郝伟民

(五家渠农六师勘测设计研究有限责任公司，新疆 五家渠 831300)

新疆地区部分内陆河由于夏季冰雪融化以及暴雨等影响，河道水位暴涨，导致下游河道防洪压力倍增，特别是一些运营时间较长的防洪堤坝等[1- 3]，以麻沟河为例，在雨季水位流量常年高于80m3/s，因而，研究防洪枢纽工程安全运营性很有必要。在防洪堤坝等水工设施中，混凝土作为不可缺少的原材料，力学稳定性关乎着防洪结构的安全长久运营[4- 6]。目前，吴敏强[7]、胡良明等[8]、王瑞骏等[9]采用室内试验手段，通过单、三轴等试验方案，开展了混凝土压缩力学、弯曲力学等力学特性研究，极大地丰富了水利工程中混凝土材料研究成果。作为一种典型颗粒流组成材料，利用PFC等颗粒流离散元仿真手段，计算研究实际工程约束荷载下混凝土材料应力变形特征，为实际工程设计提供了重要参考[10- 12]。不论是仿真计算亦或是室内试验，一定程度上均脱离了实际工程开展研究，因而崔海波等[13]、张英达等[14]、肖楚珺等[15]在现场利用监测手段，研究了混凝土在实际工程运营过程中内部应力或变形变化，为探讨最佳混凝土性能设计提供了依据。基于麻沟河实际工程应用背景下，设计开展不同因素影响下混凝土力学特征变化，为麻沟河防洪治理工程水利设计提供一定参考。

1 试验介绍

1.1 工程背景

麻沟河是新疆昌吉境内重要水源河流，为地区内农业用水以及生活用水供应提供重要保障，流域面积200km2，多年平均径流量为5.43×106m3，河道长约60km，其中灌溉下游农田面积8666.67hm2。由于上游中葛根河洪水常年水位较高，对下游生活区以及水资源调度设施均造成较大威胁，上游中葛根河来水流量常年高于60m3/s，下游麻沟河区段防洪压力较大，为此，对麻沟河下游开展防洪治理很有必要。根据工程调查得知，目前麻沟河面临洪水压力最大的区段乃是-8+650—7+300，全长为15.95km，设计该区段内防洪标准为10a一遇、洪峰流量71.6m3/s。采用混凝土砌块作为河岸护坡材料，防洪堤坝主体采用砂砾石料分层堆筑，在坝趾及坡脚等区域回填碎石等垫层材料，增强坡脚区域防渗性，设计防洪堤顶宽为3.5m，两侧坡度均为1/1.5，河道堤防护坡断面如图1所示。采用预制混凝土砌块作为护坡材料，厚度为15cm；为增强整体防洪堤坝稳定性，在堤坝上按照间隔100m设置防渗墙与防洪墙，其中防渗墙厚度为60cm，与堤坝土工格膜等构成堤坝防渗系统，确保堤坝渗流安全。在该防洪治理工程中不仅仅在坝身护坡采用预制混凝土材料，在坝肩以及防浪墙等水利设施中均采用了该类混凝土砌块，因而针对性开展预制混凝土力学稳定性研究对水利工程安全运营以及最佳设计方案均具有重要意义。

图1 河道堤防护坡断面图(单位：cm)

1.2 试验方案

本次防洪堤坝混凝土砌块材料单轴加载试验机采用RAW- 500性伺服式液压控制试验系统，该试验系统包括有加载系统与数据采集系统，其中加载系统采用电脑程序控制轴向荷载，可变换力控与变形控制2种方式，数据采集系统可根据需要间隔0.5～10s采集，其中变形控制加载最小速率可达0.0001mm/min，轴向加载力传感器最大可达1000kN，轴向位移传感器最大量程可达20mm，环向变形传感器量程为-10～10mm，各传感器精度均满足实验要求，误差不超过0.5%，确保实验精度及试验结果可靠性。根据麻沟河防洪堤坝预制混凝土材料基本设计参数得知，混凝土水灰比为0.4，水泥用量为387kg/m3，粗细骨料分别为1178、620kg/m3，水用量为216kg/m3。在护坡砌块以及防浪墙等水利设施中，预制混凝土增加了膨润土，根据不同工程应用掺量差异，膨润土掺量分别设定为0%、10%、20%、30%；由于预制混凝土在护坡砌块中尺寸差异显著，而尺寸参数对预制混凝土力学稳定性具有较大影响，因而本试验中以试样高度作为表征预制混凝土尺寸差异，高度方案分别设定为150、300、450、550、700mm，采用的试样尺寸长、宽均为150mm，研究试样高度影响力学稳定性时，仅改变高度参数，而膨润土影响性方案中混凝土试样尺寸参数均保持一致，所制作的典型试样如图2所示，试验具体方案见表1。

表1 试验具体方案

图2 典型试样

按照如下试验程序进行：

(1)针对目标试样尺寸参数以及膨润土设计掺量等完成制作，并放入养护箱内养护24h，完成试验前准备工作后，将试样安装在RAW- 500型单轴加载系统中，安装好轴向变形、环向变形等数据采集传感器，在试验机加载程序中设定好相关试样物理特征参数，如图3所示。

图3 传感器安装后试样

(2)开始轴向加载，加载方式以力控与变形控制组合方式完成单轴加载，其中变形控制加载速率为0.02mm/min，力控加载速率为30kN/min，直至试样发生失稳破坏。

(3)结束试验，卸下轴向荷载与相关监测传感器，更换试样，重复进行上述操作。

2 膨润土掺量与混凝土力学特征关系

2.1 荷载位移分析

膨润土作为一种混凝土添加剂，当施加不同掺量时混凝土内部黏结性以及流动性均会受到影响，进而改变混凝土材料力学特征，为此，试验获得了膨润土掺量对混凝土力学特征影响关系曲线，如图4所示。从图中可看出，膨润土掺量与各试样荷载关系为先增后减，其中以掺量20%试样荷载水平最大，当试样高度为300mm时，在试样相同位移2mm下，其中掺量0%混凝土荷载为15.65kN，而掺量10%、20%对应的荷载相比前者增大了72.3%、2.09倍，但掺量30%混凝土试样加载荷载又相比掺量20%降低了23.6%，表明膨润土掺量对混凝土单轴荷载影响具有临界拐点。当处于临界拐点以下时，膨润土掺量与混凝土承载能力为正相关，当超过临界拐点，则承载能力呈降低态势，而本次实验中膨润土掺量临界拐点则为20%。笔者认为，膨润土作为一种细颗粒骨料，在混凝土颗粒骨架中能够很好地起到填充孔隙作用，进而提升混凝土整体颗粒骨架稳定性，确保混凝土试样承载能力[16]；但不可忽视，膨润土承载强度与混凝土强度终究存在着差距，当膨润土在混凝土试样中占比较多时，其势必需要参与混凝土的强度承载中来，因而会削弱混凝土承载能力。

图4 不同膨润土掺量影响下混凝土荷载位移曲线

与应力特征具有相反态势的是，混凝土试样变形特征随膨润土掺量为先减后增变化，其中该变形特征以峰值位移与最大位移为例，试样高度为300mm时，膨润土掺量0%试样的峰值位移为9.8mm，而膨润土掺量10%、20%试样峰值位移为6.89、5.21mm，但掺量30%峰值位移相比掺量20%下，增大为6.13mm。其中最大位移变化特征如图5所示，最大位移随膨润土掺量呈“V”字变化，各高度下试样特征均是如此，当试样高度均为450mm时，以掺量20%最大位移为最低，仅为8.55mm，其中膨润土掺量0%、30%最大位移基本相接近，均稳定在9.8mm。分析表明，当混凝土内膨润土掺量处于20%以下时，混凝土颗粒骨架整体承载能力较强，脆性变形占据主导，塑性变形能力较弱，因而最大位移呈递减态势。

图5 最大位移与膨润土掺量关系曲线

2.2 强度特征

膨润土掺量不仅仅影响加载过程中应力位移特征，从结果论角度来看，混凝土单轴抗压强度均受膨润土掺量影响，图6为混凝土抗压强度与膨润土掺量关系曲线。其中试样高度300mm时，膨润土掺量20%单轴抗压强度为3.43MPa，而掺量为0%、10%抗压强度相比前者降低了23.9%、7.3%，掺量30%抗压强度又降低了11.1%，当膨润土掺量低于临界拐点时，平均每增长10%掺量，抗压强度增长14.8%，而掺量高于临界拐点后，平均增长10%掺量，抗压强度降低11%；当试样高度增大至700mm时，在掺量临界点前后2个阶段中，增长量与降低量分别为12.5%、12.7%，表明膨润土掺量影响混凝土强度幅度差异在试样高度参数改变下无显著性改变，此种现象在试样高度300～700mm中均是如此，但以试样高度150mm例外，其抗压强度乃是最大。

图6 单轴抗压强度与膨润土掺量关系曲线

3 试样高度与混凝土力学特征关系

3.1 应力变形

同理获得试样高度参数对混凝土力学特征影响，图 7为不同试样高度下应力位移曲线特征。从图7可以看出，除试样高度150mm以外，试样高度与单轴荷载为正相关，当位移均为1.5mm时，试样高度300mm的荷载为16.2kN，高度450、700mm试样相应的荷载乃是前者的1.25、1.62倍。笔者认为，当试样高度超过长、宽尺寸后，则试样承载方向以高度方向一致，当高度参数增大，则加载应力有一定增长，但相比之下，当试样高度处于长、宽尺寸一致时，试样内部晶体颗粒骨架稳定性以及初始裂隙发育率均较低，进而导致混凝土试样整体稳定性较高，承载能力亦较大[17]。

图7 不同试样高度影响下混凝土荷载位移曲线

图8为不同试样高度的混凝土最大位移变化特征。从图中可看出，相同膨润土掺量下最大位移随试样高度呈先减后增态势变化，其中试样高度450mm试样的最大位移为最小，膨润土掺量10%下时其最大位移为9.2mm，试样高度300mm最大位移相比之增大了30.4%，但试样高度550、700mm相比之亦增大了9.7%、19.2%；当膨润土掺量提升至20%后，最大位移整体水平均降低，但各个高度试样间的最大位移值差异幅度基本保持一致，试样高度300、550、700mm最大位移相比高度450mm分别增大了31.2%、10.3%、19.5%；由此可知，膨润土掺量改变对试样高度与混凝土最大位移之间关系无显著性影响。

图8 最大位移与试样高度关系曲线

体积变形作为衡量试样变形压缩与扩容的重要指标，根据本试验结果同样获得了最大压缩体积应变与2个影响因素关系曲线，如图9所示。从图9可看出，相同膨润土掺量下最大压缩体变与试样高度为负相关，在同为膨润土掺量10%时，试样高度150mm的最大压缩体积应变为1.6%，而试样高度为550、700mm的最大压缩体变分别为0.39%、0.33%；而对比相同试样高度下，最大压缩体变与膨润土掺量为先减后增变化，以膨润土掺量20%时的最大压缩体变为最小，试样高度300mm中，膨润土掺量20%的最大压缩体变为0.53%，而掺量0%、10%、30%最大压缩体变分别为0.62%、0.58%、0.65%。

图9 最大压缩体变与试样高度变化关系

3.2 强度特征

图10为不同试样高度影响下混凝土抗压强度变化特征。从强度变化特征可知，试样高度150mm的抗压强度最大，随高度参数增大，抗压强度呈先减后增变化，此变化特征在各个膨润土掺量对比组中均是如此，以膨润土掺量20%为例，试样高度150mm下抗压强度为5.6MPa，而高度增大至300、550、700mm后的抗压强度相比前者分别降低了52.7%、43.2%、38.1%；在试样高度变化过程中，以高度150～300mm之间，抗压强度降幅最大，可达52.7%，而在高度300～700mm间，平均每增长1mm高度，抗压强度增大了0.002MPa。分析认为，从工程设计安全性以及材料经济性综合角度考虑，试样高度应该保证在强度增长性最佳状态，并与工程实际尺寸需要相契合。

图10 单轴抗压强度与试样高度关系曲线

4 结论

(1)混凝土强度随膨润土掺量为先增后减变化，临界点为掺量20%，当掺量低于临界拐点时，每增长10%掺量，抗压强度平均增长14.8%，而高于临界点后，增长10%掺量，抗压强度降低11%。

(2)混凝土峰值位移与最大位移均随膨润土掺量呈先减后增态势，以掺量20%位移特征值最小。

(3)混凝土强度随高度呈先减后增态势，在高度150～300mm之间，强度降幅最大，而在高度300～750mm间，平均每增长1mm高度，抗压强度增大了0.002MPa。

(4)相同膨润土掺量下最大位移随高度呈先减后增态势；相同掺量下最大压缩体变与高度为负相关，相同高度下，最大压缩体变与掺量呈先减后增态势。