热水河水库沥青混凝土心墙三轴力学特性的研究和分析

热水河水库沥青混凝土心墙三轴力学特性的研究和分析

王青珍

云南勘中达岩土工程质量检测有限公司  云南 昆明 650000

摘要：作为工程建设中常用温度敏感性材料，沥青混凝土粘弹特性非常明显，多种因素均可对其应力-应变特性产生影响，如加载方式、试验温度、沥青含量以及骨料级配、沥青种类等。现阶段针对水工沥青混凝土配合比相关设计仍然缺乏统一标准，设计方法及步骤等差别较大，因施工初期存在力学指标不充足等特点，需要根据后期施工过程中性能指标要求和相关经验等明确最终的配合比，可造成工程进展减慢，施工时间延长。因此，研究沥青混凝土最终力学性能指标与配合比参数、试验条件之间的关系对于科学设计配合比以及提高沥青混凝土强度具有非常重要的现实意义。

关键词：热水河水库；沥青混凝土心墙；三轴力学特性；混凝土强度

在坝体中沥青混凝土心墙发挥着至关重要的作用，具有非常重要的防渗作用，故而必须能够抗变形及抗渗。水库心墙所承受的压力类型较多，如来自土、水、坝体以及地震荷载等多方面的压力，除此之外，还需要承受坝体荷载在基础与分布变形的相关应力，对心墙变形能力要求较高，要求既能够适应基础不均匀沉降现象，还能够应对整体变形，避免稳定性下降[1]。三轴试验能够反映外力作用下心墙应力，还可反映应变特性，便于有限元分析坝体相关性能，如可判断坝体是否过量变形情况，还可对剪切破坏情况做出精准判断。热水河水库可为农村人畜饮水以及农业灌溉用水提供水源，水库大坝应用沥青混凝土心墙风化料坝，其中沥青混凝土心墙构成部分包括心墙结构、过渡层及坝壳料，本文针对热水河水库的沥青混凝土心墙三轴力学特性进行研究和分析。

1试验

所用试验仪器为微机控制沥青三轴万能试验机（WPW-100H）及三轴温控室内进行，可通过温控室对实际试验温度的方式进行试验控温，可精确控制温度条件。试验设备技术如下：试样尺寸：Φ101×200mm，轴向荷载：2-50KN，周围压力：0-1000KPa，体变量精测度：0.1mL。试验内容如下：针对优选配合比用车辙成型机内进行试件制备，成型试件密度必须达到马歇尔标准击实试件密度±1%。试验尺寸：Φ101×H200mm，试验温度：18.7℃、围压分别为0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa及0.8MPa，轴向变形速率：0.20mm/min，通过静力三轴试验测试沥青混凝土的变形特性，此外，还可了解抗剪强度。温度可影响沥青混凝土力学性能，试验前需提前放置试样，可通过将试样置于恒温槽的保持试持续处于恒温状态，，调节恒温槽温度为18.7℃，温差浮动不可超过±0.5℃，放置时间持续12h。试样过程中需保持恒定压力室水温（温度：18.7±0.5℃）。静三轴试验填料种类包括灰岩石粉及水泥，其中，灰岩石粉温度控制值为18.7℃，围压：0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa，轴向变形速率：0.20mm/min，水泥温度控制值为18.7℃，围压：0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa，轴向变形速率：0.20mm/min，研究和分析配合比沥青混凝土石粉填料三轴试验应力-应变关系、三轴试验摩尔应力圆以及水泥填料三轴试验应力-应变关系及三轴试验摩尔应力圆。

通过如下公式计算邓肯模型中土体的的切线弹性模量与切线泊松比（围压（kPa）通过表示；轴压（kPa）以表示；大气压力（kPa）以表示：；：以表示破坏比；土的内摩擦角（o）；土的粘聚力（kPa）以表示；切线弹性模量的试验常数以K及n表示：；切线泊松比的试验常数以G、F、D表示）：

邓肯模型切线弹性模量及切线体积模量计算公式如下：（大气压力（kPa）表示形式为：以及为切线体积模量试验常数。与共计涵盖10项模型参数，包括F、Kb、K、n、、D、、、G、m。大气压时初始切线模量/大气压值的围压以表示；大气压时切线体积模量/大气压的围压以表示；一个大气压时初始切线泊松比的围压以表示；破坏应力/双曲线模型下极限应力可通过表示，能够使土体软化度获得反映，硬化程度与值存在相关性且为正相关；随围压增大，初始切线模量增大，通过n表示急剧程度；围压增大，初始切线体积模量也随之增大，可通过m表示急剧程度；围压增大则初始切线泊松比增大，通过F表示急剧程度；高D值可反映较小偏应力增量可引发较大的侧向膨胀应变增量。K、Kb、G对变形特性有着较高的敏感度，C、φ等参数对强度特性有着较高的敏感度）：

侧向应变与轴向应变关系关系呈近似直线关系，但并非曲线关系，体变参数D=0，通过三轴试验可获取Duncan-Chang模型参数见表1。

表1  沥青混凝土Duncan-Chang模型参数

2结果与讨论

热水河水库沥青混凝土心墙三轴力学特性研究结果表明填料、沥青及人工粗细骨料等原材料中沥青及人工粗细骨料均与《水工沥青混凝土施工规范》中SL514-2013及《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》中关于沥青混凝土用填料指标的要求，水泥填料              亲水系数与规范指标要求不符。水工Ⅱ号石油沥青主要受检指标与《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》SL501-2010中沥青相关指标要求相符。依照配合比选沥青混凝土基本性能试验结果，推荐初步沥青混凝土配合比且初步沥青混凝土配合比相关指标均与试验任务书中对沥青混凝土的质量要求，相关指标包括小梁弯曲、水稳定性、马歇尔流值、马歇尔稳定度、渗透系数、孔隙率及密度等。试验结果表明沥青混凝土模量数、凝聚力、内摩擦角等均符合质量要求。填料表观密度测量结果为3.0g/cm3，亲水系数为0.64%，含水率为0.18%，细度<0.6mm时，实测数据为100%，细度<0.15mm时，实测数据为100%，细度<0.075mm时，实测数据为99%。沥青混凝土配合比各项性能指标均与设计要求相符，但是由于沥青混凝土配合比均应用特定原材料且于室内试验确定，为了保证施工质量，施工过程中需要根据工地现场原材料变化情况以及现场生产性试验结果适当调整配合比，可应用灰岩石粉作为填料的沥青混凝土配合比。

结语：

热水河水库枢纽主要建筑物包括大坝、溢洪道等，其中，大坝应用沥青混凝土心墙风化料坝，沥青混凝土属于典型流变材料，其性质受多种因素影响，具有非常复杂的力学特性，与时间因数、取样方法、沥青品种、应变速率、温度、材料配合比等多种因素存在关联。水工沥青混凝土配合比设计阶段配合比参数选择缺乏依据，需要参考气候条件等因素，分析三轴试验结果与配合比参数等因素的相关性具有非常重要的意义。为了保证热水河水库沥青混凝土的强度，必须根据实际施工情况对骨料骨架结构以及沥青用量等进行适当调整，同时也能够保证填充效果并有助于最大程度地保证工程质量，使水库周边地区人畜饮水问题得到妥善解决[2]。

参考文献：

[1]常海波.不同加载速率和围压作用下沥青混凝土三轴压缩力学特性数值模拟研究[J].资源信息与工程,2021,36(1):92-100.

[2]王柳江,薛晨阳,扎西顿珠,等.低温条件下心墙沥青混凝土蠕变特性试验[J].河海大学学报,2021,49(5):419-424.