張維利

（山西省水利建筑工程局集團有限公司，山西 太原 030000）

1 概述

人們深入研究發(fā)現(xiàn)瀝青有許多的優(yōu)點可作為許多工程的材料，由于瀝青混凝土材料具有抗寒特性，因此寒冷地區(qū)的水利工程多采用瀝青混凝土作為建設(shè)材料[1-4]。不僅如此，利用瀝青混凝土材料建設(shè)的大壩還具有優(yōu)良的抗?jié)B透能力、擴大其他大壩填充材料的范圍以及裂縫治愈的功能，而且耐沖刷、抗腐蝕能力強，使得大壩的使用壽命非常長。因此，輾壓式瀝青混凝土心墻壩被廣泛運用在各種惡劣環(huán)境下的水利工程中[5，6]。

在瀝青混凝土的心墻大壩投入使用之前，需要進行靜三軸試驗，對心墻實施其能承受的最大圍壓，確定其能承受的最大壓力。但是一般試驗的壓力和瀝青混凝土心墻大壩實際能承受壓力的差距非常大，無法了解心墻大壩的實際最大承受壓力和變形情況[7-10]。而且目前對瀝青混凝土采取的靜三軸試驗還在初步發(fā)展中，無法準(zhǔn)確利用試驗成果計算出瀝青混凝土心墻大壩的應(yīng)力-應(yīng)變情況。所以，在高圍壓情況下開展瀝青混凝土心墻靜三軸試驗，通過軟件分析了解壩體的應(yīng)力-應(yīng)變情況，對后續(xù)瀝青混凝土心墻土石壩的建設(shè)和發(fā)展具有重要意義。

2 瀝青混凝土配合比設(shè)計與試驗

2.1 瀝青混凝土配合比參數(shù)的優(yōu)選

經(jīng)過反復(fù)研究，采用了L9（34）均勻正交表試驗選出最佳的材料配合比，綜合考慮各瀝青混凝土試驗配合比的級配指數(shù)、填料用量以及油石比數(shù)值。通過調(diào)查我國所采用的瀝青混凝土試驗配合比，最終得到以下9種配合比，分別以1～9的編號排列，試驗設(shè)置級配指數(shù)分別為0.33、0.36、0.39，填料用量分別達到總量的9%、11%、13%，而瀝青用量達到總量的6.3%、6.6%、6.9%。9 種瀝青混凝土配合比的3 個指標(biāo)，詳見表1。

表1 瀝青混凝土試驗配合比

2.2 瀝青混凝土配合比設(shè)計試驗

進行瀝青混凝土配合比試驗時，分別以馬歇爾穩(wěn)定度、馬歇爾流值、孔隙率作為試驗的變化值，進行第一步試驗。試驗前，需要確定每組試驗選用的6 個馬歇爾式樣，然后開始執(zhí)行第一個試驗步驟，這樣能提升試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，使驗證結(jié)果更加具有說服力。瀝青混凝土配合比的試驗結(jié)果，詳見表2。

表2 瀝青混凝土試驗所用配合比及試驗成果

2.3 配合比確定

根據(jù)試驗得到的馬歇爾穩(wěn)定度、馬歇爾流值以及孔隙率3 個指標(biāo)的數(shù)據(jù)判斷配合比是否是最優(yōu)的。通過得出的極差和方差，先選用0.33 的配合比指數(shù)的瀝青混凝土，其瀝青和填料含量分別為6.7%和9%，再通過反復(fù)試驗和計算分析，根據(jù)數(shù)據(jù)分析初步確定最佳的配合比，提高以瀝青混凝土材料建設(shè)的大壩質(zhì)量，增強其功能。試驗采用的配合比，詳見表3。

表3 瀝青混凝土配合比

3 高應(yīng)力條件下心墻瀝青混凝土靜三軸試驗研究

3.1 試驗方法

瀝青混凝土由于自身的特殊性，要求實驗儀器精度高，可通過試驗精確了解瀝青混凝土的特性，有利于將該材料科學(xué)應(yīng)用于各種工程中。因此，為了更好地掌握瀝青混凝土的特性，采取靜三軸試驗，分多次進行，圍壓分別為0.2、0.4、0.6、1.8 MPa。

根據(jù)上述得出的最佳瀝青混凝土配合比進行試驗，可提高試驗結(jié)果精度，同時為保證試驗誤差在設(shè)計范圍內(nèi)，必須采取高標(biāo)準(zhǔn)的試驗要求，便于控制心墻的空隙率。用游標(biāo)卡尺測量得到的試樣，可保證其誤差不能超過1 mm，通過外觀檢查，缺陷明顯或者沒有在誤差范圍內(nèi)的尺寸的試樣需丟棄，確保試樣的孔隙率為1±0.1%，不能采用不合格的試樣進行試驗，每組的試樣數(shù)要達到3 個。試驗步驟如下：首先將試樣放置在溫度為10 ℃的房間內(nèi)至少達到4 h，然后將軸向加載設(shè)置為0.2 mm/min，當(dāng)達到加載高度的20%時停止試驗，除去周圍壓力，然后記錄其外觀狀況。靜三軸試驗前后的試樣對比，如圖1 所示。

圖1 瀝青混凝土靜三軸試驗前后對比

3.2 應(yīng)力-應(yīng)變特征變化分析

3.2.1 孔隙率變化

試驗前后孔隙率的變化，詳見表4。

表4 試驗前后孔隙率變化

由表4 可知，瀝青混凝土試樣在試驗前后的孔隙率變化較小，但存在一定的規(guī)律，隨圍壓的增大孔隙率逐漸減小，因為試驗采取先剪縮后剪脹的步驟，所以導(dǎo)致瀝青混凝土的孔隙率發(fā)生該現(xiàn)象。此外，水壓力也會造成瀝青混凝土的孔隙率存在該規(guī)律，并且減小的幅度相比圍壓情況下較大，隨時間的流逝造成剪縮和剪脹的終點和起點發(fā)生變化。由于材料易出現(xiàn)變形，孔隙率不斷減小，因此孔隙越變越小，使整個混凝土發(fā)生形變現(xiàn)象，隨著試驗過程的進行，圍壓不斷增大，因此發(fā)生了橫向形變，且形變的程度也在不斷增大，導(dǎo)致剪脹形變的程度增大。

在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，試樣破壞后都會鼓脹或者變形，其發(fā)生部位位于試樣的中部，在該區(qū)域隆起改變周圍的孔隙大小，因此中部區(qū)域的孔隙會大于其他區(qū)域的孔隙，各個圍壓條件下剪切帶體積應(yīng)變?nèi)鐖D2所示。

圖2 軸向應(yīng)變與剪切帶體積應(yīng)變關(guān)系

從圖2 可以看出，在0.2～1.8 MPa 的圍壓范圍內(nèi)，瀝青混凝土剪切帶部位的孔隙率不斷減小。試驗前，必須控制試樣的孔隙率誤差在設(shè)計范圍內(nèi)，在此情況下，試樣剪切帶部位的孔隙率顯著增大，影響瀝青混凝土的抗?jié)B能力，導(dǎo)致其性能變差。同時，試樣其他部位的孔隙率并未發(fā)生影響瀝青混凝土性能的變化，因此這類破壞不會影響其他部位的孔隙率發(fā)生變化。在實際施工過程中，瀝青混凝土材料的心墻一旦發(fā)生剪脹，必定會造成孔隙率顯著增大，那么大壩的抗?jié)B透能力就會降低，很容易受到水分侵蝕，最終導(dǎo)致坍塌，嚴(yán)重危害到大壩以及其他水利設(shè)施的運行。

3.2.2 抗剪強度變化

將瀝青混凝土靜三軸試驗得到的軸向應(yīng)變、主應(yīng)力和體積的數(shù)據(jù)繪制成關(guān)系曲線，如圖3—4 所示。圖3 展現(xiàn)了不同圍壓下主應(yīng)力的差異變化情況，可直觀了解主應(yīng)力的變化規(guī)律；圖4顯示出不同圍壓下體積應(yīng)變的差異變化，可直觀掌握體積應(yīng)變的變化規(guī)律。由此可得，隨著圍壓的變化，瀝青混凝土的抗剪能力也在不斷提高，呈現(xiàn)同步緩慢增長的趨勢；最大軸向應(yīng)變也因此不斷的增大，出現(xiàn)塑性變形的現(xiàn)象，其程度也不斷加深。理論上在圍壓大約為2.48 MPa 時，瀝青混凝土的強度不會發(fā)生任何變化；當(dāng)將主應(yīng)力提升至4340 kPa 后，主應(yīng)力差也不再浮動，此時的瀝青混凝土處于理想塑性變形狀態(tài)，因此在該情況下其軸向應(yīng)變?yōu)?7.1%。

圖3 軸向應(yīng)變與主應(yīng)力差關(guān)系曲線

圖4 軸向應(yīng)變與體積應(yīng)變關(guān)系曲線

在試驗中，瀝青混凝土一旦出現(xiàn)壓縮剪切后，試樣的斜率都出現(xiàn)減小現(xiàn)象，使試樣處于彈塑性狀態(tài)；同時，瀝青混凝土的軸向應(yīng)變隨主應(yīng)力差的增大而增大，屬于同步增長的現(xiàn)象，但增大幅度不同，后者增大的幅度逐漸減小，當(dāng)軸向應(yīng)變和主應(yīng)力差的值達到一定程度后，瀝青混凝土的特性由彈性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?，也出現(xiàn)孔隙。骨料發(fā)生錯動會造成剪脹變形的程度加深，促使瀝青混凝土心墻的體積顯著增大，呈現(xiàn)非線性關(guān)系，主應(yīng)力差和圍壓也呈現(xiàn)不斷增大的趨勢，以改變?yōu)r青混凝土的狀態(tài)。

4 結(jié)論

綜上所述，通過開展瀝青混凝土靜三軸試驗，掌握瀝青混凝土在各圍壓下的參數(shù)變化，同時研究不同應(yīng)力下瀝青混凝土的特性變化。瀝青混凝土經(jīng)過靜三軸試驗后，試驗前的試樣孔隙率小于試驗后的試樣孔隙率，由此造成剪脹和變形現(xiàn)象更加嚴(yán)重，而中間部位的孔隙率明顯增大，出現(xiàn)中間大邊緣小的現(xiàn)象。因此，如果剪脹現(xiàn)象被破壞，瀝青混凝土的防滲能力和抗剪能力都會降低，影響大壩的安全性。