壞機理是砌筑砂漿與上部砌塊界面之間的脆性破壞，最終的破壞形態是砌筑砂漿與上部砌塊發生分離，形成完全的破壞界面。

(2)預制塊砌體的破壞為剪摩破壞形式，通過回歸曲線公式計算出的計算值與實驗值吻合度較高，各試件試驗值和計算值的誤差在2%以內，且差值均不超過0.003MPa。砌縫的抗剪斷摩擦系數φ及抗剪斷黏結力c與砂漿齡期呈現正相關的關系。

(3)通過抗剪強度影響因素分析，試驗中砌筑砂漿齡期、試塊的表面粗糙度以及荷載施加方式是影響抗剪強度的主要因素。