Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2025 , Vol. 42 >Issue 7: 164 - 173

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240476

Hydraulic Structure and Material

Dilatancy Characteristics and Influencing Factors of Large-Aggregate Core Wall Asphalt Concrete

  • HE Jian-xin , 1, 2 ,
  • YANG Han-bing , 1 ,
  • CHEN Peng-peng 1 ,
  • DING Xin-yu 1 ,
  • WANG Ya-nan 1 ,
  • LIU Liang 1, 3
Expand
  • 1 School of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China
  • 2 Key Laboratory of Dam Construction Safety and Disaster Prevention of Xinjiang Production and Construction Corps, Urumqi 830052, China
  • 3 Xinjiang Key Laboratory of Hydraulic Engineering Security and Water Disaster Prevention, Urumqi 830052, China

Received date: 2024-05-09

  Revised date: 2024-11-13

  Online published: 2025-01-02

Fold

Abstract

[Objective] To promote the application of large-aggregate asphalt concrete in water conservancy projects, this study investigates the stress-strain and dilatancy characteristics of large-aggregate asphalt concrete under the same mix ratio but under varying influencing factors. [Methods] Under large shear deformation conditions (εa=30% ), static triaxial tests were carried out on asphalt concrete with Dmax=26.5, 31.5, and 37.5 mm. The dilatancy characteristics were elucidated from the perspectives of confining pressure and different maximum aggregate sizes. The relationship between the phase transformation stress ratio (Mpt) of asphalt concrete and confining pressure as well as different maximum aggregate sizes was comparatively analyzed, and an expression for determining whether dilatancy occurred in the specimen based on initial parameters was established. To further demonstrate the applicability of large-aggregate asphalt concrete, the Dmax=19 mm asphalt concrete in the core wall was replaced with Dmax=37.5 mm asphalt concrete. Based on a finite element model that ignored the contact and dilatancy between the core wall and the rockfill body, stress-deformation calculations were performed on the asphalt concrete core wall of a typical project in Xinjiang to simulate the behavior of the core wall with large-aggregate asphalt concrete and analyze the influence of maximum aggregate size on the calculation parameters. [Results] (1) With increasing aggregate size, the stress-strain curve of asphalt concrete changed from the softening type to the hardening type. (2) Under the same confining pressure conditions, the tangent modulus Et of large-aggregate asphalt concrete was lower than that of Dmax=19 mm asphalt concrete. As the confining pressure increased, both the maximum deviatoric stress and the maximum volumetric strain of Dmax=37.5 mm asphalt concrete decreased compared to Dmax=19 mm asphalt concrete, indicating that appropriately increasing the maximum aggregate size could weaken the shear dilatancy. (3) An empirical expression for calculating the phase transformation stress ratio Mpt based on initial physical parameters (confining pressure, different maximum aggregate sizes) was proposed, which could serve as a criterion for the transformation between shear contraction and dilatancy in asphalt concrete. A larger Mpt value indicated stronger shear dilatancy. (4) Furthermore, the finite element analysis results showed that there were almost no differences in settlement rate, maximum minor principal stress, and maximum major principal stress of the core walls. The dilatancy characteristics of large-aggregate asphalt concrete met the requirements of high-stress and deep overburden conditions for high dam projects. [Conclusion] Under the conditions of this study, increasing the maximum aggregate size in the asphalt concrete core wall has almost no effect on its stress condition. The experimental results provide a theoretical basis for the promotion and application of large-aggregate asphalt concrete in high dam projects under high-stress and deep overburden conditions.

Key words： large-aggregate asphalt concrete; static triaxial test; phase transformation stress ratio; dilatancy characteristics; finite element analysis

Cite this article

HE Jian-xin , YANG Han-bing , CHEN Peng-peng , DING Xin-yu , WANG Ya-nan , LIU Liang . Dilatancy Characteristics and Influencing Factors of Large-Aggregate Core Wall Asphalt Concrete[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025 , 42(7) : 164 -173 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240476

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0 引言

沥青混凝土由不同粒径骨料(约占总质量的90%)和沥青砂浆组成。其中,内部骨料的级配、组成和结构对沥青混凝土的力学性能起着至关重要的作用[1-4]。《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》(SL 501—2010)[5]要求骨料最大粒径≤19 mm,极大地限制了沥青混凝土在原材料粒径跨度方面的选择。在公路工程中,大粒径沥青混凝土已被广泛应用并表现出优异的路面性能[6-8],而在水利工程中,沥青混凝土以其卓越的适应变形能力和防渗性能被广泛应用于土石坝的防渗结构中[9],但有关大粒径水工沥青混凝土的研究却鲜有报道。
高坝[10-11]的建设是当前水电资源开发的基础,随着对二次能源开发工作的持续深入,近年来我国水利工程选址地质条件日趋复杂,在深厚覆盖层地基条件下建坝难以避免[12-13]。目前,我国已建成覆盖层深度>400 m的旁多、冶勒等沥青混凝土心墙坝工程[14-16],但高应力、大变形的筑坝条件对心墙材料提出了更高要求,随着美国蒙哥马利水库、中国碧流河水库和党河水库成功使用了粒径25 mm的骨料,研究人员发现,骨料粒径增大后配制的沥青混凝土能满足工程建设的要求[17],且增大骨料最大粒径至31.5 mm可以提高骨料利用率、降低沥青用量[18-21],但大粒径沥青混凝土能否应用于高坝与深厚覆盖层的建设,亟待进一步研究。在大变形条件下沥青混凝土心墙易产生剪胀,随着变形的发展,空隙率不断增大,内部将产生裂隙,造成渗漏量增大,危及大坝的安全。因此,研究大粒径沥青混凝土的剪胀性是评估大粒径沥青混凝土应用于高坝工程基本性能的关键,剪胀性描述得当对本构模型的建立起决定性作用。国内外学者针对沥青混凝土的剪胀性开展了相关研究,英国学者Reynolds[22]最早提出剪胀性,即指在一个方向上的收缩必然伴随着相互垂直的方向上的等量延伸;1962年Rowe[23]提出了应力剪胀理论,认为材料的剪胀是由内部几何约束引起的。随着研究的深入,关于沥青混凝土的剪胀性研究主要分为两种:一种是基于室内三轴试验,研究不同试验条件下沥青混凝土剪胀特性规律及其强度变形的影响,此类型的试验所耗时间长,但能反映出最为真实的变化情况[24-28];另一种是对细观结构的研究,通过离散元、X-ray计算机断层扫描(Computed Tomography, CT)等方法,从建模的角度对沥青混凝土内部结构进行三维重构来模拟沥青混凝土的剪胀行为,从而能更加直观地展现出材料的变形性能[29-33];综合以上国内外学者对大粒径骨料沥青混凝土应用及沥青混凝土剪胀性的研究发现,先前的研究对象大多为公路沥青混凝土且仅在配合比设计和本构关系上进行了分析,对于大粒径骨料沥青混凝土剪胀剪缩的因素及其剪胀性与其内在机理尚未清楚,并未能提出根据沥青混凝土初始物理参数判断其剪胀性的方法,无法支撑大粒径骨料在高应力、深厚覆盖层条件的沥青混凝土高坝工程中的应用。
鉴于此,本文通过静三轴试验,对大粒径骨料心墙沥青混凝土剪胀特性进行深入研究,从围压应力、不同骨料最大粒径方面阐明剪胀特性规律,对比分析沥青混凝土相变应力比Mpt与围压以及不同骨料最大粒径之间的变化关系,并建立根据初始参数确定试样剪胀发生与否的判定表达式,最后为了进一步说明大粒径骨料心墙沥青混凝土的适用性,基于不考虑心墙与堆石体接触及剪胀性的有限元模型,对新疆某典型工程的沥青混凝土心墙进行了应力变形计算,模拟了大粒径骨料心墙沥青混凝土的变化,分析了骨料最大粒径对计算参数的影响;试验结果可为大粒径骨料沥青混凝土在高应力、深厚覆盖层条件下高坝工程的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验原材料及配合比

新疆天然砾石分布范围广、能耗及造价低。因此试验所用沥青混凝土骨料为天然砾石骨料,根据规范[5]要求对骨料进行筛分并进行相关原材料的技术性能检测,将粗骨料粒径划分为[31.5,37.5)、[26.5,31.5)、[19,26.5)、[9.5,19)、[4.75,9.5)、[2.36,4.75)mm六级。粗骨料的岩性为酸性,为提高骨料与沥青的黏附性,试验所用填料采用P.O 42.5水泥[34],细骨料采用粒径为[0.075, 2.36)mm的天然砂,各级矿料分级如图1所示,沥青选用90#(A级)道路石油沥青。经检测原材料各项技术性能指标均满足规范要求。矿料配合比及级配曲线分别如表1、图1所示。沥青各项性能指标见表2。
图1 级配曲线

Fig.1 Grading curves

表1 矿料配合比

Table 1 Mix proportions of aggregates

矿料 不同最大粒径的各级矿料占比/%
19 mm 26.5 mm 31.5 mm 37.5 mm
[31.5,37.5)mm粗骨料 — — — 6.3
[26.5,31.5)mm粗骨料 — — 6.3 5.9
[19,26.5)mm粗骨料 — 13.5 12.5 11.6
[9.5,19)mm粗骨料 25.0 19.6 18.2 16.9
[4.75,9.5)mm粗骨料 16.6 14.8 13.7 12.7
[2.36,4.75)粗骨料 15.2 13.1 12.2 11.3
[0.075, 2.36)mm细骨料 31.5 27.3 25.2 23.4
填料 12.0 12.0 12.0 12.0
90#沥青 6.6 6.6 6.6 6.6
表2 90#沥青各项技术性能

Table 2 Technical properties of 90# asphalt

试验项目 单位 规范SL 501—
2010要求		 样品检测
结果
针入度(25 ℃,100 g,5 s) 0.1 mm 80~100 86.4
延度(5 cm/min,10 ℃) cm ≥20 >100
延度(5 cm/min,15 ℃) cm — >150
软化点(环球法) ℃ ≥44 50.4
溶解度 % ≥99.5 99.85
闪点 ℃ ≥245 310
蜡含量(蒸馏法) % ≤2.2 1.9
薄膜烘箱加热后质量变化 % ≤±0.8 -0.08
残留针入度比(25 ℃) % ≥57 82.0
残留延度(5 cm/min,10 ℃) cm ≥8 32.8

1.2 试验方案及方法

根据上述配合比,在配合比参数相同条件下,选用300、600、900、1 200 kPa共4级围压进行静三轴试验,试验仪器采用WYS-2000大型多功能动静三轴试验机,见图2。
图2 WYS-2000大型多功能动静三轴试验机

Fig.2 WYS-2000 large-scale multifunctional dynamic and static triaxial testing machine

该试验机主要技术参数如下:最大轴向静荷载2 000 kN;最大轴向动荷载1 000 kN;最大围压5 000 kPa;最大反压2 000 kPa;最大轴向行程400 mm。由于试验需要,外接温度控制系统,该系统可调控温度范围为0.1~15 ℃。由于本研究提高了骨料最大粒径,对于该试样尺寸依照《水工沥青混凝土试验规程规范》(DL/T 5362—2018)[35]制样是不适用的。但大粒径骨料沥青混凝土的三轴试件尺寸并无相应的规范可以遵循,因此,参照相关规范[36-38], 当骨料最大粒径>26.5 mm时,为保证试件的均匀性,采用大型击实法,试样最小的截面尺寸一般控制在Dmax的3~5倍,结合试验室现有模具尺寸,采用150 mm×300 mm(直径×高度)的沥青混凝土模具制样。试样成型过程中,将混合料分为3层摊铺击实,每层单面击实105次。试验方法:将试样装入围压室中,注入试验冷却水并打开温控系统,在试验温度条件下(10 ℃)恒温≥3 h,随后施加预定周围压力进行固结,固结时间≥40 min;固结完成后按照0.3 mm/min的剪切速率进行加载,直至应变达到30%停止试验。

2 结果与讨论

2.1 大粒径混凝土的剪胀特性

为考虑骨料最大粒径对沥青混凝土应力应变特性的影响,在相同围压条件下,进行了不同最大粒径骨料的沥青混凝土静三轴试验,绘制相同围压下的(σ1-σ3)-εa和εv-εa关系曲线(σ1为第1主应力,σ3为围压,σ1-σ3为偏应力,εv为体应变),如图3所示,CD(Consolidated Drained Shear Test)表示固结排水剪切试验。在相同围压条件下,不同最大粒径骨料的沥青混凝土试件的应力-应变曲线呈现相同的变化趋势,在低围压条件下,沥青混凝土的破坏偏应力出现速度更快,偏应力峰值愈大对应的轴向应变愈小,峰值后的应力曲线呈现快速下降状态,主要原因为沥青混凝土出现应变软化的现象,且随着骨料最大粒径的减小,沥青混凝土初始段(σ1-σ3)-εa曲线的切线模量逐渐增大,承载力提高。但在高围压下不同最大粒径骨料的沥青混凝土受剪切作用后均表现出应变硬化特性,其偏应力随轴向应变的增加而增大,增大速率逐渐减缓,无明显峰值。Dmax=19 mm和低围压条件下,沥青混凝土的应力-应变曲线较为敏感,主要原因是由于本研究中的配合比参数对于Dmax=19 mm沥青混凝土是最优的,材料结构为最密实状态,骨料间“咬合”效应最佳;另外低围压时材料所受到的侧向束缚较小,在轴向应力和大剪切变形的共同作用下材料内部易产生微裂隙致使形成剪切破环面而影响其应力-应变行为。骨料粒径增大可有效适应剪切大变形,沥青混凝土材料的宏观变形主要不是由骨料本身变形引起的,而是由于骨料间相对运动产生了位置变化。在相同沥青用量的前提下,骨料粒径越大,矿料的比表面积越小,对于大粒径沥青混合料来说骨料间的自由沥青就越多,富余的自由沥青致使骨料间更易发生相对运动,而导致骨架之间的“咬合”作用降低,但由于较多自由沥青的存在,大粒径沥青混凝土材料在围压和轴向应力的共同作用下,克服骨料表面与沥青产生的黏结力,为适应剪切大变形提供了基础。
图3 沥青混凝土在不同围压下的CD试验曲线

Fig.3 Consolidated drainage test curves of asphalt concrete under different confining pressures

从图3还可看出,不同最大粒径骨料的沥青混凝土在各个围压下都表现出不同程度剪胀现象,沥青混凝土的εv-εa曲线先近似呈抛物线变化,后逐渐转为线性变化;相同围压下,随骨料最大粒径的增大,沥青混凝土最大体应变逐渐减小,相变点随骨料最大粒径的增加对应的轴向应变减小,图中呈现出相变点向左上方小幅移动的特征,表明骨料最大粒径越大,压应力引起的体缩小于剪应力引起的体胀这一现象发生速度更快,最终达到的体应变越小;沥青混凝土剪胀段线性变化的斜率随骨料最大粒径增大而减小,这主要是因为骨料最大粒径增大后,沥青与骨料间的自由沥青增多,受剪应力作用沥青混凝土结构更易产生变形,使得其内部得到较为充分的调整,即:骨料最大粒径越大,沥青混凝土剪胀性越小,最终达到的体应变越小。

2.2 骨料最大粒径对沥青混凝土偏应力的影响

图4为不同最大粒径骨料沥青混凝土在不同围压下和试验剪切变形内的最大偏应力对比图。
图4 剪切变形下的沥青混凝土最大偏应力与围压的关系

Fig.4 Maximum deviatoric stress of asphalt concrete versus confining pressure under shear deformation

可以看出,在大剪切变形(εa=30%)条件下,不同最大粒径骨料沥青混凝土随着围压的增大,试样所受到偏应力也在增大,Dmax分别为26.5、31.5、37.5 mm的沥青混凝土试样在试验中所受到的最大偏应力均低于Dmax=19 mm的沥青混凝土;围压为300、600、900、1 200 kPa时,Dmax=37.5 mm沥青混凝土相较于Dmax=19 mm沥青混凝土最大偏应力分别降低了20.3%、15.9%、16.1%和14.1%,因此,骨料最大粒径对偏应力的影响逐渐降低。这是由于在剪切大变形条件下,常规沥青混凝土(Dmax=19 mm)在试验围压内,偏应力均达到峰值,而其他大粒径沥青混凝土材料在试验变形条件下未出现偏应力峰值。高围压下Dmax=37.5 mm沥青混凝土的偏应力与Dmax=19 mm沥青混凝土仅相差14.1%,而且大粒径(Dmax分别为26.5、31.5、37.5 mm)沥青混凝土在该应变下均未出现偏应力峰值,足以说明其优异的适应变形能力。因此,大粒径沥青混凝土的剪胀特性满足高应力、深厚覆盖层条件的高坝工程。

2.3 大粒径沥青混凝土的相变应力比

在粗粒土剪胀性的研究中,学者们通常把相变应力比Mpt = q / p(q为临界剪切应力,p为平均主应力)作为描述粗粒土剪胀特性的重要参数[20-23]。因此为研究大粒径骨料心墙沥青混凝土相变应力比与围压应力之间的关系,根据试验结果,绘制出相变应力比Mpt与σ3/Pa(Pa为标准大气压强,等于0.1 MPa)之间的关系曲线,如图5所示,可以看出随着围压的增加,Mpt呈现出减小的趋势,不同最大粒径骨料的沥青混凝土Mpt与围压之间规律性一致,表现出良好的幂函数关系,可采用式(1)来描述。骨料最大粒径较小的沥青混凝土,在相变点处的应力较大,更容易发生相对位移;相同粒径的沥青混凝土,低围压时的Mpt较大,同样提供更多能量,所以相变应力比Mpt是沥青混凝土剪胀性强弱的一个重要影响因素,Mpt越大,剪胀性越强。
图5 Mpt -σ3/Pa关系曲线

Fig.5 Mpt - σ3/Pa relationship curves

M p t = a 1 ( σ 3 / P a ) b 1 　 。
式中a1、b1为拟合参数。
为表述大粒径骨料心墙沥青混凝土相变应力比Mpt与不同最大粒径骨料之间的关系,采用量纲化方法对骨料最大粒径进行均值化处理,即
M p t = a 2 ( D i / D 1 ) b 2 　 。
式中:a2、b2为拟合参数;Di为骨料最大粒径(Dmax),Di/D1为骨料最大粒径与骨料最大粒径为19 mm的比值(本文Di/D1的值分别为1.0、1.4、1.7、2.0)。
Mpt - Di/D1的关系曲线如图6所示,从图6看出相同围压下,随骨料最大粒径的增加,Mpt逐渐减小,不同围压下均表现出良好的线性关系。
图6 Mpt - Di/D1的关系曲线

Fig.6 Mpt - Di/D1 relationship curves

为获得相变应力比Mpt与围压σ3以及不同最大粒径骨料之间的关系,建立了三者之间的经验表达式,采用式(3)描述:
M p t = a ( σ 3 / P a ) b ( D i / D 1 ) c + d 　 。
式中a、b、c、d为拟合参数。
对式(3)进行非线性拟合,根据本试验结果,参数a=-0.62,b=1.61,c=-0.18,d=-0.25,R2=0.99。将试验数据与拟合数据整理后可得相变应力比Mpt与σ3/Pa、Di/D1的拟合三维视图如图7所示,图7中散点为试验数据,光滑曲面为拟合曲面,从点、面之间的分布来看,式(3)能较好地反映沥青混凝土的剪胀性与不同最大粒径骨料及围压的相关性,同一配合比下,根据选择的不同最大粒径骨料和期望的围压应力,可利用式(3)计算相变应力比Mpt,从而判断沥青混凝土的剪胀性。
图7 相变应力比Mpt与σ3/Pa、Di/D1的拟合三维视图

Fig.7 Fitted 3D plot of Mpt versus σ3/pa and Di/D1

3 有限元数值模拟

3.1 试验模型尺寸及参数

上述试验结果从剪胀角度阐明了大粒径沥青混凝土的力学性能,为进一步比较Dmax=19 mm、Dmax=37.5 mm沥青混凝土心墙的差异性,探明大粒径沥青混凝土工程应用的可行性,基于不考虑心墙与堆石体接触及剪胀性的有限元模型,对新疆某典型工程的沥青混凝土心墙进行了应力变形计算,并进行了一般性对比分析。根据坝址区地质条件和坝体分区特点,采用Patran建模软件建立坝体三维模型,并进行网格剖分后导入Abaqus软件进行有限元计算。将坝轴线方向设为计算的y轴方向,左岸为正,右岸为负;垂直于坝轴线的方向设为x轴方向,下游为正,上游为负;沿高程增加的铅直方向设为z轴方向。大坝整体模型及剖分网格如图8所示。对大坝模型进行网格划分,类型为:C3D8(8节点6面体单元),整个模型的总结点数为280 668个,总单元数为265 860个。根据2.1节中的应力-应变曲线,利用邓肯-张模型计算得到不同最大粒径骨料沥青混凝土的E-μ和E-B模型参数,如表3、表4所示。
图8 大坝及沥青混凝土心墙的网格剖面

Fig.8 Grid profile of dam and asphalt concrete core wall

表3 沥青混凝土心墙E-μ模型参数

Table 3 E-μ model parameters of asphalt concrete core wall

最大骨
料粒径/
mm		 K n Rf c/
kPa		 φ/
(°)		 G D F
19 847.17 0.097 0.896 325.32 27.746 0.513 0.456 0.029 8
37.5 485.64 0.134 0.861 251.24 26.281 0.504 0.273 0.017 2

注:K、n、Rf、c、φ分别为切线模量、切线模量指数, 破坏比、黏聚力、内摩擦角;G、D、F均为材料常数。

表4 沥青混凝土心墙E-B模型参数

Table 4 E-B model parameters of asphalt concrete core wall

最大骨
料粒径/
mm		 K n Rf c/ kPa φ/
(°)		 Kb m0
19 847.17 0.097 0.896 325.32 27.746 1 121.222 0.563
37.5 485.64 0.134 0.861 251.24 26.281 1 044.815 0.519

注:Kb、m0分别为体积模量系数和体积模量指数。

3.2 应力结果分析

水库正常运行情况下考虑水荷载对坝体的影响,综合考虑各因素(荷载)对沥青混凝土心墙坝的作用,可为实际工程运行提供更大的安全裕度。本研究考虑了水库蓄水过程直至满蓄条件下的工况,满蓄期大坝静力计算得到的心墙断面上的大主应力和小主应力分布情况如图9所示。由图9可看出,Dmax=19 mm和Dmax=37.5 mm沥青混凝土心墙小主应力极值分别为1.44、1.52 MPa,大主应力极值分别为2.24、2.14 MPa;骨料最大粒径增大至37.5 mm,其小主应力提高了5.5%,大主应力降低了4.7%。从云图中可以观察到沥青混凝土心墙的大、小主应力极值均出现在心墙底部及底部边坡较陡和变化较大的区域内,提高沥青混凝土骨料最大粒径后,沥青混凝土心墙的静力计算结果基本符合土石坝应力分布的一般规律。
图9 满蓄期沥青混凝土心墙大、小主应力分布

Fig.9 Cloud diagrams of major and minor principal stresses of asphalt concrete core wall during full-storage period

3.3 位移结果分析

图10为满蓄期沥青混凝土心墙的位移分布云图(图中左边为左岸,右边为右岸),从图10中可以看出,Dmax=19 mm和Dmax=37.5 mm沥青混凝土心墙的顺河向水平位移的最大值出现心墙距底部的1/2处,分别为10.34 cm和10.37 cm,挠跨比均<10%;横河向水平位移的最大值主要分布在心墙中间偏上的区域,Dmax=19 mm沥青混凝土心墙的横河向水平位移的极大值左岸为0.045 7 m、右岸为0.037 6 m,Dmax=37.5 mm沥青混凝土心墙的横河向水平位移的极大值左岸为0.046 3 m、右岸为0.038 3 m;竖向沉降位移的最大值主要分布在心墙的中间区域,Dmax=19 mm和Dmax=37.5 mm沥青混凝土心墙的竖向沉降位移分别为0.261 8 m和0.263 5 m。两种骨料最大粒径沥青混凝土心墙位移的对比结果显示,Dmax=37.5 mm沥青混凝土心墙的位移量略大于Dmax=19 mm,但整体差异不大。
图10 满蓄期沥青混凝土心墙位移分布

Fig.10 Displacement distributions of asphalt concrete core wall during full-storage period

对2种骨料最大粒径(Dmax=19、37.5 mm)沥青混凝土心墙进行的三维静力计算结果总结见表5。分别对2种骨料最大粒径沥青混凝土心墙的满蓄期进行对比,从表5可以发现心墙的大、小主应力随着骨料粒径的提高表现出相反的规律,大主应力增幅较大,而小主应力出现下降,但降幅不明显;Dmax=37.5 mm沥青混凝土心墙在竣工期和满蓄期的顺河向、横河向和竖向沉降的位移略大于Dmax=19 mm的,但整体位移相差不大。综合两种最大粒径骨料的心墙,其应力和位移的计算结果差异不大,这是因为沥青混凝土心墙作为一种柔性薄壁结构,其在坝体中的体积占比较小。此外,邓肯模型未考虑的材料剪胀性,尽管E-μ和E-B模型参数之间存在差异,且某些参数差异较大,但并未显著影响静力计算结果的差异性。因此,根据上述的试验研究和计算结果,大粒径骨料沥青混凝土可应用于工程建设,鉴于水工沥青混凝土材料力学性质复杂,同时为提高大坝正常工作运行的安全裕度,还应进行简单的试验论证。
表5 沥青混凝土心墙三维静力计算结果极值

Table 5 Extreme values of 3D static calculation results of asphalt concrete core wall

最大
粒径
Dmax/
mm		 心墙应力/
MPa		 心墙位移/m
大主
应力		 小主
应力		 顺河向
上游		 顺河向
下游		 横河向
左岸		 横河向
右岸		 竖向(垂
直)沉降
19 1.44 2.24 0.001 1 0.103 4 0.037 6 0.045 7 0.261 8
37.5 1.52 2.14 0.001 2 0.103 7 0.038 3 0.046 3 0.263 5

4 结论

本文在相同配合比参数条件下通过水工沥青混凝土三轴剪切试验,研究了围压σ3、不同最大粒径骨料对沥青混凝土剪胀特性的影响,为进一步比较Dmax=19、37.5 mm沥青混凝土心墙的差异性,探明大粒径沥青混凝土工程应用的可行性,以新疆某典型工程为背景,建立大坝有限元模型,将心墙处Dmax=19 mm沥青混凝土替换成Dmax=37.5 mm沥青混凝土,并进行对比计算,得出如下结论:
(1)在相同围压条件下,不同最大粒径骨料的沥青混凝土试件的应力-应变曲线呈现相同的变化趋势,在低围压条件下,沥青混凝土出现应变软化现象,破坏偏应力出现速度更快,偏应力峰值愈大对应的轴向应变愈小,峰值后的应力曲线呈现快速下降状态。但在高围压下不同最大粒径骨料的沥青混凝土受剪切作用后均表现出应变硬化特性,其偏应力随轴向应变的增加而增大,增大速率逐渐减缓,无明显峰值。
(2)在同一配合比条件下,沥青用量一定,沥青混凝土的剪胀性随骨料最大粒径的增大而减小,当σ3>0.9 MPa时,曲线整体趋势由剪胀向剪缩过渡;围压相同时,骨料最大粒径越大,沥青混凝土剪胀性越小,这主要是因为骨料最大粒径增大后,沥青与骨料间的自由沥青增多,受剪应力作用沥青混凝土结构更易产生变形,使得其内部得到较为充分的调整。因此适当增大最大骨料粒径可以降低剪胀性的发生。
(3)沥青混凝土的相变应力比Mpt随围压的增大呈幂函数规律减小,围压相同时,随骨料最大粒径的增大Mpt呈线性规律减小,根据相变应力比Mpt与骨料不同最大粒径以及围压σ3的相关性分析,建立了经验表达式如式(3),可用于判断不同最大粒径的沥青混凝土在某试验围压下的剪胀特性。
(4)基于不考虑心墙与堆石体接触及剪胀性的有限元模型计算,水库蓄水后两种最大粒径骨料沥青混凝土心墙向下游的水平变形分别为10.34、10.37 cm,挠跨比均<10%,因此,Dmax分别为19、37.5 mm沥青混凝土心墙不会因坝体变形而产生破坏。大粒径沥青混凝土心墙具有较好的柔性,心墙与过渡料的协同变形性较优。两种骨料最大粒径的沥青混凝土心墙的小主应力在心墙顶部和两岸较小范围内为正值,均存在小范围的拉应力区;心墙的小主应力的最大值和大主应力的最大值均差异不大。因此,在本研究条件下将沥青混凝土心墙中的骨料最大粒径增大几乎不会影响其受力情况。

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