顺坡向压力荷载作用下挤压边墙的破碎研究

彭兆轩，王瑞骏，程金标，张 帅，李 阳

(1.西安理工大学水利水电学院，陕西西安710048；2.浙江省水利水电技术咨询中心，浙江杭州310020)

0 引 言

混凝土挤压边墙施工技术是一种混凝土面板堆石坝上游坡面施工的新技术[1]。1999年巴西埃塔面板堆石坝首次运用了挤压边墙技术，因其代替了传统工艺中垫层料的超填、削坡、修整、碾压等工序，加快了施工进度，施工质量得到了保证和提高[2，3]，随后其他国家在兴建面板混凝土堆石坝中逐渐采用该项技术[4]。

随着挤压边墙施工技术的不断发展与运用，众多学者对挤压边墙进行了研究。周伟等[5]研究了挤压边墙对面板的应力作用及面板的裂缝成因；石成名等[6]利用地质雷达检测技术对挤压边墙的脱空情况进行了检查；赵新瑞等[7]对挤压边墙表面进行了变形分析；罗先启等[8]研究了挤压边墙对面板的应

表1 面板混凝土配合比

力应变影响；Yalin Arici[9]进行了地震荷载作用下挤压边墙对混凝土面板性能的研究；张建明等[10]提出并论证了挤压边墙概化数值模型的合理性和适用性；陈洪天等[11]研究发现挤压边墙不是混凝土面板产生裂缝的主要原因，且其施工方法不会导致面板应力的恶化。但对于挤压边墙在顺坡向压力荷载作用下的裂缝发展和破碎机理尚未有人进行研究，因此进行顺坡向压力荷载作用下挤压边墙压裂破碎机理试验研究很有必要。

1 试验准备

1.1 试验设备与试验材料

试验采用大型DTD-2000KN动静三轴试验仪，试样尺寸为150 mm×450 mm(直径×高)。依据DL/T5422—2009《混凝土面板堆石坝挤压边墙混凝土试验规程》以及相关文献[12-21]，并参照某实际工程，确定面板混凝土和挤压边墙混凝土配合比如表1、表2所示。

表2 挤压边墙混凝土配合比

考虑试件的缩尺效应，面板混凝土粗骨料选用最大粒径为20 mm的卵石，挤压边墙混凝土选用最大粒径为10 mm的人工碎石，垫层料选用最大粒径为5 mm的级配良好的砂石料。

1.2 试验设计

1.2.1 试验原理

挤压边墙的上游是混凝土面板，下游是压实后的垫层料以及堆石体，挤压边墙处于混凝土面板与垫层料之间。上部的坝体自重以及水的重力等都会对下部的挤压边墙产生一个顺坡向的压力荷载，这个荷载是长期存在的，并且随水位的升高，顺坡向压力荷载会逐渐增大，并且挤压边墙受到垫层料的约束不能自由变形。

结合实际工程中挤压边墙的特征与目前现有的试验条件，决定采用大型三轴试验仪来模拟挤压边墙的受力状态以及结构特征，揭示挤压边墙在顺坡向压力荷载下的压裂破碎规律，即模拟挤压边墙处于上游面板和下游垫层料之间、挤压边墙自身分层叠加、与面板以平面接触、与垫层料以齿状接触的特殊结构以及周围存在一定的围压，顺坡向压力荷载不断增大的受力状态。由于三轴仪试件只能是圆柱体，所以用横断面为弧形的混凝土面板模拟实际工程中的混凝土面板，弧形面板最大厚度为45 mm，高度为450 mm，如图1a所示。待挤压边墙试件达到试验龄期后从养护箱中取出，分层叠加、紧密靠在面板侧，其他部位填最大粒径为5 mm的砂砾石模拟垫层料，并用钢筋插捣密实，运用三轴仪施加围压和顺坡向压力荷载，其内部结构与受力状态如图1b所示，其中，a为弧形面板，b为挤压边墙，c为垫层料，σ1为主压，σ2为围压。

图1 挤压边墙混凝土试件示意

1.2.2 试验步骤

(1)试验前的准备。包括模具的设计与制作、试验材料的选择与制样以及试件的养护等。

(2)试验阶段。将养护好的试件取出，先把透水板与混凝土面板依次放置在三轴仪试验工作台上，并套上热缩套，固定其下端与底座，用PVC胶带使之紧密贴合；接着把挤压边墙按照一定的顺序放入热缩套内，在此过程中要不断的添加垫层料并用钢筋插捣密实，否则将会使边墙受力不均，从而造成偏差[22]；然后放置上压头，用PVC胶带使热缩套与上压头完全密封；最后安装传感器，经过调试后，利用小车将其送入压力室开始试验。

(3)试验后的处理。对试验所得数据及时保存，清理试验设备。

在该试验中主要考虑边墙的3种搭接长度，即10、15、20 cm；3种围压，即0.5、1、1.5 MPa；3种配合比，即A、B、C。

2 试验结果分析

在进行了大量试验的基础上，得到了大量的试验数据和裂缝发生、发展以及挤压边墙破碎的图片，经过比对分析后，本文列举有代表性的典型试验数据，运用分类对比法分析试验数据呈现出的规律。

通过大型三轴试验可以得出如下结果：①挤压边墙在顺坡向压力荷载作用下随着顺坡向压力荷载的逐渐增大，会被逐渐压裂破坏，但不会被彻底压碎成为垫层的一部分；②挤压边墙在顺坡向压力荷载逐渐增大的过程中，当压力荷载增大到某一值时，第1条裂缝出现在挤压边墙搭接部位附近，方向近似垂直面板；③随着压力的进一步增大，裂缝由两侧向中间发展直至将整个试件贯穿，同时由2个试件接触部位向中间厚度较大处发展，最终整个试件被破坏，所有裂缝大致平行。

2.1 搭接长度对试验结果的影响分析

搭接长度为10、15、20 cm的挤压边墙出现裂缝时的压力如表3所示。3种搭接长度的挤压边墙最终破坏状态相同，会被压裂破坏但是不会被彻底压碎成为垫层料的一部分，被压裂破坏的顺坡向压力约为5.2 MPa。由试验结果和表3可知，挤压边墙之间的搭接长度在顺坡向压力荷载作用下不会影响挤压边墙的最终破坏形态，但是对裂缝起裂时的荷载大小有影响，搭接长度越大，裂缝起裂以及迅速发展增多时所需要的顺坡向压力就越大。

表3 不同搭接长度的挤压边墙试件出现裂缝时的压力

2.2 围压对试验结果的影响分析

受到不同围压的挤压边墙在顺坡向压力荷载作用下，面板出现不同程度裂缝的压力如表4所示。由表4可知，不同围压对挤压边墙在顺坡向压力荷载作用下的最终破坏没有影响，但是对裂缝起裂时的荷载大小有影响，围压越大，裂缝起裂以及迅速发展时所需要的顺坡向压力荷载都越大。

表4 不同围压下挤压边墙试件出现裂缝时的压力 MPa

2.3 配合比对试验结果的影响分析

不同配合比的挤压边墙试件出现裂缝时的压力如表5所示，根据试验结果和表5可知：①在顺坡向压力荷载作用下，挤压边墙会被压裂破坏但是并不会被彻底压碎；②挤压边墙配合比由A至C(即水胶比减小时)，三轴试验试件抗压强度没有显著变化，这是因为混凝土面板的存在，面板混凝土的弹性模量远远大于挤压边墙和垫层料，不易被压缩，相同的压力下面板混凝土的变形量远远小于挤压边墙和垫层料，当压力达到某一值时，压力只由面板承受，而面板的最大厚高比为1∶10，容易被破坏而导致试验停止，这与实际工程中面板不会被顺坡向的压力压坏的情况吻合；③挤压边墙在顺坡向压力荷载作用下被压裂，起裂位置为挤压边墙之间的搭接部位，而不是深入垫层料的齿状结构处，裂缝方向大致垂直混凝土面板，当压力进一步增大，裂缝持续发展，所有裂缝几乎平行，直至将整个试件贯通；④随着水胶比的减小，挤压边墙在顺坡向压力荷载作用下起裂以及裂缝发展所需要的顺坡向压力更大。

表5 不同配合比的挤压边墙试件出现裂缝时的压力 MPa

3 结 语

(1)挤压边墙在顺坡向压力荷载逐渐增大的过程中，第1条裂缝出现在挤压边墙搭接部位附近，方向近似垂直面板；随着顺坡向压力的进一步增大，裂缝由挤压边墙两侧向中间部位发展直至将整个试件贯穿，裂缝同时由2个试件搭接部位向中间厚度较大的部位发展，最终导致整个试件被破坏，所有裂缝大致平行；边墙逐渐压裂破坏，但是不会被彻底压碎成为垫层的一部分。

(2)挤压边墙的水胶比对其在顺坡向压力荷载作用下被压裂破坏的影响可以忽略，但是水胶比越小，裂缝起裂以及发展所需要的压力越大。

(3)挤压边墙之间的搭接长度和围压对于其最终破坏没有影响，但是对于挤压边墙起裂以及裂缝的发展有影响，搭接长度越大，围压越大，裂缝起裂以及发展所需要的压力越大。

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