粵北地區(qū)穿高地溫河道堤防混凝土材料HM耦合試驗(yàn)研究

高四軍

（廣東益鑫源工程建設(shè)管理咨詢有限公司，廣東 江門 529000）

1 引言

水利工程中工程環(huán)境常常較為復(fù)雜，包括有高地應(yīng)力、高地溫等特殊工程條件[1,2]，因而工程安全穩(wěn)定性不得不考慮工程環(huán)境對(duì)其的影響，而水利材料作為工程穩(wěn)定性重要組成部分，研究水利工程材料在特殊工程條件下的力學(xué)穩(wěn)定性很有必要。余啟清[3]、李遠(yuǎn)征 等[4]根據(jù)混凝土或土體等材料顆粒流特性，借助PFC等離散元分析平臺(tái)，建立計(jì)算模型與模擬工況，分析不同工況、不同顆粒流參數(shù)下水利材料力學(xué)特征變化，為工程設(shè)計(jì)、施工提供仿真模擬成果。當(dāng)然，限于離散元計(jì)算有時(shí)過(guò)于理想化，因而一些學(xué)者認(rèn)為在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展原位試驗(yàn)很有必要，利用靜、動(dòng)力初探或其他原位試驗(yàn)設(shè)備，可獲得工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際物理力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而反映工程場(chǎng)地穩(wěn)定性[5,6]。包括王毅 等[7]、梁源凱 等[8]在內(nèi)的，利用精密巖土材料試驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)有THM耦合、HM耦合在內(nèi)的三軸、單軸等力學(xué)試驗(yàn)，通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化規(guī)律，反映水利混凝土材料在內(nèi)的力學(xué)穩(wěn)定性影響特征。本文根據(jù)粵北地區(qū)擬建聯(lián)圩樞紐穿高地溫堤防工程混凝土材料的HM耦合試驗(yàn)，分析高溫作用與高聚物纖維體含量影響下的力學(xué)穩(wěn)定性特性，為工程材料應(yīng)用提供一定設(shè)計(jì)參考。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)背景

粵北地區(qū)常年降雨量豐富，且雨季與臺(tái)風(fēng)高發(fā)季節(jié)相遇，常出現(xiàn)水位暴漲、市區(qū)內(nèi)澇等災(zāi)害，為此，工程設(shè)計(jì)部門考慮對(duì)韶關(guān)、清遠(yuǎn)等城市擬建聯(lián)圩防洪排澇樞紐設(shè)施，保障地區(qū)水利安全。該擬建聯(lián)圩防洪樞紐工程需穿過(guò)韶關(guān)等高地溫地區(qū)，設(shè)計(jì)堤壩頂部高程為136.8 m，堤防迎水坡的坡度與背水坡的坡度分別為1∶3、1∶2，為減弱由于高地溫引起的堤身開(kāi)裂、滲透坡降陡升等現(xiàn)象，采用特種混凝土進(jìn)行壩身加固，此類特種混凝土摻加有高聚物纖維體，進(jìn)而在所需進(jìn)行堤防工程施工段內(nèi)均噴射有混凝土。根據(jù)工程所用水利材料分析可知，摻高聚物纖維體特征混凝土的力學(xué)穩(wěn)定性乃是堤防工程可建設(shè)的重中之重，因而，本文針對(duì)此類特殊材料開(kāi)展HM（熱力）耦合下力學(xué)破壞試驗(yàn)研究。

2.2 試驗(yàn)介紹

根據(jù)粵北地區(qū)河道堤防特殊混凝土材料應(yīng)用工程環(huán)境及所需承受的高地溫，高溫試驗(yàn)組中設(shè)定溫度為室溫（25℃）、50℃、75℃、100℃、125℃，另由于高聚物纖維體乃是特殊混凝土耐高溫的關(guān)鍵，因而纖維體含量對(duì)特殊混凝土材料力學(xué)性能影響不得不考慮，故設(shè)定高聚物纖維體含量分別為3%、6%、9%、12%、15%，圍壓分別為5 MPa、15 MPa，其他水膠比、砂率等參數(shù)分別保持一致，僅改變單一參量因素進(jìn)行力學(xué)特性影響分析。本試驗(yàn)中所用試樣直徑高度均為75 mm、150 mm，每個(gè)溫度在達(dá)到目標(biāo)溫度后，均需靜待2 h。

3 高溫影響下混凝土三軸力學(xué)特征

3.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

根據(jù)HM耦合試驗(yàn)結(jié)果，處理相關(guān)力學(xué)數(shù)據(jù)，獲得不同溫度下特殊混凝土三軸應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，如圖1所示。從圖中可看出，相同圍壓5 MPa下，溫度增高，混凝土加載應(yīng)力均有一定程度升高，圍壓5 MPa時(shí)，溫度25℃試樣在應(yīng)變0.5%時(shí)的加載應(yīng)力為61 MPa，而試驗(yàn)溫度為75℃、125℃后，相同0.5%應(yīng)變處的加載應(yīng)力相比前者分別提升了42.1%、149.9%，表明此類特殊混凝土在溫度升高時(shí)，其加載能力可得到提高。筆者認(rèn)為，高溫對(duì)混凝土材料的影響應(yīng)分兩部分效應(yīng)來(lái)看待，一部分混凝土材料在高溫作用下易發(fā)生高溫?fù)p傷效應(yīng)，造成混凝土承載能力降低的現(xiàn)象[9]；但也有一部分混凝土材料在高溫?zé)嵝?yīng)下不僅不會(huì)出現(xiàn)熱損傷，反而高溫對(duì)混凝土材料內(nèi)部的晶體礦物有一種促發(fā)膨脹作用，反映在加載應(yīng)力上則是正向促進(jìn)作用，而本文特殊混凝土材料實(shí)質(zhì)上應(yīng)是屬于此類。當(dāng)圍壓升高至15 MPa后，所有溫度下混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線不同于圍壓5 MPa時(shí)，其在峰值應(yīng)力后期處于應(yīng)力硬化變形，應(yīng)力波動(dòng)幅度不超過(guò)3.4%，加載應(yīng)力長(zhǎng)期處于較穩(wěn)定、不下跌狀態(tài)，而在圍壓5 MPa室溫下試樣的峰值應(yīng)力后期應(yīng)力下跌幅度可達(dá)48.8%，表明圍壓15 MPa已達(dá)到可確保試樣長(zhǎng)期處于塑性變形的特征值。

圖1 不同溫度下特殊混凝土三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線

分析變形特征可知，①不論是圍壓5 MPa，或是圍壓15 MPa，峰值應(yīng)變點(diǎn)在各溫度下均指向一致，圍壓5 MPa下為1%，圍壓15 MPa下有所提升，為1.95%，從溫度熱效應(yīng)來(lái)看，其對(duì)混凝土峰值變形、最大變形均無(wú)顯著影響。②從變形模量來(lái)看，溫度熱作用效果顯著，在圍壓5 MPa時(shí)，室溫下線彈性模量計(jì)算為158.5 MPa，而溫度75℃、125℃下線彈性模量相比前者分別增大了23.5%、85.9%，同樣在圍壓15 MPa下高溫對(duì)混凝土變形模量均具有提高作用。故筆者認(rèn)為，溫度熱效應(yīng)雖對(duì)混凝土應(yīng)變參數(shù)無(wú)顯著影響，但對(duì)混凝土變形模量具有顯著促進(jìn)效應(yīng)。

3.2 強(qiáng)度特征

根據(jù)HM耦合試驗(yàn)混凝土應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，獲得溫度參數(shù)與混凝土三軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線，如圖2所示。從圖中三軸強(qiáng)度變化規(guī)律可知，同一圍壓下混凝土強(qiáng)度與溫度參數(shù)具有正相關(guān)，且兩者具有線性函數(shù)關(guān)系；分析整體增幅可知，溫度提升25℃，平均可影響混凝土三軸強(qiáng)度增大8.5%。圍壓為15 MPa時(shí)三軸強(qiáng)度均高于圍壓5 MPa下，同一溫度50℃時(shí)，圍壓15 MPa、5 MPa間三軸強(qiáng)度差距57.9%幅度，且溫度升高，高溫?zé)嵝?yīng)對(duì)強(qiáng)度的促進(jìn)效應(yīng)有所減弱，在圍壓15 MPa時(shí)，溫度25℃的增長(zhǎng)，平均影響混凝土三軸強(qiáng)度變化4.8%，即圍壓效應(yīng)可一定程度縮小高溫?zé)嶙饔脤?duì)混凝土強(qiáng)度提升效果。

圖2 溫度參數(shù)與混凝土三軸強(qiáng)度關(guān)系曲線

4 高聚物纖維體影響下混凝土三軸力學(xué)特征

4.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

本工程中特殊混凝土耐高溫性質(zhì)與高聚物纖維體有關(guān)，因而考慮對(duì)高聚物纖維體含量影響下混凝土三軸力學(xué)特征開(kāi)展分析，圖3為不同纖維體含量下混凝土三軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。從圖中可看出，纖維體含量愈多，則混凝土加載應(yīng)力水平愈高，即兩者為正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)圍壓增高至15 MPa后，纖維體含量與加載應(yīng)力關(guān)系仍保持與低圍壓下一致，各纖維體含量間加載應(yīng)力水平差異較之更為顯著，相同加載應(yīng)變1.5%時(shí)纖維體含量為9%、15%下的加載應(yīng)力相比含量3%試樣分別提高了3.7%、7.2%，表明圍壓愈大，纖維體含量影響下的混凝土加載應(yīng)力水平差異性愈小。

圖3 不同高聚物纖維體含量下混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線

從纖維體含量影響變形特征可知，相同圍壓下，不同纖維體含量混凝土在線彈性變形階段基本保持一致，持續(xù)至峰值應(yīng)力階段，圍壓5 MPa時(shí)混凝土線彈性模量均保持為132 MPa，而圍壓10 MPa時(shí)有所提高達(dá)138.5 MPa。各纖維體含量不同試樣的峰值應(yīng)變、最大應(yīng)變基本處于相等，兩圍壓下峰值應(yīng)變分別穩(wěn)定在1.1%、2%。分析可知，纖維體含量改變，不影響試樣線彈性變形能力，亦不影響混凝土峰值應(yīng)變特性，纖維體含量差異性主要體現(xiàn)在峰值應(yīng)力后階段。

4.2 強(qiáng)度特征

從應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)中提取試樣三軸抗壓強(qiáng)度，獲得纖維體含量影響下混凝土三軸強(qiáng)度變化特征，如圖4所示。從圖4可看出，混凝土三軸強(qiáng)度與纖維體含量為正相關(guān)，兩者具有線性函數(shù)關(guān)系，纖維體含量增大3%，圍壓5 MPa下混凝土三軸強(qiáng)度平均可提升5.8%。當(dāng)圍壓為15 MPa時(shí)，纖維體含量3%的增長(zhǎng)，強(qiáng)度可增大2.9%，圍壓增大，纖維體含量對(duì)混凝土強(qiáng)度的促進(jìn)作用有所減小。分析認(rèn)為，當(dāng)?shù)谭拦こ趟没炷敛牧洗┰礁叩販丨h(huán)境，其較高強(qiáng)度承載力及耐熱性，均可確保工程處于安全運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。

圖4 纖維體含量與混凝土三軸強(qiáng)度關(guān)系曲線

5 結(jié)論

（1）混凝土強(qiáng)度與溫度參數(shù)具有正相關(guān)線性函數(shù)關(guān)系，高溫?zé)嵝?yīng)對(duì)摻高聚物纖維體混凝土為正向促進(jìn)作用，但熱效應(yīng)受圍壓效應(yīng)影響會(huì)減弱，溫度提升25℃，圍壓5 MPa、10 MPa下混凝土強(qiáng)度分別平均增大8.5%、4.8%。

（2）高聚物纖維體含量愈多，則混凝土強(qiáng)度愈大，圍壓增大，纖維體含量對(duì)混凝土強(qiáng)度影響效應(yīng)減小，纖維體含量增大3%，圍壓5 MPa、10 MPa下混凝土強(qiáng)度分別平均提升5.8%、2.9%。

（3）HM耦合作用下，高溫?zé)嶙饔脤?duì)混凝土峰值應(yīng)變、最大應(yīng)變無(wú)影響，但對(duì)混凝土變形模量具有促進(jìn)效應(yīng)，溫度75℃、125℃下線彈性模量相比溫度25℃分別增大了23.5%、85.9%；，纖維體含量改變，不影響試樣線彈性變形能力與峰值應(yīng)變特性，其影響性體現(xiàn)在峰值應(yīng)力后階段。

（4）摻高聚物纖維體特殊混凝土耐高溫作用及高強(qiáng)度特點(diǎn)，能夠滿足穿高地溫條件下的堤防工程環(huán)境。