沥青混凝土面板防渗层不同变形性能研究

韩雪东

(肇源县灌排中心，黑龙江 肇源 166500)

0 前 言

沥青混凝土面板防渗层是面板的主要防渗体，为传力结构非承载结构，从应变角度研究沥青混凝土面板防渗层在不同条件下的变形性能非常重要。文章主要从不同的模型计算角度去分析不同温度下的拉伸、抗压、小梁弯曲、圆盘蠕变特性试验，对求解的最大拉应变进行了验证，同时比较了不同破坏拉应变之间的关系，得出2℃时采用弹塑性、11和25℃采用线弹性计算小梁弯曲最大弯拉应变、圆盘特性试验以蠕变模型分析较为合理。

1 绪 论

沥青混凝土和普通混凝土不同，当外界环境温度或荷载时长变化时，沥青混凝土的破坏变形值变化显著，其作为柔性结构蠕变特性明显，沥青混凝土面板堆石坝是采用堆石体表面防渗的坝型，面板受到来自上游水荷载、日照高温、水流冲刷和气温温差等作用，和堆石体相比，沥青混凝土面板更符合传力结构特点，其变形和应变速率决定于基础结构形变而非自身[1]。因此在水工沥青混凝土设计中面板参数的主控指标应设定为应变量。

2 圆盘蠕变特性有限元原理

弹性薄板的小挠度理论基本假设：薄板中面弯曲只发生沿中面法线w的挠度，各单元点变形前后基于不同结构均在同一法线，距离恒定。各层结构平行中面，相互独立，截取圆薄板的微元体如图1所示[2]。

图1 在圆薄板上取微元体示意图

微元体内力分布见图2：径向：Mr、Mr+(dMr/dr)dr；周向：Mθ、Mθ；横向剪力：Qr、Qr+(dQr/dr)dr。

图2 圆薄板微元体受力分析图

微体内、外力对圆柱面切线T的力矩代数和为零[3]，平衡方程为：

∑MT=0

(1)

(2)

圆平板在轴对称载荷下的平衡方程：

(3)

3 蠕变理论在圆盘试验中应用分析

3.1 2℃时的圆盘初裂应变求解

圆盘试验时，设定荷载为单一较小水压力，随时间变化挠度增加，到圆盘产生结构裂缝或漏水时结束[4]。因上、下接触面为危险面，文章仅对该部分进行计算分析。2℃的圆盘试验各参数为p=0.12MPa、h=50mm、μ=0.48、R=250mm，上下表面的径向、周向应力结果见图3-图4。(拉应力为值，压应力为值)

图3 2℃圆盘试验上下表面处的径向应力分布图

图4 周向应力分布图

求得固支段的剪应力随高度的分布图见图5。

图5 2℃圆盘试验固支端剪切应力高度分布图

圆盘试验应力值见表1。

表1 圆盘试验应力值 2℃

静力部分引起的圆板上部的挠度分布，见图6；瞬态径向应变分布图，见图7；圆盘试验应力值，见表2。

表2 圆盘试验应力值 2℃

图6 2℃圆盘试验静力引起的瞬态挠度分布图

图7 瞬态径向应变分布图

4 沥青混凝土面板变形的因素分析

4.1 水荷载的作用

在水荷载作用下，沥青混凝土面板应变主控指标为拉伸应变来控制设计指标，结果表明：

1)无论是大坝堆石体或岸坡基岩，沥青混凝土面板的最大拉应变出现在上游坝坡与水库底部的反弧段位置[5]。

2)面板沿厚度方向的应力应变均匀分布，表明面板状态单纯受拉或受压，在面板贴坡段受压，在反弧段受拉。

3)沥青混泥土面板变形受堆石料材料参数影响显著，表明其变形主要决定于下卧基础层的变形。

4.2 不均匀沉陷对面板的影响

不均匀沉降时沥青混凝土面板应变主控指标为弯曲应变。当坝址区无透镜体时，坝基覆盖层材料单一，面板的应变沿厚度方向均匀分布。若坝址区存在不连续土质透镜体，坝体的基础沉降造成面板挠度产生突变，此时面板上方受压，周围受拉。

4.3 绕坝渗流反向水压力对面板的影响

当库水位下降时，若面板下方渗水未排尽，反向水压力将造成面板鼓包，此时面板应力较低，随时间效应面板变化为沥青混凝土蠕变。

4.4 不同变形性能试验间的比较

圆盘试验成果验证标准：2℃时圆盘中心变形挠跨比达到2.5%不漏水，25℃时圆盘中心挠跨比达到10%不漏水。不同试验强度间的比较，见表3；不同试验弹性模量间的比较，见图4，不同试验最大应变间的比较，见图5，不同试验强度间的比较，见图8，不同试验弹性模量间的比较，见图9，不同试验最大应变间的比较，见图10。

图9 不同试验弹性模量间的比较

图10 不同试验最大应变间的比较

表3 不同试验强度间的比较

表4 不同试验弹性模量间的比较

表5 不同试验最大应变间的比较

图8 不同试验强度间的比较

从上面的图中可知，当拉伸、压缩、弯曲应变速率相同时，试验温度升高，直接拉伸强度、抗压强度、小梁弯曲各强度指数均明显下降，在2℃到25℃的温度区间内，沥青混凝土脆性特性表现明显。在同一温度、应变率条件下，直接拉伸的强度小于小梁弯曲的强度，小梁弯曲的强度小于压缩的强度，拉伸的强度远小于压缩的，基本上呈拉压各异特点。

从弹性模量看，拉伸试验、抗压试验、小梁弯曲速率相同时的弹性模量表现出一定的相似性，基本随温度升高而降低，在2℃左右弹性模量很大，高温25℃的弹性模量很小。就直接拉伸和抗压而言，结果近似相同，2℃的小梁弯曲弹性模量大于直接拉伸和抗压。温度升高后，小梁弯曲的弹性模量逐渐与直接拉伸和、抗压结果相同。

从应变量结果可知，温度升高后的圆盘试验和其他指标应变量呈不同程度的上升，同温度的圆盘试验弯拉应变和抗压结果相似，小梁弯曲应变大于拉伸应变，但绝大部分温度下的结果是小于圆盘试验，较高温度下的小梁弯曲的变形能力大于圆盘试验。

5 结 论

文章基于沥青混凝土圆盘蠕变分析原理，通过求解不同温度的圆盘初裂变应变，得出不同温度最适宜的研究方法和模型选取，分析比较沥青混凝土面板防渗层的不同变形性能试验间的关系，指出试验指标对工程设计进行控制的指导性，所得结果对于沥青混凝土坝的防渗面板研究具有一定的参考价值。