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碾压混凝土!碾压混凝土原位抗剪试验

导读:此文是一篇碾压混凝土论文范文,为你的毕业论文提供有价值的参考。

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(1. 河海大学力学与材料科学学院,江苏 南京 210009;2. 中国水利水电第七工程局,四川 成都 611730)

摘 要:碾压混凝土筑坝技术自在坑口工程取得成功经验后,在我国发展很快.中国碾压混凝土的特点是高掺粉煤灰、低Vc值、短间歇、薄层全断面碾压、快速连续上升,在坝体上游侧铺筑二级配碾压混凝土,解决坝体防渗问题.对于大坝混凝土而言,由于其抗剪强度与大坝的抗滑稳定直接相关,因此抗剪强度为大多数设计者所重视.对于碾压混凝土更是如此,由于其成层碾压的特点,其层面结合处将成为薄弱层,对于大坝稳定性及安全性至关重要.因此,层面抗剪参数成为评定碾压混凝土质量的主要性能指标.

关键词:原位抗剪试验;岩石抗剪;碾压混凝土中图分类号:TV642      文献标识码:A

文章编号:1009-2374( 2010)34-0025-04

随着碾压混凝土大坝的广泛应用,对于碾压混凝土的性能研究也日益深入.对于碾压混凝土而言,层面抗剪参数是碾压混凝土质量的主要评价依据.

任旭华等通过有限元仿真计算,提出碾压混凝土坝可能的失稳方式为沿层面的剪切滑移,失稳破坏的控制点即扩展过程与坝体断面的形状及强度特性有关.坝基失稳破坏时坝址剪切屈服区向上游逐渐发展的结果,而碾压混凝土层面在残余强度较小时具有脆性破坏现象,层面上的应力和点安全系数是不均匀的,且沿高程变化,揭示了碾压混凝土的破坏机理.

碾压混凝土作为零坍落度混凝土,其拌合物较为松散,粘聚性差,在卸料、转运和摊铺过程中,大小颗粒容易产生分离,下层面上大粒径骨料较多,甚至局部地区还出现大粒径骨料集中,会严重影响其层间结合质量,为此《水工碾压混凝土施工规范》(SL53-94) 中规定“粗骨料的最大粒径以不大于80mm 为宜,使用最大粒径超过80mm 的粗骨料应进行技术经济论证.不宜采用间断级配.”

1 碾压混凝土原位抗剪试验

1.1 工程概况

观音岩水电站为一等大(1) 型工程,以发电为主,兼有防洪、灌溉、旅游等综合利用功能.水库正常蓄水位1134m,库容约20.72 亿m3,电站装机容量3000(5×600)MW.其枢纽主要由挡水、泄洪排沙、电站引水系统及坝后厂房等建筑物组成.引水发电系统建筑物布置在河中,岸边溢洪道布置在右岸台地里侧,导流明渠溢洪道布置在导流明渠位置.

挡河大坝由左岸、河中碾压混凝土重力坝和右岸粘土心墙堆石坝组成为混合坝,坝顶总长1158m,其中混凝土坝部分长838.035m,心墙堆石坝部分长319.965m.混凝土坝部分坝顶高程为1139.00m,心墙堆石坝部分坝顶高程为1141.00m,两坝型间坝顶通过5% 的坡相连.碾压混凝土重力坝部分最大坝高为159m,心墙堆石坝部分最大坝高71m.其中导流明渠土建及金属结构安装工程,主体混凝土共计116.4 万方,其中常态混凝土75.6 万方,碾压混凝土40.8 万方.

1.2 气候及地理特征

观音岩水电站位于云南省丽江市华坪县与四川省攀枝花市交界的金沙江中游河段,为金沙江中游河段规划的八个梯级电站的最末一个梯级,上游与鲁地拉水电站相衔接.

金沙江流域地跨十余个经度及纬度,地形地貌极为复杂,气候特征差异很大.直门达以上地处青藏高原,地势高亢,气候严寒干燥,雨量稀少.直门达以下至攀枝花河段,地势由北向南倾斜,地处横断山脉地带,由于受地形影响,本地区气候在水平和垂直方向上差异很大,立体气候明显.攀枝花附近以华坪为例:多年平均气温19.8℃,多年平均降雨量1078.1mm.攀枝花以下河段,在昆明静止锋和西南气流影响下,阴湿多雨,雨日较多,如绥江气象站多年平均降雨日数可达180.6 天.

金沙江流域的暴雨比较小,在青藏高原区,由于地势高,山脉呈西北—东南走向,阻挡了孟加拉湾水汽的输入,可降水少,因而一日最大降水大部分地区在40mm 左右.金沙江中、下游最大一日降水远大于上游,其他时段的暴雨分布情况也基本如此.

金沙江流域云南省境内上、中、下游河段主要气象站有:中甸、宁蒗、丽江、永胜、华坪、元谋、巧家、绥江等,多年气象特征值统计见表1:

观音岩电站工程区气象特征值以附近攀枝花市仁和气象站为代表,其气象特值统计见表2:

1.3 原位抗剪试验原理

观音岩水电站导流明渠工程碾压混凝土所用原材料:水泥为丽江水泥厂生产的P·MH 42.5 丽江中热水泥,煤灰为攀钢504 电厂利源风选Ⅱ级粉煤灰.骨料为水电九局龙洞临时生产系统生产的砂石骨料.外加剂为江苏博特新材料有限公司生产的SBTJM- Ⅱ的缓凝高效减水剂和GYQ 引气剂.观音岩水电站导流明渠碾压混凝土采用的配合比见表3:

观音岩水电站碾压混凝土原位抗剪试验在工艺现场第五层与第六层之间进行,第五层和第六层均为冷升层.所谓冷升层是指在下层混凝土终凝之后再进行上层混凝土的浇筑,与之相对的还有热升层,热升层即是在下层混凝土初凝之前进行上层混凝土的浇筑覆盖.国外通常将层面缝分为热缝、冷缝和温缝.由于热缝是在下层混凝土初凝之前就覆盖时产生的,整个浇筑层在初凝前再次被碾压,不需要对层面进行处理,仍可以获得较好的胶结性能.碾压混凝土坝施工过程中,连续上升铺筑的碾压混凝土,其层间间隔时间应控制在直接铺筑允许时间以内,这个时间一般以终凝时间为依据,超过直接铺筑允许时间的层面,即形成了冷缝,成为了薄弱层面,会影响坝体的防渗等.本次试验在冷升层层面上布置不同层间结合措施的原位抗剪试验,其处理措施分别是终凝之后冲毛处理过后铺2cm 厚水泥煤灰净浆,冲毛后铺3cm 砂浆和冲毛后铺3cm 厚小级配混凝土.

碾压混凝土原位抗剪试验是参照《水利水电岩石规程》(SL264-2001) 进行的,其原理与土的直剪试验原理相同,即是根据不同的正应力作用下不同的抗剪强度绘制τ-σ 关系曲线,然后根据库伦公式确定其抗剪断强度参数f &,acute,,c&,acute, 及摩擦参数f,c.其受力见图1.

库伦公式:τ等于σf+c ( 见图2)

σ—— 作用于剪切面上的法向应力,MPa;

τ—— 作用于剪切面上的切向应力,MPa;

f &,acute,,f———摩擦系数;c&,acute,,c———粘聚力

根据试验所得剪力与位移关系曲线绘制图3 剪切应力- 剪切应变关系曲线,并以其剪应力峰值作为抗剪强度.

此外,本试验采用的试验设备包括两个千斤顶及其配套压力表、滚轴排、百分表及工字钢等.其中千斤顶和滚轴排在使用之前都按照操作规程进行率定,以保证试验数据的准确性和可参考性.图4 即为本次试验所用设备.观音岩水电站碾压混凝土原位抗剪结果见表4.

根据以上试验结果,并参考其他工程原位抗剪试验数据可知:对以上三种不同的层面处理方式,采用层面铺砂浆的碾压混凝土抗剪强度、抗剪参数等都是比较大的,层间结合性能是比较好的.图5 即为试件破坏时及被剪坏后剪切面的情形:

由图片可知,剪切面比较平整,部分粗骨料被剪断,骨料分布比较均匀.

2 影响因素的分析

根据以上试验结果以及试验过程中的出现的问题,得出该试验的影响因素有以下几个方面:

2.1 原材料及配合比参数的影响

在一定范围内,混凝土的Vc 值随着砂率的增大先减小后增大的,但是如果水泥用量和单位用水量一定,大粒径骨料越多,Vc 值越大,同样小粒径骨料越多,Vc 值就越大,只有大、中、小但中粒径相互掺配均匀,Vc 值可在控制范围内,且易于压实,骨料级配不均匀而单纯增大用水量得到控制范围内的Vc 值,所得到的试件几乎没有什么剪切强度,而且抗压强度也很低.碾压混凝土的层面抗剪强度随着胶材用量的增加而增大,但当胶材用量超过一定值的时候,其抗剪强度不再随之增加,有时甚至会有所减少.

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2.2 凝结时间控制

由于碾压混凝土具有贫胶材、干硬性的特点,凝结时间的控制是保证工程质量的重要一环,又加上观音岩电站所处地区的高温低湿的气候特点,使得混凝土的凝结时间尤为重要.

对于有层面碾压混凝土,按目前的施工工艺,层面不论采取何种处理方式,其层面极限抗剪强度均对层间间隔时间的延长而降低,因此,尽可能缩短碾压混凝土层间间隔时间,保持现场施工的延续性,尽可能减少层间“温缝”或“冷缝”,是保证碾压混凝土层面结合质量的关键.然而对于层面间隔时间的控制却有很多不同意见.目前工程应用中其层面间隔时间均以初凝时间为依据,担李鹏辉等人通过试验研究,认为早在初凝之前,砂浆的细观晶体构架已基本形成,此若加以扰动会破坏已形成的构架,故层面成型的间隔时间应控制在从浇筑到初凝时间的1/3 ~ 1/2,但目前尚未有更确切的定论.

上述试验数据表明在室外高温低湿条件下,碾压混凝土的凝结时间与室内标准养护条件下的凝结时间相比是非常短的,就该工程而言,采取的措施是在现场采取喷雾等手段降低仓内温度增大湿度,同时根据施工需要要求外加剂厂家提供能满足施工要求的外加剂.

2.3 现场施工控制及试验方面

试验表明,层间抗剪强度低,引起渗漏原因是骨料离析,层面暴露时间过长等,新混凝土振动碾压时对旧混凝土的损伤情况,影响到新旧混凝土的结合是不容忽视的.

该试验中水平荷载的施加方法有平推法和斜推法,竖向荷载的加载方法主要有压重法和锚杆法.《水利水电工程岩石试验规程》(SL264-2001) 中规定,推力方向宜与工程的受力方向一致.斜推法的推力中心线与剪切面夹角宜为12°~ 17°.在《水工混凝土试验规程》(SL352-2006)中规定,千斤顶应严格定位,中心线应平行预定剪切面,且与剪切面的距离不应大于剪切方向时间边长的5%.因此,加载方法不同,试验结果也不尽相同.试件越大,越接近真是情况,但实际试验起来却很困难,试件太小则无法反映大坝的真是抗剪情况,因此在规程规定试件尺寸不宜小于50cm×50cm.在龙滩水电站将室内抗剪试验与现场试验进行比较,得出室内试验所的抗剪参数偏高,且随着剪切面积的增大,起抗剪参数和抗剪强度降低,且摩擦系数f 的尺寸效应较小,而粘聚力c 的尺寸效应较大.

对于冷升层而言,层面处理方式不同,所得抗剪强度及抗剪参数也不同,现场工艺试验中采用的层间处理方式有三种:终凝后铺水泥净浆,终凝后铺接缝砂浆,终凝后铺小级配混凝土.

经过试验表明,如果采用水泥净浆进行层面处理,由于其含浆量较大,其抗剪强度会比较高,但是摩擦系数太小,内摩擦角太小,不利于大坝的抗渗性,而若用小级配混凝土进行层面处理,由于其含有小石,摩擦系数会比较大,但是其抗剪强度太小,也不利于大坝的抗渗性等,综合考虑各种因素,采用接缝砂浆进行层面处理时最佳选择.

此外,试验环境( 风沙等)、养护条件( 水养护及湿砂养护)等的影响也是不能忽略的.

2.4 试验仪器设备

对于一项试验而言,起试验设备是至关重要的一个环节.在进行原位抗剪试验之前,应先将所用试验仪器设备率定.如果滚轴排的摩擦系数过大,那么在数据处理的过程中应加以考虑,或者更换摩擦系数较小的滚轴排.对于千斤顶而言,首先要保证率定设备的准确性,千斤顶的零件如有更换,必须对千斤顶重新率定.加压系统应有稳压系统,以便施加的压力能够稳定在某一数值,以获得稳定的变形数据.另外还需要保证整个试验装置的稳定性,以确保安全性及试验数据的可参考性及可信度.

3 结论

综上所述,对于碾压混凝土原位抗剪而言,由于其影响因素众多,需要在每一个环节加以重视,减小各种影响因子,并进行综合考虑分析,才能使试验结果更加准确,对于工程质量的控制才更加有意义.

参考文献

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[3]  徐天有,张晓宏.碾压混凝土层间抗剪性能试验研究[J].西北水电,1998,(1).

[4]  周浪,陈国胜,王晓军.彭水水电站碾压混凝土原位抗剪试验研究[J].长江科学院院报,2009,26(8).

[5]  潘罗生,王进攻,王述银.龙滩碾压混凝土室内外抗剪试验结果对比分析[J].水力发电,2007, 33(4).

[6]  李鹏辉,许维,陈凤岐,刘光廷.碾压混凝土层间间隔时间宏细观试验研究[J].2003,(1).

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作者简介:田娜娜(1984-),女,河北衡水人,河海大学力学与材料科学学院硕士研究生,研究方向:土木工程材料.

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