高应力下心墙沥青混凝土应力-应变特性研究

张维利

（山西省水利建筑工程局集团有限公司，山西 太原 030000）

1 概述

人们深入研究发现沥青有许多的优点可作为许多工程的材料，由于沥青混凝土材料具有抗寒特性，因此寒冷地区的水利工程多采用沥青混凝土作为建设材料[1-4]。不仅如此，利用沥青混凝土材料建设的大坝还具有优良的抗渗透能力、扩大其他大坝填充材料的范围以及裂缝治愈的功能，而且耐冲刷、抗腐蚀能力强，使得大坝的使用寿命非常长。因此，辗压式沥青混凝土心墙坝被广泛运用在各种恶劣环境下的水利工程中[5，6]。

在沥青混凝土的心墙大坝投入使用之前，需要进行静三轴试验，对心墙实施其能承受的最大围压，确定其能承受的最大压力。但是一般试验的压力和沥青混凝土心墙大坝实际能承受压力的差距非常大，无法了解心墙大坝的实际最大承受压力和变形情况[7-10]。而且目前对沥青混凝土采取的静三轴试验还在初步发展中，无法准确利用试验成果计算出沥青混凝土心墙大坝的应力-应变情况。所以，在高围压情况下开展沥青混凝土心墙静三轴试验，通过软件分析了解坝体的应力-应变情况，对后续沥青混凝土心墙土石坝的建设和发展具有重要意义。

2 沥青混凝土配合比设计与试验

2.1 沥青混凝土配合比参数的优选

经过反复研究，采用了L9（34）均匀正交表试验选出最佳的材料配合比，综合考虑各沥青混凝土试验配合比的级配指数、填料用量以及油石比数值。通过调查我国所采用的沥青混凝土试验配合比，最终得到以下9种配合比，分别以1～9的编号排列，试验设置级配指数分别为0.33、0.36、0.39，填料用量分别达到总量的9%、11%、13%，而沥青用量达到总量的6.3%、6.6%、6.9%。9 种沥青混凝土配合比的3 个指标，详见表1。

表1 沥青混凝土试验配合比

2.2 沥青混凝土配合比设计试验

进行沥青混凝土配合比试验时，分别以马歇尔稳定度、马歇尔流值、孔隙率作为试验的变化值，进行第一步试验。试验前，需要确定每组试验选用的6 个马歇尔式样，然后开始执行第一个试验步骤，这样能提升试验结果的准确性，使验证结果更加具有说服力。沥青混凝土配合比的试验结果，详见表2。

表2 沥青混凝土试验所用配合比及试验成果

2.3 配合比确定

根据试验得到的马歇尔稳定度、马歇尔流值以及孔隙率3 个指标的数据判断配合比是否是最优的。通过得出的极差和方差，先选用0.33 的配合比指数的沥青混凝土，其沥青和填料含量分别为6.7%和9%，再通过反复试验和计算分析，根据数据分析初步确定最佳的配合比，提高以沥青混凝土材料建设的大坝质量，增强其功能。试验采用的配合比，详见表3。

表3 沥青混凝土配合比

3 高应力条件下心墙沥青混凝土静三轴试验研究

3.1 试验方法

沥青混凝土由于自身的特殊性，要求实验仪器精度高，可通过试验精确了解沥青混凝土的特性，有利于将该材料科学应用于各种工程中。因此，为了更好地掌握沥青混凝土的特性，采取静三轴试验，分多次进行，围压分别为0.2、0.4、0.6、1.8 MPa。

根据上述得出的最佳沥青混凝土配合比进行试验，可提高试验结果精度，同时为保证试验误差在设计范围内，必须采取高标准的试验要求，便于控制心墙的空隙率。用游标卡尺测量得到的试样，可保证其误差不能超过1 mm，通过外观检查，缺陷明显或者没有在误差范围内的尺寸的试样需丢弃，确保试样的孔隙率为1±0.1%，不能采用不合格的试样进行试验，每组的试样数要达到3 个。试验步骤如下：首先将试样放置在温度为10 ℃的房间内至少达到4 h，然后将轴向加载设置为0.2 mm/min，当达到加载高度的20%时停止试验，除去周围压力，然后记录其外观状况。静三轴试验前后的试样对比，如图1 所示。

图1 沥青混凝土静三轴试验前后对比

3.2 应力-应变特征变化分析

3.2.1 孔隙率变化

试验前后孔隙率的变化，详见表4。

表4 试验前后孔隙率变化

由表4 可知，沥青混凝土试样在试验前后的孔隙率变化较小，但存在一定的规律，随围压的增大孔隙率逐渐减小，因为试验采取先剪缩后剪胀的步骤，所以导致沥青混凝土的孔隙率发生该现象。此外，水压力也会造成沥青混凝土的孔隙率存在该规律，并且减小的幅度相比围压情况下较大，随时间的流逝造成剪缩和剪胀的终点和起点发生变化。由于材料易出现变形，孔隙率不断减小，因此孔隙越变越小，使整个混凝土发生形变现象，随着试验过程的进行，围压不断增大，因此发生了横向形变，且形变的程度也在不断增大，导致剪胀形变的程度增大。

在试验过程中发现，试样破坏后都会鼓胀或者变形，其发生部位位于试样的中部，在该区域隆起改变周围的孔隙大小，因此中部区域的孔隙会大于其他区域的孔隙，各个围压条件下剪切带体积应变如图2所示。

图2 轴向应变与剪切带体积应变关系

从图2 可以看出，在0.2～1.8 MPa 的围压范围内，沥青混凝土剪切带部位的孔隙率不断减小。试验前，必须控制试样的孔隙率误差在设计范围内，在此情况下，试样剪切带部位的孔隙率显著增大，影响沥青混凝土的抗渗能力，导致其性能变差。同时，试样其他部位的孔隙率并未发生影响沥青混凝土性能的变化，因此这类破坏不会影响其他部位的孔隙率发生变化。在实际施工过程中，沥青混凝土材料的心墙一旦发生剪胀，必定会造成孔隙率显著增大，那么大坝的抗渗透能力就会降低，很容易受到水分侵蚀，最终导致坍塌，严重危害到大坝以及其他水利设施的运行。

3.2.2 抗剪强度变化

将沥青混凝土静三轴试验得到的轴向应变、主应力和体积的数据绘制成关系曲线，如图3—4 所示。图3 展现了不同围压下主应力的差异变化情况，可直观了解主应力的变化规律；图4显示出不同围压下体积应变的差异变化，可直观掌握体积应变的变化规律。由此可得，随着围压的变化，沥青混凝土的抗剪能力也在不断提高，呈现同步缓慢增长的趋势；最大轴向应变也因此不断的增大，出现塑性变形的现象，其程度也不断加深。理论上在围压大约为2.48 MPa 时，沥青混凝土的强度不会发生任何变化；当将主应力提升至4340 kPa 后，主应力差也不再浮动，此时的沥青混凝土处于理想塑性变形状态，因此在该情况下其轴向应变为17.1%。

图3 轴向应变与主应力差关系曲线

图4 轴向应变与体积应变关系曲线

在试验中，沥青混凝土一旦出现压缩剪切后，试样的斜率都出现减小现象，使试样处于弹塑性状态；同时，沥青混凝土的轴向应变随主应力差的增大而增大，属于同步增长的现象，但增大幅度不同，后者增大的幅度逐渐减小，当轴向应变和主应力差的值达到一定程度后，沥青混凝土的特性由弹性转变为塑性，也出现孔隙。骨料发生错动会造成剪胀变形的程度加深，促使沥青混凝土心墙的体积显著增大，呈现非线性关系，主应力差和围压也呈现不断增大的趋势，以改变沥青混凝土的状态。

4 结论

综上所述，通过开展沥青混凝土静三轴试验，掌握沥青混凝土在各围压下的参数变化，同时研究不同应力下沥青混凝土的特性变化。沥青混凝土经过静三轴试验后，试验前的试样孔隙率小于试验后的试样孔隙率，由此造成剪胀和变形现象更加严重，而中间部位的孔隙率明显增大，出现中间大边缘小的现象。因此，如果剪胀现象被破坏，沥青混凝土的防渗能力和抗剪能力都会降低，影响大坝的安全性。