压实方法对水工建筑物中沥青混凝土特性的影响（下）论文

'　　压实方法对水工建筑物中沥青混凝土特性的影响（下）论文摘要：用于水工建筑物防渗的沥青混凝土具有弹性和韧性，可以避免由于差异位移和剪力变形造成的膨胀、开裂及渗漏，沥青混凝土的应力-应变-强度特性，明显取决于配合比及配合材料的特性，然而在很大程度上也取决于为达到规定密度（空气孔隙率）而采用的压实方法。本文通过对4种不同方法压实至同一初始密度的试验室试样以及由振动碾压实的沥青混凝土大坝心墙中钻取的现场试样进行三轴试验，并比较试验结果对此予以研究。关键词：压实方法水工建筑物沥青混凝土特性影响5应力—应变特性差异的可能原因为了确定不同实验室压实试样间差异的原因以及现场压实试样为何比任一实验室试样显示较软的应力—应变特性，进行了分析和研究，探讨了如下问题：·试样空气孔隙比的微小不同（见表2）.freelm直径岩芯的表层扰动是可能的，但切开岩芯后，在表面薄层以内没有发现扰动。表2中现场岩芯孔隙率和旋转压实的实验室试样的孔隙率非常接近。较小的取样扰动在任何显著程度上影响到现场试样的应力—应变曲线看来不太可能。可推论如下：很可能是骨料结构，颗粒骨架排布及不同压实方法，所达到的连锁程度的差异导致了观测到的应力—应变特性较大的不同。尽管所有试样的骨料骨架的总孔隙率（即表2中VMA）几乎相同，但孔隙的分布及最大最小孔隙的差距取决于骨料结构，因而也取决于压实方法。如果骨料由等径的球体组成，将不存在骨架结构的影响，孔隙率便成为控制参数。如果骨料由不同尺寸的球体组成则不同压实方法所产生的不同骨架结构的形象会非常小。骨料颗粒中的许多针片状颗粒会对骨架结构产生非常显著的影响，这将在很大程度上取决于压实方法。饱和砂和粉砂颗粒结构对于其应力—应变特性的重要性，好多人在土力学中曾给予研究。结论为：砂的结构，孔隙比对密度的影响都非常显著，这一现象将在下一部分进一步讨论。6骨料结构，连锁状况及刚度 表3描述的马歇尔及静态骨料压实试验在一个直径为101.6mm，高为76mm的标准Marshall钢筒中进行。用Marshall锤击实30次后模子中成块的骨料颗粒仍可轻易移开。然而静态压实后即使用改锥撬动大于5mm的颗粒也很困难。骨料连锁阻止了颗粒的移动，也表明了两种压实方法结果的差异。热沥青混凝土在浇入模子中制备三轴试样之前的空气孔隙率约为15%。热沥青对骨料产生润滑作用，使骨料在压实期间随时间和压力滑动和转动。Marshall振动和静态压实法中有一个刚性圆盘，几乎覆盖了整个压实模子的圆形横断面，其侧壁也为刚性。压实过程中没有揉捏作用和应力转动，而且空气只能从圆模壁与顶盘外围间约2mm的空隙排出。试样冷却后切开研究压实骨料的结构布置。Marshall振动及静态压实中针片状骨料有一个趋势，即在压实期间针片状骨料会定位于水平或竖直方向。三轴试验后切割面与水平向成60°，这大致与竖直压缩时试样的理论破坏面（45度+ψ/2）相符。这些横断面明显表明静态压实的试样比振动或马歇尔垂击的试样有更大的连锁性。马歇尔试样显示最弱的连锁状态。此次观测结果与表2中结果相吻合，即三种压实方法所得试样组的平均正割弹性模量分别为102MPa,.freelm，高63.5mm）锤击同时施加于试样的顶部和底部表面。Bissada所得的结果是对于富沥青混凝土而言的，与本研究所用沥青混凝土很相似，并且是现代土石坝心墙所使用的典型沥青混凝土，对于贫混凝土如路面所用的典型沥青混凝土，有明显较低的沥青及填料含量，高速公路路面的国际标准要求在标准Marshall试样两面均75击。Bissada认为这是为达到和现场钢碾一样的密度所必须的。当前水工建筑物内部沥青混凝土心墙和衬砌的现场压实方法都来自路面的压实实践。为了达到高速公路或机场路面所要求的高密度，要用钢碾压几遍。钢碾在轨迹方向上产生揉捏作用，但侧向没有，经验表明当密度已达95-97%以后，再另行碾压便会出现纵向的细裂缝。这种裂缝不可能在大坝心墙或渠道衬砌的压实期间出现，这是因为在水工建筑物施工中碾压遍数较少，而且是使用轻型碾来压实富沥青混凝土。然而如果“过分压实”这种裂缝也会出现。对于渠道衬砌或大坝表面而言，这种裂缝是非常有害的。中国的BanchengZi坝衬砌和Shangjie坝都经历了这种裂缝。衬砌用3吨的钢碾压实了8到12遍。两个衬砌都经历了第一个冬季期间最低-16度的低温，有许多裂缝沿碾压轨迹的方向发育。尽管所用沥青混凝土层在实验室作过试验，并表明能忍受最低-26度的低温而不出现裂缝，但开裂还是发生了。两个建筑物的衬砌都不得不用新的沥青混凝土替换。 对于一座用振动碾沿坝轴线移动压实的沥青混凝土心墙而言，竖压方向和水平方向沿坝轴线及水平方向垂直坝轴线钻取的试样中骨料的连锁程度会不同。这可在截取的现场试验横断面上观察到。对水平方向并垂直坝轴线钻取的试样做了三轴试验。试验表明水平试样的刚度比竖直试样的刚度高得多，这说明其链锁程度高而且材料的各向异性很明显。刚碾产生的骨料链锁横向强于竖向。在NGI的论文中描述了一种改进了的Marshall压实设备及程序。改进压实设备的目的是更好地模拟现场压实效果，这将在另一篇论文中介绍。8结论和建议为研究沥青混凝土的应力应变强度特性进行了三轴压缩试验。试验全过程中保持混凝土配比不变，采用了5种压实方法。所用沥青相当软，沥青含量为总重量的6.7%（为骨料重量的7.2%）。所有试验在相同温度（+5度）下进行，控制轴向变形使应变速率恒定（每小时2%），径向周围应力限定在1MPA。因此温度效应及沥青混凝土的粘滞蠕变特性在本研究中均未涉及。四种不同的实验室压实方法为：Marshall，振动法，静态法，和旋转法。此外，还修建了现场试验段，其沥青混凝土由0.8t的振动碾压实。这种条件很接近模拟的土石坝，在1.5m宽的粒状渐变区之间建有0.5m宽的沥青混凝土心墙。本次工作的目的是为了研究不同试验压实方法对应力-应变强度特性的影响。并与现场压实试验的特性作比较，所有三轴试验被压实至空气孔隙率为1%，但实际的范围大致为0.5%到1.5%，为了研究每一项参数进行了三项“相似试验”以获得可靠的平均特性。正如所料，数据有些分散，但其趋势看起来却很明显。·尽管所有的试验都由相同的沥青混凝土制成而且被压实到大约相同的密度（空气孔隙率），但所得应力-应变曲线却大不相同，如图3所示。旋转器压实的试样在轴向应变接近1%时，其正割弹性模量为Marshall压实试样的7倍。·尽管用静态法，震动法及马歇尔（Marshall）法制备的试样的应力-应变曲线大不相同，但它达到了大致相同的强度水平。·现场压实试验所表现的应力-应变特性与马歇尔法压实试样的特性最相似，但更具弹性和韧性。达到强度水平时的平均轴向应变分别为：现场试样为18%，马歇尔压实试样为14%。而旋转器压实法制备的试样仍为3%，·探究和评价试样特性差异的几种可能的原因，结论为：骨料颗粒在压实后的排布及连锁程度，取决于所用的压实方法，并能解释应力-应变特性的差异。 ·用旋转压实或静态压实法两种实验室方法所制备的试样之特性不能代表用振动碾压实的大坝心墙或衬砌中的混凝土现场特性。用马歇尔法（建议改进后的马歇尔设备和方法）制备的试样提供了与本研究所用的现场沥青混凝土试样相似的应力——应变特性。这个结论对其他配比及成分特性的沥青混凝土来说，可能不一定适用。·水工建筑物中的沥青混凝土防渗部分如土石坝的内部心墙或上游砌面必须具有灵活柔韧的应力——应变特性，才能调整土石坝的差异位移和变形而不至于因开裂使渗透性增加。因此现场压实必须适应现场条件和所用沥青混凝土的配比。过分的压实会导致过度的骨料连锁并使材料颇具脆性，便会出现开裂。如果能应用有限元设计分析法来预报含沥青混凝土心墙的土石坝的应力-应变，使用旋转器法或静态压实法制备的实验室试样而不是现场压实试样的材料特性，那么，给出的心墙及相邻粒状渐变区域局部应力-应变也大不一样。如果内部应力-应变的设计分析是基于旋转器法，或静态压实法所确定的试样材料应力-应变特性，那么计算结果会与实际大相径庭，因为心墙中的沥青混凝土表现出高得多的弹性与韧性状态。同样想要使施工期间从现场大坝心墙中钻取的试样的质量控制试验结果与上述试验试样的应力——应变结果相一致，也是不现实的。试图使现场试样的应力——应变特性与“不现实”的实验室特性相一致而采取的不适宜的现场过度压实及现场混凝土配合比的改变应确切说明。这会导致整个大坝心墙较差的现场特性。在此感谢挪威岩土工程研究所在试验工作中给予的帮助，挪威研究委员会及承包商的赞助和支持。'