高填充自密实混凝土砌石坝力学性能及破坏机理研究
时间：2023-06-01 22:45:06 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
刘 辛，李友彬，刘 磊，廖仕信，刘 涛
(1.贵州新中水工程有限公司，贵州 贵阳 550005；
2.贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550025)
高填充自密实混凝土砌石坝筑坝新技术广泛应用于水利水电工程等行业，具有环境友好、节能环保、工艺简单、经济性好等优点。随着建设项目的日益增多，不同地区的高填充自密实混凝土砌石坝的物理力学性能及破坏机理已成为工程建设及运维的重要影响因素之一。高填充自密实混凝土砌石坝作为复合材料其设计按体积比计算掺配。目前研究主要从材料学角度认为高填充自密实混凝土砌石坝为多相组成：第一相大粒径砌石为基体，第二相高填充自密实混凝土为增强组分，高填充自密实混凝土和大粒径砌石的界面组分为第三相。高填充自密实混凝土砌石坝中大粒径砌石相互嵌挤搭接；
自密实混凝土填充大粒径砌石空隙，包裹大粒径砌石并保证坝密实。坝的堆石率一般达到50%，高于砌石坝45%的埋石率，为满足要求，层厚根据设计可以浇筑1～3m不等，采用机械化施工。
综上所述，高填充自密实混凝土砌石坝是区别于混凝土砌块石、埋石混凝土、全级配混凝土和常规混凝土的新型复合材料。因此，对高填充自密实混凝土砌石坝物理力学性能及破坏机理仍需进一步研究。
本文对高填充自密实混凝土砌石坝试验仓采用切割剖面直观进行可视化特征分析，明确其多级网络结构组成特征；
对切割加工大试件进行力学及超声回弹试验，分析大粒径砌石和自密实混凝土组成形式、多相耦合效果、大试件各相所占比例及大试件尺寸效应等对高填充自密实混凝土砌石坝受力及均匀性、密实度的影响。本研究可为高填充自密实混凝土砌石坝物理力学特征分析提供借鉴。
复合材料力学性能理论上满足组分性能按体积比加权和混合律，见公式(1)—(2)，如图1—2所示。
图1 串并联模型
图2 串并联模型特性的上下限
单向复合材料并联模型的混合律：
Ec=EfVf+EmVm
(1)
单向复合材料串联模型的混合律：
(2)
式中，下标c、f、m—代表高填充自密实混凝土砌石坝、大粒径砌石、高填充自密实混凝土；
E—力学参数弹性模量；
V—体积百分比。
单向复合材料力学性能的混合律：
(3)
式中,X—某项力学性能，下标A，B表示组分；
n—指数幂，并联模型中n=1，串联模型中n=-1。
高填充自密实混凝土砌石坝复合材料理论上具备2个特征：
(1)受力时主要由高弹性、高模量的组分大粒径砌石承受荷载。低弹性、低模量组分高填充自密实混凝土主要传递荷载。
(2)大粒径砌石与高填充自密实混凝土组合应有足够的结合强度，保证高填充自密实混凝土所承受的荷载能传递给大粒径砌石，理论上要求能降低脆性破坏的概率。
本试验研究采用C9015W6F50(设计强度等级C15龄期90d抗渗等级W6抗冻等级F50)高填充自密实混凝土和工地现场粒径大于300mm石灰岩大粒径砌石随机堆放，施工单位进行浇筑自密实混凝土。经现场记录试验仓实际大粒径砌石体积比例51%，高填充自密实混凝土填充体积比例49%。指标详见表1。
在工地现场采用切割机等对同材料、同工艺、同环境的试验仓精细加工成大试件运至试验中心，采用10000kN(1000t)压力机，根据SL 352《水工混凝土试验规程》等开展试验。
理论上充填比例的不同将影响复合材料力学数值改变，由于在现场按大坝实际施工情况浇筑试验仓，现行的规范规程要求大粒径砌石最小粒径大于300mm，本试验中均是按实际施工情况浇筑试验仓，就没有考虑大粒径砌石和高填充自密实混凝土不同比例下高填充自密实混凝土砌石坝性状变化。
表1 高填充自密实混凝土配合比
3.1 切割剖面及搭接嵌挤结构可视化分析
3.1.1 切割试验仓剖面及成型大试件
切割试验仓剖面及成型大试件如图3所示。
图3 可视化高填充自密实混凝土砌石坝内部特征
3.1.2 可视化特征分析
高填充自密实混凝土砌石坝组分上由大粒径砌石和高填充自密实混凝土组成的复合材料。大粒径砌石分布在高填充自密实混凝土中，高填充自密实混凝土分布规律符合自密实混凝土成熟理论，高填充自密实混凝土砌石坝形成具有一定内摩阻力、黏结力和机械咬合力的空间多级网络结构。由于各组成材料用量比例可以不同，高填充自密实混凝土砌石坝内部大粒径砌石颗粒的分布状态、高填充自密实混凝土填充密实程度和剩余空隙率也呈现出不同的特征，从组成结构上高填充自密实混凝土砌石坝可以定义为骨架密实型复合材料。图3切割剖面显示由大粒径砌石在仓面堆满搭接嵌挤起骨架作用，用高填充自密实混凝土填充大粒径砌石的空隙实现包裹，保证高填充自密实混凝土砌石坝内部密实。
3.2 大尺寸试件抗压强度试验
3.2.1 抗压强度试验
本研究开展大尺度试件抗压强度试验，相关数据如图4—6所示和见表2—6。
3.2.2 试验数据
表2 大试件抗压强度力学指标
图4 抗压强度试验
表3 大试件轴心抗压强度力学指标
表4 大试件抗压强度力学指标统计 单位：MPa
表5 大试件泊松比指标 单位：MPa
表6 大试件强度分布 单位：MPa
图5 大试件抗压强度力学分布
图6 大试件轴心抗压强度力学分布
3.2.3 试验现象及数据分析
如图4所示，试验过程中裂纹产生具有随机性，试验中观察到大部分表面裂缝沿大粒径砌石与高填充自密实混凝土粘结界面首先开裂发展，说明界面是高填充自密实混凝土砌石坝最薄弱部位，符合复合材料理论分析。部分大粒径砌石占比较大、搭接紧密的切割大试件则出现堆石裂纹，随承载力增加裂纹发育更多，与大粒径砌石与高填充自密实混凝土粘结界面裂纹相互连通。高填充自密实混凝土砌石坝大试件受压后体积变化不大，环箍效应不明显。
高填充自密实混凝土砌石坝大试件大粒径砌石通过接触点搭接成空间骨架结构承受主要荷载，高填充自密实混凝土填充空隙传递荷载。试验数据中抗压强度极限荷载在15～40MPa区间。
3.3 劈裂抗拉试验
3.3.1 劈拉强度试验
本研究开展大试件劈裂抗拉强度相关试验，相关数据见图7—8和表7—9。
图7 劈裂抗拉强度试验
图8 大试件劈拉强度样本所占比例
3.3.2 试验数据
表7 大试件劈裂抗拉试验结果
表8 大试件抗拉强度值所占比例 单位：MPa
表9 大试件劈裂抗拉强度力学指标 单位：MPa
3.3.3 试验现象及数据分析
如图7所示，大试件劈拉试验裂缝首先出现在施加荷载处，大部分沿纵向大粒径砌石与自密实混凝土粘接界面或穿过大粒径砌石发展，当大粒径砌石占比很小时出现大粒径砌石和自密实混凝土剥离破坏，当大粒径砌石占比很大时出现大粒径砌石沿岩石节理破坏。试验阶段裂纹发生与加载线性荷载作用部位有关，由大粒径砌石和自密实混凝土结构组成随机决定。
高填充自密实混凝土砌石坝大试件劈拉强度来自两个方面，一是大粒径砌石搭接形成骨架结构受力，二是高填充自密实混凝土包裹大粒径砌石形成的机械咬合力。填充密实的自密实混凝土在空间形成对大粒径砌石的反力，提高了大粒径砌石抗拉的能力。大试件劈拉强度极限荷载在1.1～3.0MPa区间，离散性较大，数值为抗压强度值1/10。
3.4 静力弹性模量
3.4.1 弹性模量试验
本研究开展大试件静力弹性模量试验，相关数据如图9—10和见表10—12。
图9 静力弹性模量试验
3.4.2 试验数据
表10 大试件弹性模量试验参数
表11 大试件弹性模量值所占比例 单位：GPa
表12 大试件弹性模量综合参数 单位：GPa
图10 大试件弹性模量分布
3.4.3 试验现象及数据分析
如图8所示，试验过程中大粒径砌石和高填充自密实混凝土的各相组成比例及骨架密实结构是关键因素。大试件承受荷载作用下体积变化及裂纹产生与抗压强度试验近似，达到极限荷载所用时间更短。
高填充自密实混凝土砌石坝应力应变关系体现复合材料特征，不同组分材料特性既独立又互相作用，弹性模量数据基本符合串并联模型混合律关系。弹性模量极限值为7.1～47.6GPa区间，数值呈现水平变化，离散性较大。
本研究中，高填充自密实混凝土砌石坝物理力学指标数值的离散差异与常规的破坏形态应该和大粒径砌石空间堆放的随机性、不均匀性、多相材料荷载传递复杂性以及切割大试件导致大粒径砌石分布更不平均、搭接受力不充分密切相关。
分析原因，本试验采用对试验仓进行切割的方法导致大尺寸试件的性能由大粒径砌石和高填充自密实混凝土组分起决定因素之一，有的大试件大粒径砌石占比大、有的大试件高填充自密实混凝土占比大，导致物理力学性能呈现离散性。随机分布的大粒径砌石粒径要求大于300mm，最大可到1000mm左右，切割后大试件尺寸最大是450mm，对于研究而言不能形成重复单元，直接影响抗压强度、劈拉强度、弹性模量等值。
本研究从工程角度立足于解决应用的问题，首先高填充自密实混凝土砌石坝是一种中国人自主发明新筑坝技术，具备很多优点，工程应用广泛，但是高填充自密实混凝土砌石坝区别于常规混凝土；
其次，由于大粒径砌石粒径很大，没有更大的压力机能对高填充自密实混凝土砌石坝原型试验仓进行试验(目前最大有3000t压力机，贵州只有1000t压力机)；
再次，切割技术是对高填充自密实混凝土砌石坝原型试验仓的分解，尝试由大试件强度再反演分析试验仓的受力性能，采集足够多切割大试件样本强度值将会趋近高填充自密实混凝土砌石坝复合材料最不利强度下限值，找到规律可以更加接近高填充自密实混凝土砌石坝的本质特征。
(1)高填充自密实混凝土砌石坝具备较高的抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量值，力学性质具有尺寸效应，数值离散性大，大尺寸试件实测力学指标高于设计采用的高填充自密实混凝土设计指标。
(2)高填充自密实混凝土砌石坝从结构上可定义为骨架密实型复合材料。高填充自密实混凝土砌石坝由大粒径砌石在仓面堆满通过接触点搭接嵌挤起骨架作用主要承受荷载，用高填充自密实混凝土填充大粒径砌石空隙保证密实，实现填充、包裹、机械咬合和传递荷载。
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