高應(yīng)力下心墻瀝青混凝土應(yīng)力-應(yīng)變特性研究

張維利

（山西省水利建筑工程局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000）

1 概述

人們深入研究發(fā)現(xiàn)瀝青有許多的優(yōu)點(diǎn)可作為許多工程的材料，由于瀝青混凝土材料具有抗寒特性，因此寒冷地區(qū)的水利工程多采用瀝青混凝土作為建設(shè)材料[1-4]。不僅如此，利用瀝青混凝土材料建設(shè)的大壩還具有優(yōu)良的抗?jié)B透能力、擴(kuò)大其他大壩填充材料的范圍以及裂縫治愈的功能，而且耐沖刷、抗腐蝕能力強(qiáng)，使得大壩的使用壽命非常長(zhǎng)。因此，輾壓式瀝青混凝土心墻壩被廣泛運(yùn)用在各種惡劣環(huán)境下的水利工程中[5，6]。

在瀝青混凝土的心墻大壩投入使用之前，需要進(jìn)行靜三軸試驗(yàn)，對(duì)心墻實(shí)施其能承受的最大圍壓，確定其能承受的最大壓力。但是一般試驗(yàn)的壓力和瀝青混凝土心墻大壩實(shí)際能承受壓力的差距非常大，無(wú)法了解心墻大壩的實(shí)際最大承受壓力和變形情況[7-10]。而且目前對(duì)瀝青混凝土采取的靜三軸試驗(yàn)還在初步發(fā)展中，無(wú)法準(zhǔn)確利用試驗(yàn)成果計(jì)算出瀝青混凝土心墻大壩的應(yīng)力-應(yīng)變情況。所以，在高圍壓情況下開(kāi)展瀝青混凝土心墻靜三軸試驗(yàn)，通過(guò)軟件分析了解壩體的應(yīng)力-應(yīng)變情況，對(duì)后續(xù)瀝青混凝土心墻土石壩的建設(shè)和發(fā)展具有重要意義。

2 瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

2.1 瀝青混凝土配合比參數(shù)的優(yōu)選

經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，采用了L9（34）均勻正交表試驗(yàn)選出最佳的材料配合比，綜合考慮各瀝青混凝土試驗(yàn)配合比的級(jí)配指數(shù)、填料用量以及油石比數(shù)值。通過(guò)調(diào)查我國(guó)所采用的瀝青混凝土試驗(yàn)配合比，最終得到以下9種配合比，分別以1～9的編號(hào)排列，試驗(yàn)設(shè)置級(jí)配指數(shù)分別為0.33、0.36、0.39，填料用量分別達(dá)到總量的9%、11%、13%，而瀝青用量達(dá)到總量的6.3%、6.6%、6.9%。9 種瀝青混凝土配合比的3 個(gè)指標(biāo)，詳見(jiàn)表1。

表1 瀝青混凝土試驗(yàn)配合比

2.2 瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)

進(jìn)行瀝青混凝土配合比試驗(yàn)時(shí)，分別以馬歇爾穩(wěn)定度、馬歇爾流值、孔隙率作為試驗(yàn)的變化值，進(jìn)行第一步試驗(yàn)。試驗(yàn)前，需要確定每組試驗(yàn)選用的6 個(gè)馬歇爾式樣，然后開(kāi)始執(zhí)行第一個(gè)試驗(yàn)步驟，這樣能提升試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，使驗(yàn)證結(jié)果更加具有說(shuō)服力。瀝青混凝土配合比的試驗(yàn)結(jié)果，詳見(jiàn)表2。

表2 瀝青混凝土試驗(yàn)所用配合比及試驗(yàn)成果

2.3 配合比確定

根據(jù)試驗(yàn)得到的馬歇爾穩(wěn)定度、馬歇爾流值以及孔隙率3 個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)判斷配合比是否是最優(yōu)的。通過(guò)得出的極差和方差，先選用0.33 的配合比指數(shù)的瀝青混凝土，其瀝青和填料含量分別為6.7%和9%，再通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和計(jì)算分析，根據(jù)數(shù)據(jù)分析初步確定最佳的配合比，提高以瀝青混凝土材料建設(shè)的大壩質(zhì)量，增強(qiáng)其功能。試驗(yàn)采用的配合比，詳見(jiàn)表3。

表3 瀝青混凝土配合比

3 高應(yīng)力條件下心墻瀝青混凝土靜三軸試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方法

瀝青混凝土由于自身的特殊性，要求實(shí)驗(yàn)儀器精度高，可通過(guò)試驗(yàn)精確了解瀝青混凝土的特性，有利于將該材料科學(xué)應(yīng)用于各種工程中。因此，為了更好地掌握瀝青混凝土的特性，采取靜三軸試驗(yàn)，分多次進(jìn)行，圍壓分別為0.2、0.4、0.6、1.8 MPa。

根據(jù)上述得出的最佳瀝青混凝土配合比進(jìn)行試驗(yàn)，可提高試驗(yàn)結(jié)果精度，同時(shí)為保證試驗(yàn)誤差在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，必須采取高標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)要求，便于控制心墻的空隙率。用游標(biāo)卡尺測(cè)量得到的試樣，可保證其誤差不能超過(guò)1 mm，通過(guò)外觀檢查，缺陷明顯或者沒(méi)有在誤差范圍內(nèi)的尺寸的試樣需丟棄，確保試樣的孔隙率為1±0.1%，不能采用不合格的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，每組的試樣數(shù)要達(dá)到3 個(gè)。試驗(yàn)步驟如下：首先將試樣放置在溫度為10 ℃的房間內(nèi)至少達(dá)到4 h，然后將軸向加載設(shè)置為0.2 mm/min，當(dāng)達(dá)到加載高度的20%時(shí)停止試驗(yàn)，除去周?chē)鷫毫Γ缓笥涗浧渫庥^狀況。靜三軸試驗(yàn)前后的試樣對(duì)比，如圖1 所示。

圖1 瀝青混凝土靜三軸試驗(yàn)前后對(duì)比

3.2 應(yīng)力-應(yīng)變特征變化分析

3.2.1 孔隙率變化

試驗(yàn)前后孔隙率的變化，詳見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)前后孔隙率變化

由表4 可知，瀝青混凝土試樣在試驗(yàn)前后的孔隙率變化較小，但存在一定的規(guī)律，隨圍壓的增大孔隙率逐漸減小，因?yàn)樵囼?yàn)采取先剪縮后剪脹的步驟，所以導(dǎo)致瀝青混凝土的孔隙率發(fā)生該現(xiàn)象。此外，水壓力也會(huì)造成瀝青混凝土的孔隙率存在該規(guī)律，并且減小的幅度相比圍壓情況下較大，隨時(shí)間的流逝造成剪縮和剪脹的終點(diǎn)和起點(diǎn)發(fā)生變化。由于材料易出現(xiàn)變形，孔隙率不斷減小，因此孔隙越變?cè)叫。拐麄€(gè)混凝土發(fā)生形變現(xiàn)象，隨著試驗(yàn)過(guò)程的進(jìn)行，圍壓不斷增大，因此發(fā)生了橫向形變，且形變的程度也在不斷增大，導(dǎo)致剪脹形變的程度增大。

在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，試樣破壞后都會(huì)鼓脹或者變形，其發(fā)生部位位于試樣的中部，在該區(qū)域隆起改變周?chē)目紫洞笮。虼酥胁繀^(qū)域的孔隙會(huì)大于其他區(qū)域的孔隙，各個(gè)圍壓條件下剪切帶體積應(yīng)變?nèi)鐖D2所示。

圖2 軸向應(yīng)變與剪切帶體積應(yīng)變關(guān)系

從圖2 可以看出，在0.2～1.8 MPa 的圍壓范圍內(nèi)，瀝青混凝土剪切帶部位的孔隙率不斷減小。試驗(yàn)前，必須控制試樣的孔隙率誤差在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，在此情況下，試樣剪切帶部位的孔隙率顯著增大，影響瀝青混凝土的抗?jié)B能力，導(dǎo)致其性能變差。同時(shí)，試樣其他部位的孔隙率并未發(fā)生影響瀝青混凝土性能的變化，因此這類(lèi)破壞不會(huì)影響其他部位的孔隙率發(fā)生變化。在實(shí)際施工過(guò)程中，瀝青混凝土材料的心墻一旦發(fā)生剪脹，必定會(huì)造成孔隙率顯著增大，那么大壩的抗?jié)B透能力就會(huì)降低，很容易受到水分侵蝕，最終導(dǎo)致坍塌，嚴(yán)重危害到大壩以及其他水利設(shè)施的運(yùn)行。

3.2.2 抗剪強(qiáng)度變化

將瀝青混凝土靜三軸試驗(yàn)得到的軸向應(yīng)變、主應(yīng)力和體積的數(shù)據(jù)繪制成關(guān)系曲線，如圖3—4 所示。圖3 展現(xiàn)了不同圍壓下主應(yīng)力的差異變化情況，可直觀了解主應(yīng)力的變化規(guī)律；圖4顯示出不同圍壓下體積應(yīng)變的差異變化，可直觀掌握體積應(yīng)變的變化規(guī)律。由此可得，隨著圍壓的變化，瀝青混凝土的抗剪能力也在不斷提高，呈現(xiàn)同步緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)；最大軸向應(yīng)變也因此不斷的增大，出現(xiàn)塑性變形的現(xiàn)象，其程度也不斷加深。理論上在圍壓大約為2.48 MPa 時(shí)，瀝青混凝土的強(qiáng)度不會(huì)發(fā)生任何變化；當(dāng)將主應(yīng)力提升至4340 kPa 后，主應(yīng)力差也不再浮動(dòng)，此時(shí)的瀝青混凝土處于理想塑性變形狀態(tài)，因此在該情況下其軸向應(yīng)變?yōu)?7.1%。

圖3 軸向應(yīng)變與主應(yīng)力差關(guān)系曲線

圖4 軸向應(yīng)變與體積應(yīng)變關(guān)系曲線

在試驗(yàn)中，瀝青混凝土一旦出現(xiàn)壓縮剪切后，試樣的斜率都出現(xiàn)減小現(xiàn)象，使試樣處于彈塑性狀態(tài)；同時(shí)，瀝青混凝土的軸向應(yīng)變隨主應(yīng)力差的增大而增大，屬于同步增長(zhǎng)的現(xiàn)象，但增大幅度不同，后者增大的幅度逐漸減小，當(dāng)軸向應(yīng)變和主應(yīng)力差的值達(dá)到一定程度后，瀝青混凝土的特性由彈性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄裕渤霈F(xiàn)孔隙。骨料發(fā)生錯(cuò)動(dòng)會(huì)造成剪脹變形的程度加深，促使瀝青混凝土心墻的體積顯著增大，呈現(xiàn)非線性關(guān)系，主應(yīng)力差和圍壓也呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)，以改變?yōu)r青混凝土的狀態(tài)。

4 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)開(kāi)展瀝青混凝土靜三軸試驗(yàn)，掌握瀝青混凝土在各圍壓下的參數(shù)變化，同時(shí)研究不同應(yīng)力下瀝青混凝土的特性變化。瀝青混凝土經(jīng)過(guò)靜三軸試驗(yàn)后，試驗(yàn)前的試樣孔隙率小于試驗(yàn)后的試樣孔隙率，由此造成剪脹和變形現(xiàn)象更加嚴(yán)重，而中間部位的孔隙率明顯增大，出現(xiàn)中間大邊緣小的現(xiàn)象。因此，如果剪脹現(xiàn)象被破壞，瀝青混凝土的防滲能力和抗剪能力都會(huì)降低，影響大壩的安全性。