高填充自密實(shí)混凝土砌石壩超聲回彈試驗(yàn)研究

劉 辛，李友彬，劉 磊，廖仕信，劉 濤

(1.貴州新中水工程有限公司，貴州 貴陽 550005；2.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

高填充自密實(shí)混凝土砌石壩筑壩新技術(shù)廣泛應(yīng)用于水利水電工程等行業(yè)，具有環(huán)境友好、節(jié)能環(huán)保、工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。超聲回彈綜合法是利用超聲儀和回彈儀，檢測(cè)混凝土的聲速值和回彈值推定混凝土強(qiáng)度和勻質(zhì)性，該方法具有不破壞結(jié)構(gòu)，不影響使用性能等特點(diǎn)。

本文對(duì)高填充自密實(shí)混凝土砌石壩試驗(yàn)倉及對(duì)切割加工高填充自密實(shí)混凝土砌石壩大試件進(jìn)行超聲回彈試驗(yàn)，分析大粒徑砌石和自密實(shí)混凝土組成形式、大試件各相所占比例及大試件尺寸效應(yīng)等對(duì)高填充自密實(shí)混凝土砌石壩受力及均勻性、密實(shí)度的影響。

1 理論基礎(chǔ)

高填充自密實(shí)混凝土砌石壩是一種典型的復(fù)合材料，理論上具備2個(gè)特征：

(1)受力時(shí)主要由高彈性、高模量的組分大粒徑砌石承受荷載。低彈性、低模量組分高填充自密實(shí)混凝土主要傳遞荷載。

(2)大粒徑砌石與高填充自密實(shí)混凝土組合應(yīng)有足夠的結(jié)合強(qiáng)度，保證高填充自密實(shí)混凝土所承受的荷載能傳遞給大粒徑砌石，理論上要求能降低脆性破壞的概率。

聲波速度是巖體及其大體積混凝土物理力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)。高填充自密實(shí)混凝土砌石壩聲波速度不僅取決于堆石與自密實(shí)混凝土本身的強(qiáng)度，而且還與堆石和自密實(shí)混凝土的粘接程度，高填充自密實(shí)混凝土砌石壩內(nèi)部密實(shí)度，有無孔洞等有著密切的關(guān)系。因此，采用超聲波和回彈法檢測(cè)高填充自密實(shí)混凝土砌石壩，可以很好地反應(yīng)均勻性、密實(shí)度和強(qiáng)度等評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)研究高填充自密實(shí)混凝土為C9015W6F50，其中大粒徑砌石體積比例51%，高填充自密實(shí)混凝土填充體積比例49%。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 超聲回彈試驗(yàn)

本研究開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)倉及大試件室內(nèi)綜合法試驗(yàn)，相關(guān)數(shù)據(jù)如圖1—3所示，見表1—3。

圖1 超聲回彈綜合法檢測(cè)高填充自密實(shí)混凝土砌石壩試驗(yàn)倉

圖2 大試件超聲試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

圖3 大試件回彈試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

表1 超聲回彈值和切割大試件強(qiáng)度值對(duì)應(yīng)關(guān)系

(續(xù)表)

表2 超聲回彈綜合法檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)值

表3 試驗(yàn)數(shù)值分布

3.2 試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析

在超聲回彈綜合法試驗(yàn)中，由于大粒徑砌石體積比例一般大于50%，切割大試件每個(gè)面基本都有大粒徑砌石斷面并占比較大面積。對(duì)試驗(yàn)倉及大試件按規(guī)程要求從選定的測(cè)區(qū)進(jìn)行回彈試驗(yàn)時(shí)，不可避免回彈在大粒徑砌石表面，采集的較大的數(shù)值實(shí)際是大粒徑砌石的硬度，導(dǎo)致回彈值數(shù)理統(tǒng)計(jì)偏高造成數(shù)據(jù)失真。

在聲波試驗(yàn)時(shí)，選擇良好耦合劑，采用對(duì)測(cè)法進(jìn)行聲波檢測(cè)，容易找到首波并采集完整的波形。數(shù)據(jù)顯示大部分波形聲學(xué)參數(shù)無異常，每個(gè)完整波形由多個(gè)不同波幅的短波形組成，分析波幅大者是大粒徑砌石，波幅小者是高填充自密實(shí)混凝土，短波形間平滑連接基本上沒有異常值存在，說明大粒徑砌石和高填充自密實(shí)混凝土填充密實(shí)。也存在少部分波形存在聲學(xué)參數(shù)輕微異常、波形輕微畸變，說明高填充自密實(shí)混凝土砌石壩內(nèi)部隨機(jī)分布空隙和裂紋、存在氣泡和隱縫，斷面可見大粒徑砌石和高填充自密實(shí)混凝土局部填充不密實(shí)、包裹不緊密。通過切割及可視化分析，高填充自密實(shí)混凝土砌石壩內(nèi)部確實(shí)存在較小缺陷，局部大粒徑砌石搭接處有空洞，大粒徑砌石和大粒徑砌石的顆粒間接觸面積較大處高填充自密實(shí)混凝土填充效果較差，沒有完全充填密實(shí)。通過重點(diǎn)對(duì)異常局部核查和分析力學(xué)試驗(yàn)數(shù)值高于平均值，不影響高填充自密實(shí)混凝土砌石壩整體密實(shí)度和力學(xué)性能。

本文分析，高填充自密實(shí)混凝土砌石壩回彈推定值平均值為23.0MPa，波速推定值平均值為3500m/s，聲波法檢測(cè)基本能判定高填充自密實(shí)混凝土砌石壩的勻質(zhì)性和密實(shí)度，高填充自密實(shí)混凝土砌石壩結(jié)構(gòu)上理解為骨架密實(shí)型復(fù)合材料符合其特征。

3.3 推導(dǎo)高填充自密實(shí)混凝土砌石壩超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線

本研究運(yùn)用全國統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線相關(guān)公式推導(dǎo)高填充自密實(shí)混凝土砌石壩測(cè)強(qiáng)曲線，滿足多元非線性冪函數(shù)方程，見公式(1)：

(1)

通過OriginPro和Excel軟件程序計(jì)算得表4：

表4 測(cè)強(qiáng)曲線回歸方程系數(shù)

則綜合法測(cè)強(qiáng)曲線回歸方程為公式(2)：

(2)

4 探討

在本研究中，聲波速度是巖體及其大體積混凝土物理力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)。聲波速度不僅取決于大粒徑塊石體與混凝土本身的強(qiáng)度，還與混凝土和大粒徑塊石料的粘接程度，高填充自密實(shí)混凝土砌石壩內(nèi)部密實(shí)度，有無孔洞等有著密切的關(guān)系。因此，利用超聲波檢測(cè)高填充自密實(shí)混凝土砌石壩，可以很好的反應(yīng)出高填充自密實(shí)混凝土砌石壩的強(qiáng)度與密實(shí)度指標(biāo)。因此，高填充自密實(shí)混凝土砌石壩的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中波速分布較均勻，波速穩(wěn)定，無明顯跳躍，無大范圍波動(dòng)，說明高填充自密實(shí)混凝土砌石壩填充密實(shí)，均質(zhì)性較好，推定強(qiáng)度穩(wěn)定。

本研究從工程角度出發(fā)立足于解決應(yīng)用的問題。首先高填充自密實(shí)混凝土砌石壩是一種中國工程人員自主創(chuàng)造的新型筑壩技術(shù)，具備很多優(yōu)點(diǎn)，工程應(yīng)用廣泛，但區(qū)別于常規(guī)混凝土壩；其次，由于大粒徑砌石粒徑很大，沒有更大的壓力機(jī)能對(duì)高填充自密實(shí)混凝土砌石壩原型試驗(yàn)倉進(jìn)行試驗(yàn)(目前最大為3000噸壓力機(jī)，貴州只有1000噸壓力機(jī))，規(guī)程采用高填充自密實(shí)混凝土強(qiáng)度代表高填充自密實(shí)混凝土砌石壩強(qiáng)度需要進(jìn)一步再驗(yàn)證，對(duì)于高填充自密實(shí)混凝土砌石壩物理力學(xué)性能的檢測(cè)應(yīng)該不能沿用試件統(tǒng)一為150mm的思路；最后，切割技術(shù)是對(duì)高填充自密實(shí)混凝土砌石壩原型試驗(yàn)倉的分解，嘗試由大試件強(qiáng)度再反演分析試驗(yàn)倉的受力性能，采集足夠多切割大試件樣本，強(qiáng)度值將會(huì)趨近高填充自密實(shí)混凝土砌石壩復(fù)合材料最不利強(qiáng)度下限值，找到規(guī)律可以更加接近高填充自密實(shí)混凝土砌石壩的本質(zhì)特征。

5 結(jié)論

(1)高填充自密實(shí)混凝土砌石壩回彈推定值滿足要求，但是數(shù)值范圍離散。

(2)高填充自密實(shí)混凝土砌石壩大粒徑砌石空隙保證密實(shí)，實(shí)現(xiàn)填充、包裹、機(jī)械咬合和傳遞荷載。波速在1690～5280m/s間分布，數(shù)值范圍離散，但3500m/s以上波速所占比例較大。

(3)可以采用聲波法評(píng)定高填充自密實(shí)混凝土砌石壩的勻質(zhì)性和密實(shí)度?；貜椃z測(cè)誤差較大，不宜單獨(dú)采用回彈法判定其強(qiáng)度推定值。