次仁云旦,王柳江,扎西顿珠,毛航宇,李瑞平

(1.西藏自治区水利电力规划勘测设计研究院,拉萨 850000; 2.河海大学 水利水电学院,南京 210098;3.大坝长效特性及环保修复技术中西联合实验室,南京 210098)

0 引 言

沥青心墙坝具有适应结构变形能力强、防渗和抗震性能好、就地取材等优点,是一种具有广泛应用前景的坝型[1-2]。近年来,随着我国西部水电能源基地建设的加快,沥青混凝土心墙坝在西藏、新疆等高寒、高海拔地区得到了较为广泛的应用,如尼雅(坝高134 m,下同)、大石门(128.5 m)、帕孜(108 m)等一批百米级的沥青混凝土心墙坝[3-4],其中去学沥青混凝土心墙堆石坝最大坝高174 m,是目前世界上最高的沥青混凝土心墙堆石坝[5]。由于大部分沥青混凝土心墙坝建于高寒地区,这些地区的年平均气温较低,且季节、昼夜气温变化幅度剧烈,温度对沥青混凝土力学特性的影响不容忽视。然而,有关水工沥青混凝土力学特性的试验温度一般取坝址区的年平均气温,极少考虑温度变化的影响,导致确定的力学参数与实际存在较大差异[6-8]。因此,研究不同温度下水工沥青混凝土的应力变形特性,对于合理预测沥青混凝土心墙变形,评价其安全性具有重要的工程意义。

近年来,沥青混凝土的剪胀特性开始得到相关学者的关注[2,9],主要是沥青混凝土剪胀会导致其内部产生局部微小裂缝,孔隙率增大,抗渗性能降低,进而诱发心墙发生水力劈裂,影响大坝整体稳定[4,10-11]。李志强等[12]对16.4 ℃下的沥青混凝土开展了三轴剪切试验,发现沥青混凝土的体积应变-轴向应变关系曲线呈先剪缩后剪胀的变化趋势,且剪胀十分显著。基于颗粒离散元理论,刘璇等[13]开展了沥青混凝土三轴试验的DEM数值模拟,从细观角度阐述了沥青混凝土的剪胀机理。张伟等[14]对室温条件下的沥青混凝土开展了三轴剪切试验,发现试样在剪切过程剪胀十分明显,且伴随出现竖向裂纹和粗骨料破碎,但随着围压的增大,裂隙破坏程度逐渐减少。曹岩等[15]考虑剪胀后沥青混凝土孔隙率的变化,开展了水力劈裂试验,认为过大的剪胀极有可能导致沥青混凝土心墙产生水力劈裂。王柳江等[16]对不同温度下的水工沥青混凝土开展了三轴蠕变试验,发现蠕变阶段也会发生体积膨胀现象。同样,对于水工沥青混凝土的剪胀特性,目前较少考虑温度变化的影响。

本文首先开展了不同温度下的水工沥青混凝土三轴剪切试验;其次,基于试验结果整理了不同温度下偏应力、体变与轴向应变的关系曲线,分析了温度对试样破坏偏应力的影响,并给出了内摩擦角和黏聚力与温度之间的拟合关系;最后,基于沥青混凝土剪胀角与轴向应变的关系,提出了双曲线剪胀模型,并分析了温度对剪胀模型参数的影响。

1 原材料与试样制备

1.1 材料配比

本次试验所采用的胶结材料为克拉玛依70号水工沥青,其密度为0.988 g/cm3,针入度为70～90 (以0.1 mm记为1个单位),延度>150 cm,软化点为49 ℃。矿料由石灰岩破碎而成,包括粗骨料(料径19～2.36 mm)和细骨料(料径2.36～0.075 mm),矿粉(料径<0.075 mm)。沥青混凝土配合比如下:级配指数0.39,油石比7.0%,矿粉含量12%。

1.2 试验制备

三轴试样制备依据《水工沥青混凝土试验规程》(DL/T 5362—2018)[17],其直径100 mm,高200 mm,采用分层击实法制备而成。具体步骤如下:

(1)将烘干的粗细骨料及矿粉按配合比称重混合后放入烘箱预热,温度控制在(170±5)℃,同时将成型模具放入烘箱预热。

(2)在另一烘箱中将沥青加热到160 ℃备用。

(3)将预热好的骨料和沥青倒入200 ℃的拌和锅内进行拌和。

(4)将拌和均匀的沥青混合料分为4份进行分层击实,每层击实高度50 mm,击实密度以达到马歇尔试件标准击实密度的100%±1%为准。

(5)每层击实后对表面进行刨毛,进行下一层击实。

(6)试样自然冷却后脱模在试样表面包裹保鲜膜,放入-30 ℃的冰柜中,防止室温条件下试样变形,养护24 h后开展试验。

2 试验装置和试验方法

2.1 试验装置

试验在河海大学自主开发的温-湿度联合控制三轴仪[18]上进行,如图1所示。该仪器包括温度控制系统A、轴向加载系统B、内部设有螺旋形紫铜管的双层压力室C、反压作动器D、围压作动器E、温度探头F以及数据采集系统G。主要技术参数如下:最大轴向荷载100 kN,最大围压2.0 MPa,温控范围-20～80 ℃。

图1 温-湿度联合控制三轴仪Fig.1 Temperature-humidity controlled triaxial apparatus

2.2 试验方法

本次试验控制试样温度T= -1、5、10、15 ℃,围压σ3=0.2、0.4、0.6、0.8 Pa。沥青混凝土的三轴试验方法按照《水工沥青混凝土试验规程》(DL/T 5362—2018)进行,试验前,将试样和压力室中的水放入恒温箱内静置12 h;试验时,将压力室内的试样温度稳定2 h后开始加载,设定加载速率为0.2 mm/min。由于水工沥青混凝土渗透性极低,试样体变采用外体变量测技术。

3 试验结果分析

3.1 温度对应力-应变曲线的影响

图2为不同温度下沥青混凝土围压σ3=0.2 MPa时的应力-应变曲线。图2(a)为偏应力-轴向应变曲线。可以看到,温度越低,沥青混凝土的初期弹性加载段曲线愈陡,对应的破坏应力越大。当温度T=-1 ℃时,应力-应变曲线有明显峰值,且峰值点对应的轴向应变较小,当达到峰值应力后,试样表现出明显的应变软化现象。当温度T>0 ℃后,沥青混凝土应力-应变曲线转变为应变硬化型曲线,且破坏应力随着温度的升高而减小,这主要是沥青在0 ℃以下时为弹脆性材料,0 ℃以上变为黏弹性材料。

图2 不同温度下沥青混凝土应力-应变曲线(σ3=0.2 MPa)Fig.2 Stress-strain curves of asphalt concrete under different temperatures (σ3=0.2 MPa)

图2(b)为不同温度下沥青混凝土试样的体积应变-轴向应变曲线。可以看到,在剪切过程中,沥青混凝土表现为先剪缩再剪胀,且对于不同围压下的试样,其剪缩量十分小且趋于相等,这主要是由于水工沥青混凝土的孔隙率非常小,通常在3%以内,使得剪切作用下的体积压缩量十分有限。此外,当温度<0 ℃时,试样剪胀变得十分明显,这是由于沥青混凝土在负温条件下表现为弹脆性破坏,其内部产生微小的裂纹,导致试样孔隙体积增加明显。

3.2 温度对强度特性的影响

通常情况下,对于应变软化型应力-应变曲线,取峰值应力作为破坏偏应力;对于应变硬化型曲线,本文取轴向应变15%对应的偏应力为破坏偏应力。表1为不同温度和围压下的沥青混凝土破坏偏应力,图3为不同围压下破坏偏应力随温度变化曲线。可以看到,沥青混凝土破坏偏应力随围压增大而增大;在围压相同条件下,破坏偏应力随温度升高而减小。值得注意的是,沥青混凝土的破坏偏应力随温度升高呈非线性减小,当温度从-1 ℃升高到5 ℃时,破坏偏应力降幅最大,当温度从5 ℃升高到15 ℃时,破坏偏应力降幅明显减小。由于沥青混凝土的变形在负温时表现为脆性,正温时变为黏弹性,因此,温度由负变正时的破坏偏应力变化最为显著。

表1 不同温度和围压下沥青混凝土破坏偏应力Table 1 Deviatoric stress of failure for asphalt concrete samples under different temperatures and confining pressures

图3 不同围压下破坏偏应力随温度变化曲线Fig.3 Variation of deviatoric stress of failure with temperature at different confining pressures

图4为沥青混凝土内摩擦角和黏聚力随温度变化曲线。可以看到,沥青混凝土内摩擦角与温度呈很好的线性关系,温度每上升10 ℃,内摩擦角约降低3°;黏聚力同样随着温度的升高而减小,尤其从负温到正温时,其降幅十分显著,可采用指数函数对其进行拟合。可以发现,温度对内摩擦角的影响相对黏聚力小,这是由于内摩擦角取决于骨料颗粒之间的接触、咬合作用,而黏聚力主要取决于颗粒之间沥青的胶结作用。当温度较低时,沥青的胶结作用显著,黏聚力较高,而随着温度的升高,沥青逐渐转变为黏性材料,胶结作用减弱,当温度继续升高到沥青软化点时,沥青将变成润滑材料,此时沥青混凝土的黏聚力将趋于0。

图4 沥青混凝土内摩擦角和黏聚力随温度变化的拟合曲线Fig.4 Fitting curves of internal friction angle and cohesion of asphalt concrete varying with temperature

3.3 温度对剪胀特性的影响

通常情况下,利用三轴试验结果可整理出剪胀角ψ,其表达式为

(1)

图5为不同温度和围压下沥青混凝土剪胀角随轴向应变的变化曲线。可以看到,在初始剪切阶段,试样表现为剪缩,剪胀角接近于0;当轴向应变大于某一值后,剪胀角随轴向应变的增大而增大,并趋于稳定,且围压越小、温度越低,剪胀角越大。可以发现,剪胀角与轴向应变的关系可采用双曲线进行拟合,因此可得到如下关系式

(2)

图5 不同温度下沥青混凝土剪胀角随轴向应变变化及模型预测Fig.5 Variation and model predication of dilatancy angle with axial strain of asphalt concrete under different temperatures

式中a、b、c为拟合参数。其中,参数a为对应试样由剪缩到剪胀时刻的轴向应变,当εaa时,试样开始剪胀。

当εa→a时,由式(2)可得

(3)

可见,参数c为剪胀开始时刻剪胀角初始增长率的倒数。

当εa→ ∞时,由式(2)可得

(4)

可见,参数b为试样破坏时剪胀角ψf的倒数。

图5给出了不同温度下沥青混凝土剪胀角与轴向应变的试验结果及拟合曲线。可以看到,双曲线模型能够较好地描述三轴剪切过程中沥青混凝土试样剪胀角的变化规律。下面将统计不同温度下的双曲线模型参数,并对其变化规律进行分析。

表2给出了不同温度和围压下的双曲线剪胀模型参数。可以看到,参数a受围压的影响较小,但受温度的影响较为显著,为此,绘制不同围压下参数a的平均值随温度变化曲线,如图6所示。当温度在-1～10 ℃时,a表现为线性增加,当温度>10 ℃后趋于稳定。图7(a)为不同围压下参数b随温度变化曲线。可以看到,围压等于0.2 MPa、温度等于-1 ℃时,b最小,即对应的破坏剪胀角ψf最大;随着围压的增大和温度的升高,参数b逐渐增大,即破坏剪胀角ψf变小。图7(b)为不同围压下参数c随温度变化曲线。可以看到,参数c与围压和温度同样呈较好的正相关性,围压越大,温度越高,对应的参数c越大,即剪胀角初始增长率越小。综上,沥青混凝土的剪胀性随温度和围压的增大而减弱。

表2 不同温度下沥青混凝土双曲线模型参数Table 2 Parameters for hyperbola model of asphalt concrete under different temperatures

图6 参数a随温度变化曲线Fig.6 Variation of parame-ter a with temperature

图7 不同围压下参数b和c随温度变化曲线Fig.7 Variation of parameters b and c with temperature for asphalt concrete at different confining pressures

4 结 论

本文开展了不同温度下水工沥青混凝土三轴剪切试验,分析了温度对沥青混凝土强度变形特性和剪胀特性的影响,得出如下结论:

(1)负温条件下,沥青混凝土应力-应变曲线表现应变软化型,且剪胀十分明显,随着温度的升高,应力-应变曲线逐渐转变为应变硬化型,且剪胀性减弱。

(2)沥青混凝土抗剪强度随温度升高而降低,且温度对黏聚力的影响明显大于内摩擦角,当温度由-1 ℃升高到15 ℃时,内摩擦角减小了4.7°,而黏聚力由1.11 MPa减小到0.28 MPa。

(3)沥青混凝土剪胀角随轴向应变增大而增大并趋于稳定,采用双曲线模拟可较好描述剪胀角与轴向应变之间的关系。

(4)双曲线剪胀模型参数与温度和围压有较好的相关性,可反映温度和围压对剪胀角的影响,进而用于沥青混凝土热-力耦合本构模型的建立。