瀝青混凝土防滲層不同條件下的變形性能分析研究

姜興會

(黑龍江省三江工程建設管理局胖頭泡管理處，黑龍江 肇源 166500)

?

瀝青混凝土防滲層不同條件下的變形性能分析研究

姜興會

(黑龍江省三江工程建設管理局胖頭泡管理處，黑龍江 肇源 166500)

瀝青混凝土防滲層是面板堆石壩的主要防滲體，和堆石體相比，面板不承受荷載，僅為傳力結構，所以對瀝青混凝土面板防滲層在不同工況下的應力變形性能的研究是十分重要的。文章通過編制程序多圓盤蠕變特性試驗進行有限元數值分析，結合工程實例計算出的應力變形驗證程序的可行性，并對不同條件下瀝青混凝土面板的破壞進行對比，得出不同溫度的圓盤特性試驗以蠕變模型分析較為合理，文章的研究結果對實際工程的設計施工具有一定的參考價值。

瀝青混凝土；防滲層；變形性能；蠕變特性；分析

0 前 言

瀝青混凝土具有諸多特點：柔性，抗滲性等特性突出，在水利工程中，瀝青混凝土現多被作為防滲體，有極強的適應變形特性。與普通混凝土相比，瀝青混凝土受外界環境變化較敏感，其混凝土強度和破壞變形隨外界溫度或荷載作用變化顯著。瀝青混凝土面板堆石壩是面板為主要防滲結構的壩型，瀝青混凝土面板暴露在空氣中，承受來自靜、動水壓力、外界溫度變化等的綜合作用。除防滲外水工瀝青混凝土還具有其他性能：低溫抗裂、高溫抗斜坡流淌、較好適應地基變形、抗老化、水穩定等多項性能。

瀝青混凝土還包括一主要特性是蠕變性，也是文章研究的主要方向。在水利工程的瀝青混凝土結構設計中，主要控制指標是瀝青混凝土應變特性，而非普通混凝土結構的以應力分析為指標[1]。此項工藝在國內外以發展多年，國外的瀝青混凝土面板的變形性能研究方法是在瀝青混凝土圓板中點施加荷載，撓度變形1/10時瀝青混凝土不漏水，證明在試驗規定的配合比條件下其承載能力突出，柔性變形能力強。國內當前是以中國水科院和寶泉工程的試驗方法為基礎，主要依據不同尺寸的圓盤試驗中心點的應變進行對比分析。為了更加符合工程實際，客觀評價瀝青混凝土的變形特性，對圓盤試驗的應變計算方法進行研究分析是十分有意義的。

1 蠕變理論和彈性力學在圓盤試驗中的應用

蠕變是靜態黏彈性范疇，表現為材料應力保持不變，而應變隨時間變化的現象。只要應力不超過彈性極限且作用時間足夠，產生蠕變特性。蠕變通常表明了長期承載能力和材料穩定性。

1.1 蠕變的影響因素

蠕變受溫度等外力作用影響明顯。溫度升高，蠕變的速度增快，因為溫度變化導致材料內部分子運動速度加快，同時蠕變程度隨外力作用力的時間效應成線性關系。

1.2 典型的蠕變曲線

蠕變變化曲線起始階段為線彈性階段，應力應變同步變化。外部荷載繼續施加，材料產生瞬時彈性變化。整體變化可分3個階段[2]：①階段是過渡蠕變階段，材料應變隨時間的變化增加，增速緩慢；②階段是穩態蠕變，持續時間較長，且應變是勻速增大的狀態；③第3個階段是加速蠕變階段，應變加速變大，直至達到破裂點。

1.3 蠕變的經驗公式

(1)

圖1 典型蠕變曲線

1.4 圓盤試驗

圓盤試驗中的外部施加水壓力一般較小，試塊的撓度隨著時間效應變化，最終被破壞出現裂縫以及漏水[3]?；谝话愕脑囼炘?，相同溫度下的瀝青混凝土圓盤，下部水壓力保持不變時，應力分布中圓板對應的的徑向和環向正應力為定值，但應變數值不斷增大，這樣的變化規律和蠕變理論是一致的。與此同時，外部施加的水壓力也可被當做是一種疊加效果，是靜力作用和時間蠕變過程的共同作用。也可認為通過應力作用產生一個瞬態應變，其與時間無相互關系，通過靜力作用計算分析，求出瞬態應變，利用應變—撓度的相互對應關系，得到初裂時的圓盤試驗的應變分布，進而研究瀝青混凝土的特性。

2 圓盤蠕變特性試驗的有限元模擬

2.1 有限元分析的計算模型

基于圓盤試驗的試驗原理和蠕變特性，文章利用大型有限元軟件ABAQUS進行計算分析。為了減少耦合作用，客觀求解瀝青混凝土結構的蠕變計算，將本試驗的數值模擬分析分為2個計算步：①為靜態荷載施加過程，結構中形成一應力場；②分析蠕變過程，此時進行蠕變的分析步設置。

ABAQUS軟件中的蠕變模型有3種[4]，其中Time hardening form適用于簡單的蠕變過程，微分式如下：

(2)

(3)

式中：n>0,0≥m>-1。

圓盤試驗的試件尺寸：直徑65cm，高度為6cm，內徑為55cm的瀝青混凝土圓盤，固定支承在圓盤外至邊緣處。本模型取中點的單元寬度截面為分析單元，試件共劃分為網格255個。

圖2 圓板蠕變特性有限元模型及網格劃分圖

2.2 三種溫度下蠕變有限元計算的參數

圓盤彎曲撓度變化規律：撓度與時間變化關系近似于線性增長，所以應變隨時間變化也是近似線性增長。已知中心點位置和近破壞漏水時的最大徑向應變，得出應變—時間的曲線變化圖。結合積分公式，可計算求得A，n，m三個蠕變常數[5]。計算過程如下：

圖3 2℃圓盤試驗蠕變曲線

(4)

求得：m=0，n=1.34，A=8.89×1014同理求得11℃時m=0，n=1.2932，A=2.55×10-12，25℃時可求得m=0，n=1.36，A=4.48×10-12。

表1 3種溫度下圓盤試驗蠕變有限元分析參數

2.3 3個溫度下的圓盤蠕變特性試驗有限元分析結果

1)2℃圓板蠕變徑向應力等值線圖見圖4-6：

圖4 2℃圓板蠕變徑向應力等值線圖

圖5 2℃圓板蠕變豎向位移等值線圖

圖6 2℃圓板蠕變徑向應變等值線圖

2)11℃圓板蠕變徑向應力等值線圖見圖7-9：

圖7 11℃圓板蠕變徑向應力等值線圖

圖8 11℃圓板蠕變豎向位移等值線圖

圖9 11℃圓板蠕變徑向應變等值線圖

3)25℃圓板蠕變徑向應力等值線圖見圖10-12：

圖10 25℃圓板蠕變徑向應力等值線圖

圖11 25℃圓板蠕變豎向位移等值線圖

圖12 25℃圓板蠕變徑向應變等值線圖

3種溫度下圓盤有限元計算結果和實測結果對比見表2：

從表2的對比分析中可得出，有限元計算的圓盤彎曲撓度比實測的圓盤初裂撓度值大，但基本規律是相同的。解析計算出的上表面受拉區為0≤r≤0.58R的，受壓區為0.58R≤r≤R，下表面受壓區范圍0≤r≤0.58R，受拉區范圍0.58R≤r≤R，有限元計算結果顯示，圓盤上表面近邊緣處的受壓區應變集中，但解析計算中近邊緣處受壓區應變勻速增大。3種不同溫度下的圓盤試驗蠕變第1階段應變歷時較短，而第2階段的蠕變應變歷時較長。在2℃時第3階段的蠕變部分加速突出，此時11℃和25℃時的圓盤試驗未發生加速蠕變的破壞漏水階段，3種溫度下圓盤初裂均在第二穩態時發生，在此之前撓度-時間曲線可近似認為是線性的，因此，3種溫度下的圓盤蠕變應變均隨撓度的增加而成比例的增加。

表2 三種溫度下圓盤有限元計算結果和實測結果對比 mm

3 結 論

文章基于瀝青混凝土面板的特性分析，在蠕變特性和彈性力學在圓盤試驗中的理論研究，結合實例對圓盤特性試驗進行有限元分析，并計算了瀝青混凝土面板在不同溫度下承載的應力應變值，并結合不同溫度的計算結果和試驗實測結果進行對比分析，得出了圓板彎曲破壞導致漏水的作用機理和參考取值，同時研究成果給出了可供工程參考的設計控制指標。

[1]杜振坤，賈金生，陳肖蕾.我國水工瀝青混凝土防滲技術發展及其應用[J].水力發電學報，2004(06)：20-24.

[2]中華人民共和國水利部.DL/T 5362-2006水工瀝青混凝土試驗規程[S].北京:中國電力出版社，2007：2-50.

[3]張懷生.水工瀝青混凝土[M].北京：中國水利水電出版社，2005：236-298，427-449.

[4]周家澤.工程材料彈塑性應力應變模型分析 [J].武漢科技學院學報，2003，16(06):42-45.

[5]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2006：1-394.

Analysis and Study for Deformation Performance of Asphalt Concrete Impervious Layer under Various Conditions

JIANG Xing-hui

(Pangtoupao Management Department of Heilongjiang Provincial Sanjiang Project Construction Management Administration，Zhaoyuan 166500，China)

Asphalt concrete impervious layer is the major impervious body for slab rock-fill dam, compared with the rock-fill body, the slab can’t bear the loading, only being the force-transmission structure, therefore, to study the stress deformation performance of the impervious layer with asphalt concrete under different project conditions is very important. By carrying out the program multi-disk creep properties test to analyze finite elements, in combination with project cases to calculate the feasibility of stress deformation verifying program, and by comparing the damage of asphalt concrete slab under different conditions, it can be seen that creep model analysis is reasonable in disk characteristics test under different temperature, and the studied results will have a certain of reference values for on-site projects.

asphalt concrete; impervious layer;deformation performance;creep property;analysis

1007-7596(2017)05-0015-04

2017-04-17

姜興會(1970-)，男，黑龍江肇州人，助理工程師。

TV431.5

B