不同温度条件下三峡茅坪溪沥青混凝土三轴试验研究

摘 要：沥青混凝土具有温度敏感性，不同温度下力学性能差异较大。针对三峡茅坪溪沥青混凝土进行了基本力学性质试验及不同温度条件下的三轴剪切试验，探究温度对沥青混凝土力学性质的影响规律。结果表明：茅坪溪沥青混凝土的劈裂抗拉强度偏低，拉伸强度较小，拉伸应变较大，最大弯拉应变、挠跨比较大，单轴抗压强度较小；随着试验温度的升高，沥青混凝土的黏聚力增大，内摩擦角减小，试样破坏偏应力降低，且偏应力随着围压的增加而增大，试验结束时应力-应变关系曲线均为硬化型；变形模量数K、n及初始切线泊松比G均随试验温度的升高而降低。试验成果可为大坝沥青混凝土心墙运行状态评价提供参考。

关键词：沥青混凝土；三轴试验；温度；三峡茅坪溪；应力-应变

中图分类号：TU411 " " " " " " 文献标志码：A

0 引 言

近年来，沥青混凝土心墙坝越来越多的使用在水利水电工程中，其具有以下优点[1-2]：防渗性能好，可适应大坝的变形；抗震性能好；有足够的塑性，受荷载作用出现裂缝在一定条件下可自愈；天然条件下，抗老化能力较强。由于沥青对温度极其敏感，不同温度下，沥青混凝土的力学性能差异较大。很多学者对温度对沥青混凝土力学性能的影响进行了研究。魏芸[3]开展不同温度和不同围压条件下的静三轴试验研究，分析了沥青混凝土在不同温度下的力学表现。杨华全等[4]探究了试验环境温度、试件成型工序和脱模方法对沥青混凝土模量数K值的影响，发现静压成型试件的K值与芯样、击实成型试件的K值相差较多，随温度的升高，沥青混凝土的K值降低。宁致远等[5]研究了不同温度和不同应变速率对沥青抗压强度和弹性模量的影响，提出了温度影响因子经验公式。宋东[6]分析了低温环境下沥青混凝土的力学特性，并优化了邓肯-张模型参数的求解方法。胡凯[7]系统研究了不同温度和加载速率条件下沥青混凝土的抗剪切性能、拉压性能、三轴压缩性能等，提出了温度、加载速率对沥青混凝土强度、应变、模量的影响规律。次仁云旦等[8]开展了不同温度条件下的三轴剪切试验，发现沥青混凝土在负温时出现明显的应变软化和剪胀性，剪切强度随温度升高而减小。陈宇等[9]对两种沥青含量的沥青混凝土进行不同温度下的三轴试验，发现在0 ℃时应力软化现象明显，随温度升高，应力软化现象消失，呈现应力硬化现象，同一沥青含量下，温度越高，最大偏应力越小，抗剪强度越低。熊泽斌等[10]针对拉洛水利枢纽沥青混凝土开展了不同骨料、不同温度和剪切速率条件下的三轴试验，分析了骨料性质、试验温度和剪切速率对沥青混凝土力学性能的影响。何晓民[11]对茅坪溪沥青混凝土进行三轴剪切试验，发现沥青混凝土的应力-应变关系基本符合邓肯-张模型。谭凡[12]探究了不同温度和剪切速率条件对沥青混凝土力学性质的影响，结果表明温度越低，沥青混凝土强度越高，软化与剪胀现象越明显，且沥青混凝土强度表现出明显的非线性。

茅坪溪土石坝是我国第一座进行系统设计与研究的沥青混凝土心墙坝，也是我国第一座坝高超过百米的沥青混凝土心墙坝。2008年开始试验性蓄水至正常水位175.0 m，至今已有15年，沥青混凝土心墙的运行状态一直备受关注。

本文对三峡茅坪溪沥青混凝土的基本力学性能进行测试，并开展不同温度下的固结排水三轴剪切试验，以探究温度对沥青混凝土力学性能的影响规律，为大坝沥青混凝土心墙运行状态的评价提供参考。

1 原材料组成

根据《茅坪溪防护工程、电源电站预建工程右岸地下电站进水口预建工程验收施工、监理报告》[13]，沥青混凝土试验用粗骨料采用王家坪料场的灰岩（碱性骨料），细骨料由人工砂与天然砂按比例掺配，天然砂为长江河砂。选用中海油水工沥青，沥青含量为6.6%。骨料及填料含量见表1，沥青混凝土配合比见表2。

2 沥青混凝土基本力学性能

根据沿心墙不同高程处埋设的温度计测值可知，2021年各测点温度平均值为21.1 ℃，因此，后续沥青混凝土基本力学性能试验在21.1 ℃条件下进行。按照表2提供的沥青混凝土配合比制样，对沥青混凝土分别进行马歇尔试验、水稳定性试验、间接拉伸试验、直接拉伸试验、小梁弯曲试验、单轴压缩试验，具体试验过程参考《水工沥青混凝土试验规程》（DL/T 5362—2018）[14]。试验结果见表3、表4。可知，沥青混凝土的孔隙率小于2%，水稳定系数为0.99，符合灰岩碱性骨料与优质沥青黏附性较好的一般规律。间接拉伸试验和直接拉伸试验结果表明，沥青混凝土的劈裂抗拉强度偏低，拉伸强度较小，拉伸应变较大，二者试验结果规律一致。与同类工程相比，本次试验沥青混凝土的最大弯拉应变、挠跨比较大，单轴抗压强度较小，这主要是因为试验温度较高（21.1℃），试验结果符合沥青混凝土的一般规律。

3 不同温度条件下沥青混凝土三轴试验

3.1 三轴试验方法与条件

沥青混凝土三轴试样尺寸为Φ‌100 mm×200 mm，试样见图1。由于沥青混凝土对温度较敏感，试验在温控三轴实验室中进行，实验室由隔热材料建成，采用大型空调机组控温，最低温度可控制在5 ℃。试验仪器见图2。通过长江科学院设计的外体变精确测量装置[12]测量试验过程中沥青混凝土试样的体积变形。根据《水工沥青混凝土试验规程》要求，试验前将试样放置在恒温水浴内24 h，确保整个试样的温度均匀，恒温水浴见图3。本次试验围压分别为300、600、900、1 200 kPa，轴向变形速率为0.2 mm/min。

3.2 三轴剪切试验结果

不同试验温度条件下的沥青混凝土三轴应力-应变关系曲线和应力-体变关系曲线分别见图4和图5。可知，偏应力（σ1-σ3）随着围压σ3的增大而增大，四种温度条件下的应力-应变关系曲线在试验结束时均为“硬化”型（见图4）。试验温度为16.4 ℃，围压300 kPa时，体变εv为先体缩后体胀，而其他温度及围压条件下，试验开始阶段为体缩，后体积增大，但最终体变曲线仍为体缩（见图5）。

图6为不同温度下侧向应变εr和轴向应变ε1关系曲线。可知，侧向应变与轴向应变基本为线性关系，因此取体变参数D=0。

目前国内在沥青混凝土心墙坝应力-应变计算过程中使用邓肯-张模型较多，基于本文试验结果提出了不同温度条件下沥青混凝土的邓肯-张模型参数见表5。可知，随着温度的提高，沥青混凝土强度降低，其抗剪强度指标的黏聚力c随之增大，但内摩擦角φ则相反，随温度的升高而减小。这主要是由于沥青混凝土是典型的流变材料，温度对其力学性能有显著的影响，随着温度升高，沥青软化，黏性增大，进而导致黏聚力增大，抗剪切强度降低。该结果与文献[10]、文献[11]等人的研究结论一致。沥青混凝土的变形模量数K、n、Kb及初始切线泊松比G均随试验温度的升高而降低，Rf、F、m受温度影响较小。

不同温度条件下，破坏偏应力如图7所示。可知，破坏偏应力随着温度的增高而减小，且围压越高，减小幅度越大，主要是因为沥青在温度较高时软化，导致强度降低易发生破坏。相同温度条件下，围压越高，破坏偏应力越大，试验温度16.4 ℃，围压为1 200 kPa时的破坏偏应力是300 kPa时的2.6倍。

黏聚力c、内摩擦角φ及变形模量数K随温度变化曲线见图8。随着温度的升高，黏聚力增大，而内摩擦角φ和变形模量数K减小。试验温度25 ℃与16.4 ℃结果相比，黏聚力提高了49.5%，内摩擦角与变形模量数分别降低了18.4%和45.2%。

4 结 论

通过在不同温度条件下对茅坪溪沥青混凝土进行三轴剪切试验，探究试验温度对沥青混凝土力学性质的影响。主要结论如下：

（1）茅坪溪沥青混凝土的劈裂抗拉强度偏低，拉伸强度较小，拉伸应变较大，最大弯拉应变、挠跨比较大，单轴抗压强度较小。

（2）随着试验温度的升高，沥青混凝土的黏聚力增大，内摩擦角减小，试样破坏偏应力降低。偏应力随着围压的增加而增大，试验结束时应力-应变关系曲线均为硬化型。

（3）变形模量数K、n及初始切线泊松比G均随试验温度的升高而降低，其他参数无明显变化趋势。

参考文献：

[1]SCHONIAN E. The Bitumen Hydrulic Engineering Handbook[M].London：Shell Bitumen，2001.

[2]任少辉. 沥青混凝土静三轴试验研究及心墙堆石坝应力应变分析[D]. 西安：西安理工大学，2008.

[3]魏芸.温度对沥青混凝土静力学性能影响的试验研究[D].西安：西安理工大学，2021.

[4]杨华全，王晓军，何晓民.沥青混凝土模量数K值的影响因素试验研究[J].长江科学院院报，2007，24（4）：57-59，63.

[5]宁致远，刘云贺，王琦，等.不同温度环境中沥青混凝土动态抗压性能试验研究[J].振动与冲击，2021，40（2）：243-250.

[6]宋东. 低温沥青混凝土静三轴试验研究及沥青心墙堆石坝有限元计算分析[D].西安：西安理工大学，2017.

[7]胡凯. 温度和加载速率对水工沥青混凝土性能的影响研究[D].西安：西安理工大学，2020.

[8]次仁云旦，王柳江，扎西顿珠，等.温度对水工沥青混凝土强度及剪胀特性的影响试验研究[J].长江科学院院报，2024，41（1）：190-195.

[9]陈宇，姜彤，黄志全，等.温度对沥青混凝土力学特性的影响[J].岩土力学，2010，31（7）：2192-2196.

[10] 熊泽斌，刘春鹏，郑光俊，等. 西藏拉洛水利枢纽大坝沥青混凝土心墙料三轴试验研究[J]. 水利水电快报，2022，43（11）：84-89.

[11] 何晓民. 沥青混凝土三轴应力条件下的力学特性[J]. 长江科学院院报，2000，17（2）：37-40.

[12] 谭凡. 沥青混凝土心墙材料力学性能研究[D].武汉：长江科学院，2012.

[13] 中国长江三峡工程开发总公司.茅坪溪防护工程、电源电站预建工程右岸地下电站进水口预建工程验收施工、监理报告[R]. 武汉：中国长江三峡工程开发总公司，2003.

[14] DL/T 5362—2018，水工沥青混凝土试验规程[S]. 北京：中国电力出版社，2019.

Triaxial Experiments on Asphalt Concrete of Maopingxi，Three Gorges under Different Temperature Conditions

SHEN Zhaoyong1，LIU Chunpeng2，WANG Yanli2，ZHOU Xinhua2

（1. River Basin Complex Administration Center，China Three Gorges Corporation，Yichang 443133，China；2. Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：Asphalt concrete is temperature-sensitive and its mechanical properties vary significantly at different temperatures. We conducted basic mechanical property tests and triaxial shear tests at different temperatures of asphalt concrete from Maopingxi in Three Gorges，and explored the influence of temperature on mechanical properties of asphalt concrete. Results show that asphalt concrete of Maopingxi is characterized with relatively low splitting tensile strength，low tensile strength，high tensile strain，high maximum bending tensile strain，high deflection span ratio，and low uniaxial compressive strength. As the testing temperature increases，the cohesion of asphalt concrete increases，the internal friction angle decreases，and the failure deviator stress decreases. Additionally the deviatoric stress increases with the increase of confining pressure，and the stress-strain curves are all of the hardening type at the end of tests. The values of deformation modulus K，n，and initial tangent Poisson's ratio G all decrease with the increase of test temperature. Experimental results can provide a reference for the evaluation of operational status of asphalt concrete core walls in dams.

Key words：asphalt concrete；triaxial experiment；temperature；Maopingxi in Three Gorges；stress-strain