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沥青混凝土水力劈裂的细观机理研究

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第43卷第2期 2017年2月 水力发电 沥青混凝土水力劈裂的细观机理研究 武利强 ,王 良 ,章晓桦 ,朱 晟 (1.浙江省水利河口研究院,浙江杭州310020; 2.河海大学水工结构研究所,江苏南京210098) 摘要; 以基于离散单元法的二维颗粒流程序(PFC 。)为平台,建立可模拟沥青混凝土水力劈裂的数值模拟方法, 深入研究沥青混凝土水力劈裂机理。该方法可模拟水力劈裂裂缝出现、扩展直到破坏的全过程。在此基础上,对沥 青混凝土水力劈裂的细观机理和发生条件进行了研究。水力劈裂为拉伸破坏,细观机理为颗粒间法向接触力(拉力) 超过法向粘结强度时,产生微裂缝,导致渗透系数增大,水压力急剧增长,从而激发更多微裂缝产生,直至微裂缝 贯通形成宏观裂缝。发生条件为存在弱接触面区,有利于微裂缝的产生,而微裂缝产生后又可诱发更多裂缝产生直 至贯通形成宏观裂缝。 关键词:离散单元法;沥青混凝土;水力劈裂;细观机理;发生条件 Key Words:discrete eleme n t method;asphalt concrete hydraulic facture;meso-mechanism;occurred condition . .0一一 0 究,不管是物理实验还是数值模拟及理论分析,多 是从宏观的、基于现象学的角度进行研究,难以从 本质上考虑水力劈裂过程中的非连续性及动态发展 过程。 本文采用基于离散元原理的PFC 。(二维颗粒流 0引 言 水力劈裂是土石坝破坏的主要因素之一,挪威 Hyttejuvet坝…、英国Balderhead坝 、美国Teton 坝” 的失事均与水力劈裂密切相关。关于水力劈裂 机理,目前有张拉破坏和剪切破坏两种说法 ,尚 程序)软件,建立了一套能够研究沥青混凝土水力劈 收稿Et期:2016—07—19 基金项目:国家自然科学基金项目(51609215);浙江省水利河 口研究院博士后基金项目(质检A15001) 作者简介:武利强(1985一),男,河北石家庄人,工程师,博 士,研究方向为水工材料. 无统一说法。另外,关于水力劈裂的研究大多以粘 土、岩体等为对象 ,沥青混凝土水力劈裂的研究 则鲜见报道。随着沥青混凝土心墙高坝的增多,沥 青混凝土心墙是否会发生水力劈裂已成为一个非常 迫切需要研究的课题。然而,目前对水力劈裂的研 Water Po Vo1.43 No.2囫 裂的数值模拟方法。该方法能够从细观角度考虑水 力劈裂过程的非连续性和裂缝的动态扩展性,为水 力蜉裂研究提供r一种新的方法和工具。在此琏础 J ,研究_r沥青混凝土水力劈裂的细观机理和发生 条件 . 式中,K 为流体体积模量;V,为流体域单元体积; AV,,为流体域 已力学机理意义 的体积变化 1.3流固耦合机理 流 耦合的l小质为流 问的卡u互作用,最终表 现 力 j位移上,具体为:① 粒接触力的变化, 引起颗粒之『n】距离n的变化,进l 影响流l}I}q;②流 旦3_t q变化,卡}I邻流体域 兀问压力差的变化,进 1.1 材料的力学模型 沥青混凝土组成成分包括沥青、骨料及孔隙等, 不同组分力学性质差别较大, 此,不同 分应采 取不同的力学模型表征 本文将沥青混凝土假定为 卞fI材料,即粗骨料、沥青玛蹄脂及孔隙..各卡[I材 影响流体域 元的流休 J;③流体域 J亡的流体 压力作J闩于乡¨成域单元的颗粒J ,从而改变颗粒接 触j3犬,\、 1.4模型参数 参数确定方法为怀定系数法,即将数值模拟试 验}}}I线和实际物删试验曲线进行拟合,当___I 一致 料的力学模型 分别为①骨料颗粒之『HJ采川线性接 触刚度模型、滑动模型;②沥青 5蹄脂之J1=IJ、沥青 马蹄脂与骨料颗粒之川采用Burger’s模型、接触粘结 模型和滑动模型. 、时的模型参数即代表_r陔种材料的参数..为此,特 选取单轴压缩试验和常舰三一轴压缩试验,试验』I1料 为三峡茅坪溪沥 混凝土心端料,沥占混凝土最人 粒径为20 mill,级配指数为0.35( 2),沥 用 1.2 流体模型 流体模型以沥青混凝土模型为基本框架,添JJl l量6.5%,孔隙率1.41%,试样, t为0M0 I'llIn×80 流体域 元,流体域单元可以储存流体,相邻流体 域 元之问的流体交换符合流体流动方程。 几何上,流体域单元是吲体颗粒相互连接构成 lnln,数值试样见陶3 .曲线拟合结果见 4.参数 取值见表1和表2 求陋衄 露 梨 O 8 6 4 2 ÷ 的封闭区域;力学上,流体域单元内具有流体压力, f1.在该封闭区域I大J均匀分布,流体压力直接作川在 构成该流体域单元的固体颗粒上,如图I a所示 同流体域单7 之间,通过“管道”进行流体交换(如 图1 lJ所示),“管道”内流体运动符合流体运动方 程,“管道”长度为 ,即两流体域单元形心之『日j的 距离,宽度为。,即裂缝宽度。沥青混凝土出于孑L 隙很小,材料粘性较大,因此流体的速度较小,为 图2粒衽/mm 集料级配曲线 层流状态,则流体流动符合立方定律,流动方程为 q:kn A p L (1) 式中,k为水力传导系数;Ap为压强差;L为“管 道”长度;n为“管道”宽度。 一个时步内,流体压力的变化值为 AP (∑q△£一AV ) (2) a流体域 元及力学机理 b不同流体域单元之间流体交换机理 图1 流体域单元力学机理 图3沥青混凝土数值试样 第43卷第2期 武利强,等:沥青混凝土水力劈裂的细观机理研究 冈 OO 50 O0 50 .0.0 2.0 4.0 6 0 8.0 10.0 R缩应变 a单轴压缩试验 l 60 日l 20 山 至o-so 喾0.40 0 0 40 8.0 l2.O 6 O 轴向应变 b三轴试验 图4应力-应变试验曲线拟合 表1 力学模型参数 C铐裂前数位试样 图5 沥青混凝土水力劈裂试验 本文并小是完全定量研究,更多的是对劈裂机理的 研究, 此存在一定的误差是可以接受的。 2。2.2 水力劈裂机理 IlI【皋J 5d可知,裂缝走向不规则,基本沿骨料和 沥青结合面分布,这与粘土劈裂不同,粘土试样中, 表观体积 连接域单元的 传导系数 水体积 管道初始时步/ .裂缝走向基本呈直线或折线…。原冈是粘土材料比 较均一,而沥青混凝土是典型的多相复合体,骨料 和沥 的刚度相差较大,因此在结合面易产生应力 集中脱象, 骨料一般不会破碎, 此裂缝易沿着 /nIl1l 平均管道数N k/cm・s 模一E1.(-Pa宽度/mm s 2水力劈裂分析 2.1 试验过程 试验川料为茅 溪沥青混凝{:心墙料,试样直 结合断分布。 PFC2J@3.1n ,8姊:¥0311 ̄:0d:16蛳nMar∞∞” 为lO0 Illnl,岛度为200 I'llIll .待试样往规定的温 度 养护48 h后,在试样的一端中心处采用立钻钻 孔,孔径为20 IllI11,孔深为l60 IllII1。在无围压的情 况} 进行水力劈裂试验,劈裂前后试样见图5。 '4‘.●强一5∞ 2 6.41341Q ̄2 ,/一一__—_\\ F1SH function crk item MeasurementC cks 2.2试验结果分析 2.2.1 与物理试验结果比较 物理试验尢围压情况下,劈裂压力为1.20 \№-髓e*翻抽 O ̄oop,-|c ■●■哺MN UB^ MI a,数值模拟的劈裂压力为1.10 MPa。模拟值与 试验值差别的主要原因是奉文假定颗粒之问密集接 触,一定程度L弱化_『初始孔隙的影响,使试样干  / 崭度比实际值偏大,因此模拟值比实际值偏大,而 图6水力劈裂微裂缝破坏类型 譬 ≥ 爱 u蠢 … 90 舅 \\ / / 、\ / ■彝≮ 筹 _ \ /  :/一 —\\、 0 0 莹 \ 曩 一 \ /// -“// // \ ——一一 / /315 270  j }225 \ 、~ 一 / /3 270 澳I量圆布鬣位置 b测量圆IV c I量圆I1 图7初始法向接触力均值分布 颗粒之间粘结破坏后形成一个微裂缝,拉伸破 坏的微裂缝标记为细短线,剪切破坏的微裂缝标记 为粗断线,见图6。可见,沥青混凝土水力劈裂微 裂缝绝大部分为拉伸破坏,微裂缝贯通后即形成宏 观裂缝。至此,沥青混凝土水力劈裂的细观破坏机 理可表述为:颗粒间的法向接触力(拉力)超过法向 入式(3),可得渗透系数K的表达式 K=ka (4) 由式(4)系数K的大小与k、n、y有关,k、 为流体的固有属性,劈裂过程中保持不变,因此影 响 的主要因素是。。微裂缝产生后,n将变大,则 将呈平方式的增长,水压力也会相应增长,从而 粘结强度,在颗粒之间形成微裂缝,当微裂缝贯通 后,试样即发生水力劈裂破坏。 激发裂缝附近产生更多裂缝,形成连锁反应,最终 形成贯通的宏观裂缝。 2.2.3 水力劈裂发生条件 由水力劈裂机理可知,微裂缝的破坏基本是拉 4结论 伸破坏,因此,颗粒间的法向接触力是一个重要指 标。为进一步研究劈裂的发生条件,测量了劈裂试 样不同尺度范围内法向接触力均值,测量范围及结 果见图7。图7b为测量圆IV(整个试样范围)内法向 (1)沥青混凝土水力劈裂为拉伸破坏,细观机 理为:颗粒间法向接触力(拉力)超过法向粘结强度 时,产生微裂缝,导致渗透系数增大,水压力急剧 增长,从而激发更多微裂缝产生,直至微裂缝贯通 形成宏观裂缝。 接触力均值分布,最大值为2.96 kN,最小值为 2.49 kN,相差15.8%;图7c为测量圆II(局部范 (2)沥青混凝土水力劈裂发生条件为:试样存 在弱接触面区,当水压足够大时,微裂缝首先在这 些区域形成。一旦形成,就会发生连锁反应,直到 宏观裂缝形成,劈裂破坏为止。 围)内的法向接触力分布,最大值为3.01 kN,最小 值为1.66 kN,相差44.8%。两个测量范围内,法 向接触力均值在25。~45。、105。~135。和180。~ 225。范围内低于其他范围的值,尤其在局部小范围 内,此现象更加明显。这些区域即通常意义的弱接 触面区,图7d显示劈裂裂缝的位置与弱接触面的位 置是一致的。 参考文献: [1]KJAERNSLI B,TORBLAA L.Leakage through Horizontal Cracks in the Core of Hyttejavet Dam[R].Nowregian Geotechnical Institute, Oslo,Norwag,1968:39—47. 水力劈裂试验中,随着水压的逐步增大,试样 的应力状态由初始的受压逐渐变为受拉,当拉应力 大于法向粘结强度时,粘结破坏,微裂缝出现。显 然,弱接触面区成为最早产生微裂缝的区域。而微 裂缝的产生将使渗透系数急剧增大。由达西定律知: q=KFAh/L (3) [2]VAUGHNA P R,KLUTH D J,LEONARD M W,et a1.Cracking and Erosion of the Rolled Clay Core of Balderhead Dam and the Remedial Works Adopted for Its Repair[C]//10th International Congress on Large Dams,Montreal,Canada,1970:73—79. [3]SEED H B,DUNCAN J M.The Teton Dam Failure,A Retrospective Review[C]//Proeeedings of the lOth ICSMEF,1981:219-238. [4]JAWOSKI W,DUNCAN J M,SEED H B.Laboratory study of hy— draulic fracturing[J].Journal of the Geotechnical Engineering Divi— 式中,K为渗透系数;F为过水断面;Ah为渗流路 径上的水头损失,大小为AP/T;L为渗流路径长度。 联立式(1)并将F=at(其中,t为单位长度)代 sion,1981,107(6):713.732. (下转第59页) .ru世 ‘州 口 惩干:Juu…与D‘,兀.14、 罔,比 上u|U似驭觥’匝1=] 吸 I 1丌 露 哺蓬 钢筋混凝土 面板堆石坝 坝坡稳定,坝体变形控制 NNN ̄,…… ,下游 分隧杂、材料种类较多相对庞大 星 善 据坝体填筑分区情况确定 度及颗粒级配没有严格要求 强 浇筑式沥青 混凝土面板 除垫层料、主堆石料遵照面板堆 石坝要求外,任意料对岩性、强 胶凝堆石坝 占用场地较小。并且在运行期,胶凝堆石体不存在 流变变形问题。 准尚没有形成统一的规范,致使这一坝型在工程实 际中的运用受到,一般仅仅用在围堰工程上, 没有发挥它应有的工程优势和效益。应进一步研究 7 结语 在高应力和高水头条件下胶凝堆石材料的应力变形 (1)浇筑式沥青混凝土面板胶凝堆石坝集胶凝 堆石材料与沥青混凝土的优势于一身,与普通的混 特点以及耐久性问题,使之在300 in级面板堆石坝 工程上尽快得到实际应用。 凝土面板堆石坝相比,具有结构形式简单、充分利 用当地材料、坝体不存在流变变形、合理利用建坝 材料的性能等特点,同时具有工程量省、节约工程 投资、施工速度快、临建规模相对较小、建设工期 相对较短、对环境友好等优点,是300 nl级面板堆 石坝理想的新型结构形式,非常适合于在大江大河 上游的高寒地区、深山峡谷中兴建龙头水库大坝。 目前,由于胶凝堆石料、浇筑式沥青混凝土面板在 参考文献: [1]马洪琪,曹克明.超高面板堆石坝的关键技术问题[J].水利水 电施工,2008(1):11-16. 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