浅析钻芯取样方法在堆石混凝土质量检测中的准确性

黄树新，唐晓玲，曾令福，陈兴梅，龙召福

(贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550025)

1 芯样强度影响因素

堆石混凝土(RFC)是一种依靠自密实混凝土(SCC)的高度流动性来填充堆石体之间的空隙，从而形成较为完整、强度更高的整体[1]。随着该技术的不断成熟与推广，相较于传统的筑坝技术能够有效地缩短工期、降低成本，因此得到了十分广泛的应用[2]。目前堆石混凝土沿用了常规混凝土坝的检测方式，其中钻芯取样的方式是目前检测堆石混凝土坝工程质量最为普遍的方法，钻芯取样检测常用于在不破坏已有建筑的整体结构的前提下测定混凝土强度以及建筑施工及运行状况，在常规混凝土的应用中取得了很好的效果。但从堆石混凝土实际工程的检测报告中，钻芯取样并没有取得很好的效果，同一工程的芯样样本的单轴抗压强度之间出现了十分大的偏差。表1中汇总了在贵州地区8座堆石混凝土坝钻孔取芯的试验报告结果，从汇总的工程试验数据来看，采用芯样抗压强度的检测方式所取得的单轴抗压强度值，具有不可忽视的离散性，其中最为典型的为猫溪沟水库工程，芯样强度最小值为18.7MPa，最大值达到了38.1MPa，而检测报告中普遍采用的处理方式为取平均值作为抗压强度的代表值，这样做法的正确性有待商榷。

表1 贵州地区芯样试验数据汇总表

从现有资料来看，造成这样大的离散性的原因在于堆石混凝土试件内部块石分布的较大的不均匀性，以及块石与混凝土所产生的力学性质薄弱界面的分布特性。各项工程的质量检测报告中列举了在钻芯取样时，各种类型的芯样断裂在总破坏类型的比例。堆石与自密实混凝土界面之间的破坏占了所有破坏类型的一半，石坝河水库中该种比例为51.01%，绿塘水库中该比例为42.11%，蔺家坪水库中该比例为55.56%。可认为界面为芯样强度的决定性因素，界面的分布类型及受力情况在很大程度上也决定了混凝土芯样的强度，而界面的分布形态实际上由块石的分布形态所决定。

在2019年实施的NB/T 1077—2018《堆石混凝土筑坝技术导则》中建议堆石混凝土钻孔取芯应符合DL/T 5144《水工混凝土施工规范》的有关规定，芯样直径大于200mm。但实际工程中并未严格按照导则建议执行，工程中钻芯取样是为芯样直径以200、150、100mm的情况居多，鲜有钻取200mm以上规格的芯样。而导则中更规定堆石混凝土所用块石的最小粒径为300mm，实际工程中许多块石的粒径甚至达到1000mm以上，块石的粒径远大于钻芯取样的规格，使得堆石混凝土的不均匀性在钻取的芯样内部被放大，在实际钻芯过程中，甚至出现了钻取芯样全为块石或全为混凝土的极端情况。钟文[3]在对堆石混凝土进行细观模拟分析时发现，两种不同块石分布形式的堆石混凝土，在参数相同的条件下，二者的抗压强度值相差10MPa左右。表2为蔺家坪水库的质量检测数据，表中粗略地将块石分布类型分为了横向接触与纵向接触2个大类，并统计了2个类别的芯样抗压强度。从表中可以看出，2种块石分布类型的平均抗压强度相差了6MPa左右。

表2 蔺家坪混凝土芯样抗压强度结果表

由此可以看出，块石在芯样中的分布形态为影响芯样抗压强度的决定性因素，对钻芯取样的结果造成较大的影响，且现有钻芯取样技术难以排除该因素的影响。因此本文通过有限元模拟带有不同块石分布形态的堆石混凝土的单轴压缩试验过程，探究该因素对芯样检测结果离散性的影响，对现有的钻芯取样检测堆石混凝土坝质量方式的可行性进行探究。

2 有限元分析模型建立及相关参数选取

2.1 模型设计

本次模拟主要在于还原堆石混凝土芯样内部的块石分布形态，目前有孔内电视成像和RFC实验舱切割截面能够直观地反映出堆石混凝土内部的块石分布形态。经过对比遵义市绿塘水库的zk1孔的孔内电视成像图，和贵州大学研究团队在绿塘水库工程以同条件、同工艺浇筑的RFC实验舱切割截面图，发现RFC实验舱切割截面图可以更为清楚地反映出块石在堆石混凝土中的分布形态。因此本文基于贵州大学研究团队的RFC实验舱切割后的截面图对试件内部块石的分布形态进行统计，并以此作为基础建立有限元模型进行分析。

实际的工程中堆石混凝土随机性较大，堆石混凝土内部块石的分布类型十分多样，难以一一还原，因此将堆石混凝内部的块石分布形态做出一定简化，着重以堆石混凝土内部的块石分布形态作为单一因素讨论堆石混凝土芯样强度的离散性。数值模拟采用的有限元软件为abaqus，abaqus具有丰富、适用于任意几何形状的单元库，在模拟金属、钢筋混凝土、岩石以及复合材料上都能取得很好的效果。本文按照仁怀市蔺家坪钻芯取样抗压试验的规格建立有限元模型，即直径为200mm、高径比为1的芯样。通过对RFC实验舱切割截面图的统计，发现以下岩石分布形态出现的最为频繁：①岩石与混凝土形成单一水平接触面的情况；②岩石与混凝土形成单一竖直接触面的情况；③岩石与混凝土之间形成多条竖直接触面的情况；④岩石与混凝土之间形成多条水平接触面的情况；⑤纯为块石或纯为自密实混凝土的情况。对应统计结果建立多个有限元模型进行分析，并选出了7块具有一定代表性块石分布形态的模拟试件进一步分析。

2.2 模型参数设置

混凝土部分采用abaqus中自带的混凝土专用损伤模型(cdp)单元进行模拟，该模型能够较好地表现出混凝土破坏过程中的塑性及连续性，模拟结果较为可靠[4]。混凝土弹性部分参数采用蔺家坪工程试验报告中的值，混凝土等级为c15，密度为2400kg/m3、弹性模量2.3GPa，泊松比0.2。混凝土的塑性参数按照表3[5]中的参数输入。

表3 混凝土塑性参数表

cdp模型使用时需要输入混凝土的抗拉、抗压应力应变曲线中至少8个点以及各点所对应的损伤因子，本文选取10个点进行计算。抗压、抗拉应力应变曲线采用贵州大学堆石混凝土研究中心的试验结果。目前有经典损伤理论方法[6]、sidoroff能量等价原理[7]、规范法[8]等计算损伤因子的理论原理。其中基于Sidoroff的能量法计算容易收敛，计算结果能够在abaqus中直接使用，因此本文采用能量法来计算损伤因子d。

受压损伤因子：

受拉损伤因子：

(2)

按照规范进行计算，损伤因子计算结果见表4。

表4 损伤因子计算表

岩石部分采用线性剪切破坏原理的druckerprager单元进行模拟模拟，相较于其他岩石的强度理论，该理论能够更为完整地反映了岩石在体积应力、剪应力以及中间主应力对岩石强度的影响。岩石弹性参数采用贵州大学堆石混凝土研究中心基于绿塘水库得出的值，岩石密度为2650kg/m3，弹性模量为5.8GPa[9]，泊松比为0.21，单轴抗压强度65MPa。其余参数通过查阅相关岩石力学参数手册，见表5。

表5 岩石dp模型参数表

界面过度区的厚度在12～41μm[10]左右，因为单元的厚度极薄，所以使用abaqus自带的无厚度cohesive单元[11]来模拟岩石与混凝土之间的粘结接触，其原理是将粘聚力与界面单元结合，通过单元刚度退化来模拟界面上的裂缝发展，该单元的破坏分为初始损伤和破坏演化阶段。初始损伤阶段选用Quads Damage准则，损伤演化阶段选用能量控制的BK准则[12]。Quads Damage准则即为二次名义准则，当单元上3个方向的名义应力平方之和为1时，单元开始破坏：

(3)

由于目前缺少堆石混凝土内部块石与自密实混凝土之间粘聚力的实验数据，因此本文采用张雅慧[13]等人改进的Barton岩石节理峰值剪切强度经验公式，改进后，适用于计算界面两侧不同材料情况下，尤其为岩石-混凝土界面的粘聚力，其计算公式如下。

(4)

(5)

式中，σa、σb—岩石、混凝土的单轴抗压强度；JCSa、JCSb—岩石、混凝土的壁面强度，参照相关文献[14]选取；JRC—界面粗糙度，实际工程中对块石进行了表面凿毛的工作，因此粗糙度介于微粗糙表面(JRC=3.31)与起伏粗糙表面(JRC=10.43)之间。在该区间内用不同的JRC值计算出相应的混凝土岩石粘聚力之后，带入多个450mm×450mm带有随机块石分布的二维混凝土模拟试件之中计算抗压强度，经过模拟后发现当JRC=6.43左右时模拟结果与试验值较为接近，此时岩石和混凝土之间粘聚力约为12MPa，多个二维模拟试件平均值约为26MPa。

3 有限元结果分析

以自密实混凝土试件的情况作为对比，建立自密实混凝土试件a。加压完成后，试件a的抗压强度约为24.5MPa，与表2中蔺家坪混凝土芯样的抗压强度结果一致，基本符合数值模拟中混凝土试件单轴压缩破坏的规律[15]。

当试件中岩石与混凝土形成一条水平接触面时，建立堆石混凝土试件b，并将界面进行倾斜，再增设多组模拟试件。从模拟结果来看，试件b的抗压强度及曲线变化趋势与试件a基本相同，试件中主要为混凝土及界面发生破坏，说明堆石未发生骨架支撑作用，应力应变曲线趋势与试件a相同，说明试件失效依然是由混凝土破坏所产生，块石与混凝土之间并未发生复合材料里的补强作用。随着界面从水平逐渐倾斜时，模拟试件的强度呈现出不断下降的趋势，当角度增大至45°时，即试件c，试件抗压强度下降至20MPa，混凝土与岩石之间产生了明显的错缝，说明试件c破坏主要由于作用于界面上的切应力使界面失效破坏。

当试件中岩石与混凝土形成一条竖直接触面时，分别建立试件d与试件e，2试件中块石都沿加载方向形成了独立的受力结构，但试件d中块石占比为20%，试件e中块石占比为55%。该种情况下堆石混凝土试件的强度得到极大的提升，试件d的强度达到了30.0MPa，试件e的强度达到了33.6MPa。随着块石占比的提高，试件抗压强度也随之提高，从破坏结果来看，混凝土部分破坏严重，且向外侧发生了明显位移，岩石部分产生少量变形，但几乎未产生开裂，岩石部分仍未完全发挥骨架作用。

试件中块石与混凝土形成两条竖向接触界面时，存在2种情况：单块尖角形的块石插入混凝土内部形成二接触面相交的情况，即试件f；试件中由2块块石形成的2个不平行、未相交接触面的情况，即试件g。

试件f单轴抗压强度仅为19MPa，为本次模拟的下限值，试件沿块石顶角快速开裂产生破坏，破坏形式与混凝土的劈裂试验类似，混凝土向两侧产生位移，底部界面也出现了一定程度的破坏。块石不仅没有发挥骨料支撑作用，反而在堆石混凝土内部形成应力集中，导致堆石混凝土芯样试件的抗压强度大幅下降，达到了表1中所统计的芯样试件最低值，且为本次模拟试验的最低值。试件g的抗压强度达到了37.5MPa，试件的强度远超自密实混凝土试件的强度，基本上达到了表1中芯样强度所统计的最大值，为本次模拟结果的上限。从破坏结果来看，混凝土、界面、块石部分均发生了不同程度的破坏，如图1中试件g所示。从荷载-变形曲线来看，试件破坏后的结构变形阶段应力下降缓慢，说明试件破坏后仍有较高的强度。说明该种情况下，试件充分发挥了骨架支撑作用，同时由于2块块石形成的环箍效应，在一定程度上限制了混凝土侧向位移，使得堆石混凝土试件的整体强度得到进一步的提升。

图1 各试件破坏图

图2为各试件的应力应变曲线图，从图中可以看出，模拟的抗压强度规律基本符合贵州地区各工程的芯样统计结果，曲线变化趋势基本符合堆石混凝土单轴抗压的实验规律[16]。从分析结果来看，堆石混凝土芯样内部的块石是否形成独立的受力结构，块石是否在时间内部产生了应力集中，块石对混凝土是否起到了限制变形发展的作用，都会使芯样内部应力分布和破坏形式存在极大的差别，从而导致钻取的芯样不可避免地出现较大的离散性，同条件下，试件间强度的差异能达到接近2倍，如试件f与试件g。

图2 各试件应力应变曲线图

4 结论

本文根据RFC实验舱切割界面图建立多个带有不同块石分布形态的堆石混凝土模拟试件，确定了在块石分布形态单因素作用下，堆石混凝土芯样抗压强度下限为19MPa，上限达到了38MPa。芯样单轴抗压强度于极大的范围内产生波动，尤其在芯样钻取样本不足的情况下，极容易得出不符合工程实际情况的强度值，但增加取芯数量又违背了芯样检测法尽量不破坏建筑完整性的初衷。因此钻芯取样在堆石混凝土质量检测中的应用较为局限，在现有的钻芯取样的规格、样本数量的条件下，钻芯取样检测方法难以准确地反映出堆石混凝土力学性能的真实情况。钻芯取样的质量检测方法需要针对堆石混凝土做出改进，如根据破坏后芯样内部的块石分布状况建立对应的强度分级制度，或提出其他更为有效的检测方式。