吾爾來(lái)西·吾提庫(kù)爾

（新疆額爾齊斯河投資開(kāi)發(fā)（集團(tuán)）有限公司，烏魯木齊 830000）

0 引 言

水工混凝土材料在水利工程中應(yīng)用十分廣泛，因受到動(dòng)荷載的作用，混凝土材料在使用期間并非處于單一應(yīng)力狀態(tài)，為評(píng)價(jià)混凝土結(jié)構(gòu)是否安全，必須展開(kāi)此類材料破壞性能試驗(yàn)，以研究其復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的破壞準(zhǔn)則和動(dòng)態(tài)性能。混凝土材料具備顆粒流特性，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者依托顆粒流仿真計(jì)算軟件展開(kāi)混凝土材料單軸、三軸破壞特性試驗(yàn)及力學(xué)特征分析，為掌握水工混凝土材料性能提供了重要參考，但應(yīng)用室內(nèi)混凝土材料試驗(yàn)系統(tǒng)展開(kāi)水工混凝土材料力學(xué)破壞試驗(yàn)的相關(guān)研究卻少之甚少，對(duì)仿真模擬結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性缺乏必要驗(yàn)證。文章基于新疆某灌區(qū)輸水渠道工程實(shí)際，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)手段，設(shè)計(jì)出不同荷載試驗(yàn)條件，展開(kāi)渠道水工混凝土防滲材料三軸破壞試驗(yàn)及力學(xué)性能試驗(yàn)，研究水灰比、加載速率、圍壓等對(duì)混凝土力學(xué)特性的影響特性，為灌區(qū)輸水渠道防滲設(shè)計(jì)及施工提供借鑒指導(dǎo)。

1 工程背景

新疆某灌區(qū)共有干渠5 條、支渠8 條，灌水設(shè)施及引水設(shè)施配套較為齊全，已建輸水渠道長(zhǎng)度超300km，設(shè)計(jì)流量在1.24～5.85m3/s 之間，可灌溉農(nóng)田面積達(dá)5.43×104hm2。但因灌區(qū)建設(shè)年代較早、運(yùn)營(yíng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，部分渠道表現(xiàn)出邊坡坍塌、渠坡滲漏、襯砌結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等病害。渠道下臥土層主要為季節(jié)性凍土，受到凍脹破壞后對(duì)襯砌渠道穩(wěn)定性威脅較大。為保證渠道輸水安全，必須及時(shí)采取防滲改建措施。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘及實(shí)地考察，灌區(qū)管理部門(mén)提出以摻無(wú)機(jī)材料的水工混凝土為基材，渠道全斷面及底板均澆筑混凝土，并確保全斷面混凝土澆筑厚度在70mm 以上。水工混凝土材料力學(xué)性能直接關(guān)系著渠道防滲效果，為此，必須在方案設(shè)計(jì)階段展開(kāi)水工混凝土防滲材料破壞性能試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)方案

應(yīng)用TAZW-10000 型液壓伺服動(dòng)靜力試驗(yàn)機(jī)程序展開(kāi)三軸試驗(yàn)，為精確控制試件加載過(guò)程，主要根據(jù)試件類型設(shè)計(jì)加載形式。變形傳感器測(cè)量范圍為±10mm，力傳感器最大測(cè)量范圍為1000kN；試件體積變形通過(guò)排油法測(cè)定。將三軸試驗(yàn)圍壓上限設(shè)定為90MPa，以展開(kāi)水工混凝土材料體積膨脹擴(kuò)容特性研究。將試驗(yàn)溫度確定在-15～120℃之間，并按照0.5s 的時(shí)間間隔采集數(shù)據(jù)，精度誤差控制在0.5%以內(nèi)，試件加載期間應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)可實(shí)時(shí)查看。

水工混凝土防滲材料三軸破壞試驗(yàn)以中間主應(yīng)力和第三主應(yīng)力相等為假設(shè)前提。為展開(kāi)混凝土防滲材料最佳配合比研究，必須意識(shí)到水灰比對(duì)試件力學(xué)特征的影響，設(shè)置不同水灰比組與圍壓組，以得到水工混凝土材料基本力學(xué)特征[1]。按照《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程DL / T 5330-2015》所規(guī)定的C30 強(qiáng)度進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，其中，水、水泥、砂、小石、中石用量分別為175kg/m3、291kg/m3、676.9kg/m3、502.8kg/m3、754.3kg/m3，水泥使用的是P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，中砂粒徑5～40mm、小石和中石粒徑分別為5～20mm 和20～40mm。選取材料后通過(guò)攪拌機(jī)加水拌勻，摻加鋼纖維。制備好的混凝土堆料置入養(yǎng)護(hù)模具中按設(shè)計(jì)規(guī)程養(yǎng)護(hù)，最終形成符合三軸破壞試驗(yàn)要求尺寸的100mm×200mm 試件，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)48h 后脫模。試件制備及養(yǎng)護(hù)過(guò)程中變截面處容易成為薄弱面，引發(fā)試件在拉壓應(yīng)力區(qū)域以外發(fā)生破壞，造成試驗(yàn)失敗。為此，在試件變截面處粘貼碳纖維布以進(jìn)行改進(jìn)，使三軸拉壓動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，試件的破壞全部發(fā)生在拉壓應(yīng)力區(qū)域。

試驗(yàn)水灰比為0.35、0.40、0.45；試驗(yàn)圍壓為0MPa、2MPa、4MPa、6MPa、8MPa。按照目標(biāo)配合比制成試件后還應(yīng)在室內(nèi)打磨端面，使其尺寸滿足巖石力學(xué)試驗(yàn)要求。為模擬混凝土力學(xué)性能在不同荷載變形速率下的變化特征，設(shè)置0.0002mm/s、0.002mm/s、0.02mm/s、0.2mm/s、2mm/s 等五組不同變形速率。

3 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

試件受壓方向上加載板和試件表面摩擦力對(duì)試件起到約束作用，必須采取減少摩擦的方法以消除約束力對(duì)試件的影響。具體而言，在三層聚乙烯塑料薄膜中間涂抹兩層二硫化鉬甘油，并將塑料薄膜粘貼于試件表面。

按照以下步驟展開(kāi)每組試件三軸力學(xué)試驗(yàn)：

1）全面檢查三軸試驗(yàn)系統(tǒng)中各傳感器性能，滿足規(guī)范及試驗(yàn)規(guī)程后，將養(yǎng)護(hù)完成的試件從養(yǎng)護(hù)箱中取出，測(cè)定物理力學(xué)參數(shù)后套上隔油套筒，置于三軸缸壓力艙內(nèi)，同時(shí)按照試驗(yàn)要求安裝位移及變形傳感器；試件放置時(shí)應(yīng)確保中心對(duì)準(zhǔn)加載臺(tái)垂直向。

2）由計(jì)算機(jī)向伺服閥發(fā)送指令控制荷載及圍壓的施加，并加載至目標(biāo)值后進(jìn)行軸向荷載加載速率調(diào)整，此后展開(kāi)試驗(yàn)，并記錄試件應(yīng)力應(yīng)變，直至試件失穩(wěn)破壞，停止試驗(yàn)并結(jié)束數(shù)據(jù)采集。

3）將圍壓和軸壓卸除后取出試件，放入下一塊試件，按照以上過(guò)程展開(kāi)試驗(yàn)；如此循環(huán)，直至完成全部試件三軸力學(xué)試驗(yàn)。以上過(guò)程中混凝土試件所承受的豎向、側(cè)向拉應(yīng)力及試件變形等數(shù)據(jù)全部由計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)采集。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 加載速率的影響

水工混凝土試件三軸力學(xué)性能受加載變形速率的影響較大。不同加載速率下試件應(yīng)力應(yīng)變趨勢(shì)詳見(jiàn)圖1，限于篇幅，此處僅列出了圍壓為0MPa 和4MPa 的情況。根據(jù)圖中情況，隨著加載速率的增大，三軸加載應(yīng)力持續(xù)增加；當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.06，加載速率0.0002mm/s、0.002mm/s、0.02mm/s、0.2mm/s、2mm/s 時(shí)的試件應(yīng)力依次為62.5MPa、64.4MPa、66.8MPa、67.5MPa、71.3MPa；不同試件在加載應(yīng)力不超出56.5MPa 時(shí)力學(xué)特征較為一致，而超出后力學(xué)特征差異開(kāi)始增大。此外，當(dāng)加載速率增大至一定水平時(shí)，試件裂縫會(huì)受到粗細(xì)集料的持續(xù)填充，因外部荷載而引發(fā)的次生裂縫會(huì)快速愈合，裂縫擴(kuò)展也得到有效遏制；在配合比及圍壓等試驗(yàn)條件均相同時(shí)，試件裂縫在加載速率作用下的愈合作用只有在屈服階段后才會(huì)明顯顯現(xiàn)，而在線彈性變形階段，試件間應(yīng)力差異并不大[2]。不同加載速率下，試件應(yīng)變峰值基本穩(wěn)定在0.07，加載速率對(duì)試件變形影響不大。試件受到三軸應(yīng)力作用后發(fā)生失穩(wěn)破壞歸根結(jié)底是由結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展導(dǎo)致的，隨著加載速率的提高，試件內(nèi)部裂縫擴(kuò)展速度明顯滯后于加載速率，故造成內(nèi)部裂縫擴(kuò)展受限，加載應(yīng)力水平提高。

圖1 混凝土試件三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線

根據(jù)水灰比不同、圍壓相同情況下加載變形速率與試件峰值應(yīng)力的關(guān)系曲線（圖2），試件峰值應(yīng)力受到加載速率影響下的變動(dòng)趨勢(shì)基本一致；當(dāng)水灰比較低時(shí)，峰值應(yīng)力差明顯減小。對(duì)于水灰比為0.35的情況，加載速率為0.0002mm/s的試件峰值應(yīng)力比加載速率0.02mm/s、2mm/s的峰值應(yīng)力分別降低4.5%和5.34%；而對(duì)于水灰比為0.45的情況，加載速率為0.0002mm/s的試件峰值應(yīng)力比加載速率0.02mm/s、2mm/s的峰值應(yīng)力分別降低44.3%和52.4%。以上結(jié)果說(shuō)明水灰比較低時(shí)，加載速率對(duì)試件承載力的影響較弱，而隨著水灰比的提升，這種影響持續(xù)增大。

圖2 不同水灰比下混凝土峰值應(yīng)力曲線（圍壓4MPa）

3.2.2 圍壓的影響

根據(jù)不同圍壓下水工混凝土試件力學(xué)破壞試驗(yàn)結(jié)果，可以得出試件三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線，結(jié)果如圖3 所示，限于篇幅，此處僅列出了水灰比0.35 和0.40的情況。由圖可知，隨著圍壓的增大，應(yīng)力快速增大后趨于穩(wěn)定并緩慢下降，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.03、圍壓取2MPa 時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為48.41MPa，隨著圍壓順次增大至4MPa、6MPa 及8MPa 時(shí)，應(yīng)力值分別增大為50.3MPa、52.1MPa、71.9MPa。從整體變化趨勢(shì)來(lái)看，隨著圍壓的增大，試件出現(xiàn)脆性破壞的可能性不斷減弱。進(jìn)一步分析表明，圍壓的增大能有效抑制宏觀裂縫發(fā)展，使試件在峰值應(yīng)力后期仍保持較高的承載能力；高圍壓下試件以塑性變形為主，線彈性變形占比很小，當(dāng)圍壓取8MPa 時(shí)，峰值應(yīng)力點(diǎn)對(duì)應(yīng)應(yīng)變?yōu)?.0910，而圍壓取2MPa、4MPa、6MPa時(shí)峰值應(yīng)力應(yīng)變依次為0.050、0.073、0.086，說(shuō)明隨著圍壓的增大，峰值應(yīng)力應(yīng)變遞增，試件側(cè)向束縛力和軸向變形隨之增大。

圖3 圍壓與試件三軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

通過(guò)對(duì)不同水灰比下試件峰值應(yīng)力與圍壓關(guān)系（圖4）的分析，水灰比不變時(shí)隨著圍壓的升高，峰值應(yīng)力增大；水灰比為0.35 時(shí)圍壓8MPa 的峰值應(yīng)力是圍壓2MPa 峰值應(yīng)力的1.5 倍；而當(dāng)水灰比為0.40 時(shí)，圍壓8MPa 的峰值應(yīng)力是圍壓2MPa 峰值應(yīng)力的1.22 倍。說(shuō)明水灰比的增大對(duì)試件峰值應(yīng)力的增加有削弱作用。進(jìn)一步分析表明，水灰比增大后，試件內(nèi)部膠凝材料減少，試件開(kāi)口式裂隙增多，使試件在圍壓側(cè)向束縛作用下趨于一致，即峰值應(yīng)力減小。

圖4 試件峰值應(yīng)力變化曲線（加載速率0.02mm/s）

3.2.3 水灰比的影響

圍壓相同、水灰比不同情況下試件加載應(yīng)力和峰值應(yīng)力應(yīng)變曲線具體見(jiàn)圖5，由圖可知，試件峰值應(yīng)力隨著水灰比的增大而減小。當(dāng)圍壓取4MPa時(shí)，水灰比0.35、0.40 及0.45 時(shí)峰值應(yīng)力依次為63.6MPa、48.5MPa、34.1MPa，表明水灰比對(duì)試件應(yīng)力增長(zhǎng)有抑制作用，大水灰比會(huì)降低水泥結(jié)構(gòu)中的膠凝劑，無(wú)法較好填充混凝土空隙，進(jìn)而減弱試件承載力。此外，隨著水灰比的降低，試件表現(xiàn)出愈加明顯的脆性破壞特征；且隨著水灰比的增大，試件變形能力增強(qiáng)，當(dāng)水灰比分別為0.35、0.40 和0.45 時(shí)試件應(yīng)變值依次為0.087、0.110、0.053.說(shuō)明較大的水灰比既能抑制試件應(yīng)力增長(zhǎng)，又能限制試件變形擴(kuò)展。為此，必須結(jié)合水利工程荷載實(shí)際，選擇最佳的水灰比，確?；炷练罎B材料應(yīng)力變形均處于理想狀態(tài)。

圖5 不同水灰比下試件三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線（圍壓4 MPa）

3.2.4 試件三軸強(qiáng)度的變化

根據(jù)三軸加載試驗(yàn)下不同加載速率試件強(qiáng)度看出，抗壓強(qiáng)度與加載速率呈正相關(guān)關(guān)系，加載速率為0.0002mm/s 的試件強(qiáng)度為3.84MPa，而加載速率為0.002mm/s、0.02mm/s、2mm/s 時(shí)試件強(qiáng)度依次為3.96MPa、4.12MPa、4.54MPa。且隨著無(wú)機(jī)材料摻率的增大，試件強(qiáng)度提升幅度也更大，或者說(shuō)無(wú)極材料摻率越大，加載速率對(duì)試件強(qiáng)度影響強(qiáng)度的差異也更大，試件強(qiáng)度受加載速率的影響也愈加敏感。通過(guò)分析原因看出，無(wú)機(jī)材料摻率增大后，試件顆粒間的粘結(jié)性能更優(yōu)，試件整體也更加穩(wěn)固，在試驗(yàn)中的承載強(qiáng)度也愈高。

4 結(jié) 論

綜上所述，借助混凝土材料三軸試驗(yàn)系統(tǒng)所展開(kāi)的新疆某灌區(qū)輸水渠道水工混凝土防滲材料破壞性能試驗(yàn)結(jié)果表明，三軸加載應(yīng)力和加載速率之間正相關(guān)，加載速率越高則試件失穩(wěn)破壞也更為劇烈；試件三軸加載抗壓強(qiáng)度和加載速率正相關(guān)，且隨著無(wú)機(jī)材料摻率的增大，加載速率對(duì)試件強(qiáng)度的提升效果愈發(fā)明顯。根據(jù)文章分析，為提升該灌區(qū)輸水渠道混凝土結(jié)構(gòu)防滲性能，應(yīng)提高水灰比，以削弱圍壓對(duì)水工混凝土峰值應(yīng)力的促進(jìn)程度，同時(shí)應(yīng)增大圍壓，以約束三軸加載速率對(duì)水工混凝土材料力學(xué)特性的不利影響。