水工沥青混凝土心墙芯样三轴试验模量系数K值偏低原因分析

蝴 究 水工沥青混凝土J 墙芯样三轴试验模量 系数 K值偏低原因分新 露陈卫烈 谭恺炎／(中国葛洲坝集团公司) 【摘 要】 在已建成的水电工程中用沥青混凝土作为防渗心墙的主要有三峡茅坪溪防护大坝工程及四川南垭河 冶勒水电站大坝工程 在这两个工程中均出现沥青 混凝土现场芯样三轴试验的模量系数 K值偏低。鉴于工程验 收及工程复核分析的需要，开展沥青混凝土力学性能专项试验研究，通过不同的试验途径论证了沥青混凝土与 两侧过渡料的变形模量接近，其现场芯样三轴试验的实际模量系数 K值与室内成型相当，满足设计要求，并提 出模量系数K值偏低的原因主要与取样时沥青混凝土未降温稳定以及取样的扰动有关。 【关键词】 变形模量 模量 系数 K值 应力应变 芯样 加栽速率 三轴试验 1 前言 沥青混合料是 由石油沥青、粗骨料 、细骨料和填料 按比例配合 ，经过加热拌制而成，沥青混合料经压密而 成沥青混凝土。由于沥青是一种有机高分子材料，它具 有防渗性能好 、适应变形能力大、裂隙能 自愈等特点， 而且能抵抗酸、碱等侵蚀和对水质无污染。用它配制的 沥青混合料亦具有相同性质，并可根据需要掺人外加剂 调节沥青混合料的性能以满足工程需要 ，因而在水利水 电工程中受到重视并得到广泛的应用。 正是由于沥青混凝土在水工建筑物中其浇筑和压实 期间的施工特性、不透水性 ，以及可避免因不 良的现场 应力和变形条件而产生开裂的弹性与韧性，加工沥青混 凝土的黏稠性使其具有优越 的裂隙 自愈能力，因此沥青 混凝土被普遍用于土石坝的心墙及防渗面板工程。为了 使沥青混凝土防渗体均衡受力，在工程结构设计时一般 都设置应力与变形过渡区，对于心墙一般为上下游过渡 料，从改善心墙的应力应变特性出发 ，希望沥青混凝土 与过渡料这两种材料的力学变形参数最接近。对于土石 坝包括沥青混凝土堆石坝，经常采用邓肯一张 E、 模型 进行应力应变与变形稳定分析，该模型是以 ( 一 。) e 和￡／( 一∞)一￡双曲线规律为基础 ，参数简单且物理意 义明确。设计阶段一般采用前期勘探期的设计筑坝材料 试验结果以及同类型筑坝材料的经验数据进行计算，待 实际工程施工阶段，再根据实际筑坝材料试验成果进行 复核。采用 E、 模型分析一般采用三轴试验求解八大参 数，即 K、 、Rf、C、 、G、D、F，当初始围压接近一 个大气压时，试验常数 K即表征初始切线模量 ，又称模 量系数。 2 问题的提出 四川冶勒水电站沥青混凝土心墙坝室内沥青混凝土 配合比设计时成型的三轴试件测得的模量系数 K值与施 工现场取芯测得的K 值差异很大，现场取芯测得的模量 系数 K值明显偏小，在 100~200之间。这个规律在三峡 茅坪溪防护大坝也有类似现象 ，在 峡工程也 曾由业主 组织几家单位进行 比对试验，也证实 了确实存在这个规 律。但从材料及工艺上分析，相同的材料在压实密度接 近一致的情况下其力学性能应接近一致，不应该相差这 么大，这使得大坝变形稳定分析时的参数取值很难取舍。 我们分析，现场取芯芯样可能受到某种扰动，又由于沥 青混凝土对温度很敏感，在取芯、装运过程可能受到较 大影响，使得其力学性能发生变化。在排除装运过程的 影响后，对取芯或其他方面的影响不好分析评估，那么 现场的沥青混凝土材料其力学性能主要是初始切线模量 E 到底是多少呢?为此，我们建议在现场做载荷试验求 取变形模量，一来可以用变形模量采用弹性理论法进行 最终沉降估算；二来可同时做沥青混凝土和过渡料的变 · 87 · 水利水电施工 2010·第 2期 总第 1 19期 形模量试验，通过对两种材料变形模量的对 比，了解这 两种材料适应变形 的能力是否相近；j足期望通过对过 渡料的变形模量与室内j轴试验分析，建立 轴试验与 原位变形模量的近似关系，从而估算沥青混凝土 轴试 验模量系数 K值的实际值。 3 试验目的与研究思路 3．1 试验研究 目的 (1)了解沥青混凝土和过渡料变形性能的一致性，并 以此推算沥青混凝土文际的j轴试验模量系数 K值。 (2)分析影响沥青混凝土芯样三轴试验模量系数 K 值偏低的原因。 3．2 研究思路与试验内容 (1)根据冶勒大坝坝体填筑进度，在填筑的大坝心墙 顶部对沥青混凝土心墙以及过渡料分别进行现场原位载 荷试验，测得变形模量值，从而 比较分析沥青混凝土心 墙及两侧过渡料的变形性能。 (2)通过过渡料现场原位变形模量试验成果，取土料 模拟现场密度、级配状况，进行室内 轴试验 ，并分析 j轴试验成果与现场变形模量之间的关系，假定沥青混 凝土和过渡料具有相同的关系，则可以从现场变形模量 推算沥青混凝土j三轴试验模量系数 K值。 (3)考虑沥青混凝土 轴试验芯样受温度、取样以及 加工工艺的影响较大，拟采取特殊的取样、加工工艺确 保芯样保持原位力学性能不变，在原现场生产性试验段 取样，进行芯样三轴 试验，进一步寻找现场芯样模量系 数 K值偏低的原因。特殊T 艺主要考虑采取慢速取芯配 以低温水冷却，采取挖除方式获得芯样 ，芯样运输和加 工过程采取铁模限制变形做保护等措施。由于在冶勒水 电站大坝施工初期进行的沥青混凝土生产性试验段在工 地保存完好 ，且具有与心墙实际运行相当的龄期，降温 已稳定 ，是理想的试验材料，通过对此试验段取样做 轴试验可以找出取样时间对模量系数 K值的影响。 (4)验证加载速度对试验结果的影响，前期试验采取 的试验加载速度为 0．06mm／min(根据以前试验)， 由于加载速度较慢，在实验过程 中蠕变影响较大，因此 建议增加加载速度，变形速度增加至 0．2mm／min。考虑 到与以前试验加载速度不同，应对两种加载速度进行对 比试验，分析试验加载速度对模量系数 K值的影响。具 体试验内容如下： (1)在施工现场沥青混凝土心墙施工面进行现场原位 变形模量试验，主要包括沥青混凝土心墙、心墙两侧过 渡料，试验按土工试验规程进行。 (2)结合沥青混凝土现场原位变形模量试验 ，对现场 原位试验部位的材料进行颗分、密度、i轴试验，并对 该试验层的沥青混凝土成型样与芯样进行三轴对比试验。 (3)对沥青混凝土取芯试样进行两种不同加载速度的 · 88 · 三轴对比试验，验证加载速度对试验结果的影响。 4 试验成果分析 4．1 变形模量与密度的关系 变形模量是指土体在无侧限条件下的应力与应变的 比值 ，现场原位试验的 目的是为了反映填筑材料抵抗外 力的承载能力及变形能力。就其影响冈素而言，影响现 场原位变形模量试验的主要闪素包括承压板的尺寸、填 筑材料的颗粒级配、密度以及试验压力等。此次现场原 位试验采用浅层平板载荷法 ，承压板直径为 400ram，试 验最大压力为 1．OMPa，对于同一种填筑材料而言，影响 现场原位变形模量试验的主要因素主要取决于填筑材料 的密度，因此现场原位变形模量试验成果与填筑材料的 密度有一定的相关关系，即密度越大，变形模量越大， 变形模量随密度的增大而增大。此次现场原位变形模量 试验对于沥青混凝土心墙及心墙过渡料各进行_二组试验， 实测变形模量成果见表 1，其密度与变形模量相关关系曲 线见图 1、图 2。 表 1 现场原位变形模量试验成果表 (MPa) 试验点编号 0．5MPa时的变形模量值 1．OMPa时的变形模量值 A 一1 81．6 75．7 沥青 A一2 82．6 71．5 A 一3 77．5 69．6 B一1 116．6 l1O．3 过渡料 B 2 58．5 65．7 B一3 113．1 115．3 图1 沥青密度与变形模量关系 图2 过渡料密度与变形模量关系 4．2 过渡料模量系数 K值与密度的关系 从此次心墙两侧过渡料三轴试验结果分析，随密度、 言 一 ∞ 加 ∞ ∞ ∞ ∞ O2 一日dpe卿 侧压力大小的不同，( 一 )～e关系曲线的形态呈应变 软化型和应变硬化型两种，前者有明显 的峰值。对于同 一 种材料而言，决定 ( 一 ) e关系曲线形态的因素主 要取决于试验材料的密度和承受侧压力 的大小。当侧压 力一定时，密度越大，应力值越高，应力达到最大值时 的应变值越小 ；密度越大，粗颗粒料颗粒相互充填越密 实，颗粒之间相互挤压得紧密，在外力作用下发生剪切 破坏过程中，颗粒在剪切面要发生移动或滚动，势必要 克服其颗粒的约束而发生剪胀变形，随之也产生剪胀的 咬合力，因而应力值增高。峰值之后，由于剪胀变形的 影响，土体结构变松 ，应力随应变值的增大而减小，此 时 ( 一 )一e关系曲线形态为应变软化型。相反，当填 筑材料密度越小，标志土体的结构越疏松，在外力作用 下发生剪切破坏的过程中必然产生剪缩变形 ，剪缩变形 越大，土体越趋密实 ，其结果是应力 随应变的增大而提 高，此时 ( 一∞)一￡关系的形态为应变硬化型。而当 填筑材料密度相同时 ，( 一 )一e关系曲线的形态主要 取决于侧压力的大小 ，侧压力越大 ，剪切破坏过程中颗 粒的约束力和移动的阻力越大，达到最大应力值时的应 变值越大；相反 ，侧压力越小 ，对于颗粒移动的阻力越 小，在较小应变下应力达到最大值。通过试验成果分析 可知，心墙过渡料密度与模量系数 K值具有 良好的线性 相关关系，其密度与模量系数 K 值的相关关系 曲线见 图 3。 1000 900 800 700 。 0 4o0 300 200 10O 0 图 3 过渡料密度与模量基数 K值关系 4．3 过渡料模量系数K值与变形模量的关系 通过过渡料现场原位变形模量试验成果，取土料模 拟现场密度、级配状况，进行室内三轴试验。通过分析 三轴试验成果与现场变形模量之间的关系，发现现场变 形模量值与三轴试验模量系数 K值之间具有良好的线性 关系，其变形模量值与模量系数线性关系曲线见图4。 y=O．09lx+42．427 。 =0—76 l ==； ! ，一1-r I I I l 值 图4 过渡料变形模量与模量基数 K值的关系 究 |ll l 4．4 沥青混凝土心墙模量系数 K值的推算值 大量试验证明，从现场压实的沥青混凝土中取出原 状样，尽管现场和试验室的沥青混凝土完全一样，而且 所用试样的密度、配合 比也相同，但现场取芯试样和试 验室制备试样的应力一应变特性却可能截然不同，沥青 混凝土芯样 轴试验中的模量系数 K一般在 100~200左 右，而沥青混凝土成型样的模量系数 K均在 400～1000 左右。通过分析，沥青混凝土芯样i轴试验模量系数 K 值偏低可能与取样和试验过程有关，那么现场芯样三轴 试验模量系数 K值究竟是多少呢?通过试验和上述分析 发现，沥青混凝土心墙与过渡料 的变形模量 比较接近， 过渡料的变形模量略大于沥青混凝土，说明这两种材料 在变形性能方面具有相近的性能，所以我们假设过渡料 试验反映的模量系数 K值与变形模量值线性相关的规律 同样适用于沥青混凝土 ，从而推算沥青混凝土心墙实际 的模量系数 K值。将此次沥青混凝土现场变形模量值代 入图 4的线性方程计算 ，可 以得 出沥青混凝土心墙模量 系数 K值，计算成果见表 2。从计算出的沥青混凝土模 量系数 K值来看，模量系数 K值 比较接近室内成型试 件，说明了现场芯样j轴试验的模量系数 K值偏低是假 象，试验结果未反映材料的真实特性。 表 2 沥青混凝土心墙模量系数 K值推算值 试验点编号 0．5MPa时的变模值 模量系数 K推算值 A 一1 81．6 43O．5 沥青 A一2 82．6 441．5 A 一3 77．5 385．4 4．5 模量系数K值与取样方法、取样时间的关系 表 3中的试验段芯样是在浇筑龄期很长的坝外试验 块取芯，取芯时采取间断钻进、冷水降温的措施，尽量 减少对沥青混凝土的扰动，芯样取出来后采用专用的铁 模保护，防止运输过程对试件的扰动。从表 3成果分析， 相同试验工况下，坝外试验块芯样的三轴试验模量系数 K值是施 工现场 芯样 的 1．93～ 5．07倍，即在大速率 (O．2mm／min)下为 1．9倍，在小速 率 (0．06mm／min) 下为 5．1倍，这说明取样时间和取样方法对沥青混凝土 三轴试验影响很大，同时也反映 了材料越软对试验加载 速率越敏感的规律。 4．6 模量系数K值与加载速率的关系 从表 3可以看出，相同工况下试验加载速率对三轴试 验成果影响较大，其中模量系数 K值随速率增加而增大。 在现场施工期芯样中，沥青混凝土浇筑龄期较短，大速率 (O．2mm／min)下模量系数 K值是小速率 (O．06mm／min) 的 3．3倍；在坝外试验块芯样中，沥青混凝土浇筑龄期很 · 89 · ∞ 加 ∞ 踮 ∞ 柏 加 0 一日鲁e咖 _ 水利水电施工 2010·第2期 总第1 19期 表 3 沥青混凝土三轴试验成果表 轴试验成果 取样 部位 试件制备 试验速率 (mm／min) C (kPa) (。) K Rf 芯样 O．()6 185．3 24．9 192．5 O．O5 O．71 心墙施工期 芯样 0．2O 299．1 28．5 640．6 O．56 O．84 芯样 0．O6 37O．1 3O．0 977．(】 0．29 O．72 坝外试验段 芯样 O．2O 459．1 25．2 1236．5 O．56 O．86 长，大速率 (0．2mm／min)下模量系数 K值是小速率 (O．06mm／min)的 1．3倍。 综合上述试验成果可知，虽然在沥青混凝土心墙施 工期所取芯样的 轴试验模量系数 K值偏小，不满足设 计要求，但从现场变形模量试验成果看，心墙沥青混凝 土与两侧过渡料的变形性能较接近，沥青混凝土的变形 模量略小于过渡料 ，这说明沥青混凝土模量系数 K值偏 小是一种假象。从试验成果可知，在材料一定 的情况 下，变形模量和i轴试验模量系数 K值的大小取决于现 场压实密度 ，且具有良好的线性关系，以此推算沥青混 凝土现场实际模量系数 K值在 380～440之间，基本满 足设计要求 。这说明在施工现场取芯做二三轴试验肯定受 到某些因素的影 响，没有反映沥青混凝土真实 的力学 特性。 为了揭开现场取芯样三轴试验模量系数 K值偏小的 影响因素，以前在三峡工程开展了大量试验工作，主要 是论证施工后的心墙沥青混凝土的工作性能是否满足工 程要求 ，同时对三轴试验的成 型方法进行 了试验论证 ， 确定了采用静压成型方法进行力学性能试验 ，并推断影 响三轴试验模量系数 K值偏小的原因可能与成型、取样 试验方法有关 ，但真正原冈尚不 明了，这个问题一直困 扰着许多工程技术人员和验收专家。在本项 目研究中我 们有幸保留了沥青混凝土坝外碾压试验块 ，由于试验块 的龄期很长，沥青混凝土早 已降温达到环境温度，我们 综合考虑采取特殊取样和保护措施，有效地将扰动降至 最小，试验结果表明现场取芯样三轴试验模量系数 K值 偏小主要与取样时沥青混凝土未降温稳定以及取样的扰 动有关 。从现场施工情况看 ，取芯一般安排在浇筑层施 工完毕后 2～3天，此时沥青混凝土温度在 5O℃左右， 由于温度较高沥青混凝土容易受到外界扰动 ，这时采用 钻机取样时就对沥青混凝土产生了较大的扰动，加上芯 样取出和运输过程的影响，造成试件内部结构 的改变 ， 就导致了现场芯样的模量系数 K值偏小 。结合以往所进 行的沥青混凝土 轴试验成果我们不难看 出，不管是现 · 90 · 场取芯还是室内采用不同方法成型所制备的试件，尽管 沥青混凝土制成而且被压文到大约相同的密度，但所得 应力⋯应变曲线却大不相同，其主要原冈是试样在成型 或取芯过程中因边界条件不 同，制备的试件内部结构也 不尽相同，因此试验所获得 的参数差异也是 比较大的， 特别是在施工期问的取芯样品，沥青混凝土心墙在未完 全冷却稳定的条件下取芯进行室内 轴试验影响更加 明显。 从不同加载速度试验成果来看，随着试验加载速度 的提高，三轴试验各项指标均有明显的提高，这体现了 沥青混凝土这种材料在 二轴试验过程产生较大蠕变的特 性 ，新的试验规程规定其试验加载速率为 0．1 ／min，当 试件高为 200mm时即为0．2mm／min，而过渡料 轴试验 的加载速率一般为 0．5 左右 ，远大于沥青混凝土 轴 试验加载速率，那么在应用这些试验成果进行大坝应力 应变和稳定分析时应考虑 到试验工况的不同所 引起的 差 异 。 5 结束语 本次研究试验历时近一年，包括现场试验和室内 试验，获得了较为详尽的试验数据 ，试验成果 的复现 性和规律性较好。通过本次研究 试验基本摸清 _『沥青 混凝土心墙现场取芯试样 ：=!轴试验模量 系数 K值偏小 的主要原因，通过类 比试验确认 了现场沥青混凝土的 真实模量系数满足设计要求 ，达到了预期试验研究的 目的 。 鉴于沥青混凝土芯样三轴试验受到诸多环节的影响 致使试验成果偏离真实值，建议沥青混凝土三轴试验可 以室内试验为准，现场主要控制压实密度 ，现场取芯做 轴试验应尽量少甚至取消。南于现场作业面和其他试 验条件的限制，本次研究试验中的对比试验组数显得不 够多，建立的一些相关关系和规律的普遍代表性还有待 以后进一步试验进行验证和完善。