熊泽斌，刘春鹏，郑光俊，潘家军，谭 凡，张 婷

(1.长江设计集团有限公司，湖北 武汉 430010； 2.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430010； 3.长江科学院 土工研究所，湖北 武汉 430010； 4.水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北 武汉 430010)

0 引 言

沥青混凝土心墙具有防渗性能好、较好适应土石坝的不均匀沉降、塑性性能好、耐久性和自愈能力强等特点[1]，近年来多用作土石坝的防渗体。因此，沥青混凝土心墙土石坝越来越受到国内外有关专家和工程界的重视[2]。

针对沥青混凝土配合比[3-5]和力学特性影响因素的研究较多。何晓民[6]对茅坪溪大坝的沥青混凝土进行三轴固结排水剪切试验，发现变形模量和摩擦角会随着温度和沥青含量的增高而降低。陈宇等[7]探究了温度对三轴试验结果的影响。任少辉[8]对不同应变速率的影响进行了探究，结果表明：加载速率越大，试样强度越高，体变越大。魏芸[9]采用正交试验对配合比进行了设计，并探究了不同温度、不同围压对沥青混凝土力学性质的影响。Kaare、杨华全和屈漫利等通过试验研究了不同成型方法对沥青混凝土力学性质的影响，并进行三轴剪切试验。试验结果表明：马歇尔击实法制备得到的试件强度与现场压实钻孔取芯试件差别最小[10-12]。

目前，关于沥青混凝土的研究多基于配合比和温度等因素，对于不同性质骨料组成的沥青混凝土力学性能研究较少。因此，本文依托西藏拉洛水利枢纽沥青混凝土心墙堆石坝工程，通过对不同性质骨料组成的沥青混凝土心墙料进行固结排水三轴剪切试验，探究骨料性质、含量、温度和剪切速率等对其力学性能的影响规律。

1 原材料组成

采用骨料级配指数(n)、沥青含量(B)和填料含量(F)作为配合比设计过程中的主要控制参数。

1.1 沥 青

试验中所用沥青为克拉玛依70号水工热沥青，沥青加热前为可塑的半固体状，加热熔化后变成黏稠的液体。沥青技术参数指标见表1。

表1 沥青技术参数Tab.1 Technical parameters of asphalt

1.2 骨料及填料

1.2.1 粗骨料

为探究不同性质骨料对沥青混凝土力学性能的影响，粗骨料采用日喀则地区卡吉郎沟辉绿岩和吉定镇灰岩两种。其中，辉绿岩的碱度模数M=0.89，根据DL/T 5363-2016《水工碾压式沥青混凝土施工规范》要求，属中性骨料；灰岩碱度模数M=1.87，属碱性骨料。粒径范围见表2。各项性能指标见表3。

表2 粗骨料粒径范围Tab.2 Coarse aggregate particle size range

表3 骨料、填料性能指标Tab.3 Property indexes of aggregate and stuffing

1.2.2 细骨料

试验所用细骨料分别为辉绿岩、天然河砂和灰岩。天然河砂细骨料与辉绿岩人工细骨料的比例分别为1∶0，1∶1，0∶1。细骨料各项指标见表3。骨料及河砂级配曲线见图1。

图1 骨料及河砂级配曲线Fig.1 Grading curves of aggregate and river sand

1.2.3 填 料

填料采用辉绿岩矿粉和灰岩矿粉。相关技术指标见表3。本次试验采用表4中的配合比，按击实成型方法制备试件。

表4 沥青混凝土试验配合比Tab.4 Mix ratio of asphalt concrete test

2 三轴试验方法与条件

三轴试样制备参照DL/T 5362-2018《水工沥青混凝土试验规程》，试样尺寸为Φ101 mm×200 mm，试验在SY250型应变式三轴仪上进行，试验仪器见图2。试验中体变的量测采用外体变量测装置，通过测量压力室内水的质量变化来换算外体变。当试样体积发生膨胀时，压力室的水进入围压控制压力室，反之围压控制压力室的水进入压力室。

图2 带外变测试系统的温控三轴设备Fig.2 Temperature-controlled triaxial equipment with external variable system

由于温度对沥青混凝土强度参数影响较大，在压力室内壁安装螺旋形铜管进行温度控制，保证压力室内水温变化范围不超过控制温度的±0.5 ℃。

3 试验内容

本文对不同骨料的沥青混凝土进行了不同加载速率、不同温度下的三轴固结排水剪切试验(CD)，以探究骨料、温度及加载速率对沥青混凝土力学性能的影响。西藏拉洛水利枢纽工程所在地区多年平均气温4.8 ℃，月平均气温最高为12.7 ℃(7月)，月平均气温最低为-4.8 ℃(1月)，极端最高气温28.2 ℃；由于心墙上游侧长期浸泡在水中，水温一般不会低于5 ℃，因此选择4.8，12.7，28.2 ℃等特征温度进行试验。具体试验内容见表5。

表5 静三轴试验方案Tab.5 Static triaxial test scheme

4 试验成果分析

4.1 试验成果及参数

沥青混凝土的三轴试验应力-应变关系成果如图3～4所示(以12.7 ℃，剪切速率为0.2 mm/min，粗、细骨料均为辉绿岩和灰岩为例)。

图3 灰岩应力应变曲线及强度包线Fig.3 Stress-strain curve and strength envelope of limestone

图4 辉绿岩应力应变曲线及强度包线Fig.4 Stress-strain curve and strength envelope of diabas

由图3～4可知：骨料为辉绿岩或灰岩的试样在低围压下均出现应变软化现象，围压较高时该现象不明显。体积应变-轴向应变曲线开始阶段表现为剪缩，随后出现剪胀；围压越大，剪缩现象越明显，剪胀性明显减弱；峰值强度随着围压增大而增大。在沥青混凝土心墙坝应力-应变计算过程中，目前国内使用邓肯-张模型较多[13-15]，本文仅提出E-μ模型参数，如图5所示，由于侧向应变与轴向应变近乎直线关系，取体变参数D=0，见表6。由表6可知：辉绿岩作为骨料的沥青混凝土黏聚力c值较灰岩的高，但摩擦角偏低，其他参数相差不大。

表6 三轴试验E-μ模型参数Tab.6 Triaxial test E-μ model parameters

图5 侧向应变和轴向应变关系曲线Fig.5 Relationship curve between lateral strain and axial strain

4.2 影响因素分析

4.2.1 天然河砂影响

图6为细骨料掺不同比例天然河砂的沥青混凝土应力-应变关系曲线。由图6(a)可知，不同比例河砂的掺入对其应力应变曲线影响较小，即细骨料掺河砂对沥青混凝土试件的整体力学性能影响很小。但据图6(b)可知，细骨料均为辉绿岩试样在试验过程中先体缩再体涨，而掺入河砂的试样均为体涨，且引起的体胀也略大些，这可能是天然河砂的磨圆度较人工骨料磨圆度好，且随河砂掺量增多，破坏应变也有增大趋势。

图6 不同河砂掺量力学特征曲线Fig.6 Mechanical characteristic curves of different river sand contents

4.2.2 温度影响

通过对粗、细骨料均为辉绿岩的沥青混凝土进行4.8，12.7 ℃和28.2 ℃下的三轴试验，发现试验温度对沥青混凝土三轴试验强度与破坏应变有较大影响，见图7～8。试样强度随试验温度升高而明显降低，围压较低时降低趋势更加显著；围压为0.1 MPa时，28.2 ℃时的强度较4.8 ℃时强度降低约65%，而围压为1.0 MPa时，强度仅降低31%。试验温度越低，三轴试验破坏应变大幅减小，应变软化现象越明显，甚至温度的改变引起的应变软化或硬化现象也不同；温度低于12.7 ℃时，温度对破坏应变的影响较大，且围压较大时这种趋势更显著。围压为0.1 MPa时，温度12.7 ℃时的破坏轴向应变较4.8 ℃时仅增加3%，而围压为1.0 MPa时，增幅高达55%。由表6可知，模量参数K值随温度的增加而减小，温度低于12.7 ℃时模量的温度敏感性较显著；初始切线泊松比G随着温度的增大有减小的趋势，但影响不显著；n、Rf和F值受温度影响较小。

图7 破坏轴向应变与温度关系Fig.7 Relationship between axial strain at failure and temperature

图8 破坏偏应力与温度关系Fig.8 Relationship between failure deviatoric stress and temperature

4.2.3 剪切速率影响

为探究剪切速率对试验结果的影响，进行了0.05，0.2 mm/min和1.0 mm/min等速率的三轴剪切试验，得到破坏偏应力、破坏应变与加载速率的关系如图9～10所示。

图9 破坏轴向应变与剪切速率关系Fig.9 Relationship between axial strain at failure and shear rate

图10 破坏偏应力与剪切速率关系Fig.10 Relationship between failure deviatoric stress and shear rate

由图9～10可知：剪切速率越大，沥青混凝土的强度越高，相同围压时加载速率为1.0 mm/min的破坏强度约为0.05 mm/min的1.5～3.0倍。而且，剪切速率为0.05～0.2 mm/min时的影响更显著，这也反映了沥青混凝土存在蠕变强度的问题。随着剪切速率增大，试样破坏应变减小，剪切速率为0.05～0.2 mm/min时，破坏应变减小较明显，例如，0.1 MPa围压时，0.2 mm/min剪切速率下的破坏应变较0.05 mm/min时减小37%，而1.0 mm/min剪切速率下，破坏应变较0.2 mm/min时仅减小18%。由表6可知，剪切速率越大，模量参数K越大，可见模量也是速率相关的参数；n和G值随着剪切速率的增大有增大的趋势，而Rf和F基本不受剪切速率的影响。

5 结 论

本文通过对不同性质骨料的沥青混凝土进行室内三轴试验，探究不同骨料组成、温度和剪切速率对沥青混凝土力学性质的影响。主要得到以下结论。

(1) 辉绿岩作为骨料和灰岩作为骨料的沥青混凝土强度未见明显差异，且在细骨料中添加不同比例的天然河砂对其力学性能基本没有影响。

(2) 破坏应变随着温度增大而增大，随着剪切速率的增大而减小，这反映了沥青混凝土存在蠕变强度问题；破坏偏应力随温度增加显著减小，随着剪切速率增大而增大。

(3) 邓肯-张E-μ模型中的模量参数K随温度减小和剪切速率增大而增大，n值随剪切速率增大有增大趋势，但受温度影响较小；G值随温度降低和剪切速率增大而增大，而Rf和F基本不受影响。