高土石坝沥青混凝土心墙接触面变形机理及关键部位抗震性能研究

摘要

从19世纪60年代开始，沥青混凝土因其良好的性能，在土石坝防渗心墙中得到广泛应用。沥青混凝士心墙良好的柔韧性，可以适应因土石坝采用低质量的坝壳料和大坝建在深覆盖层的坝基上引起的变形而保持其防渗性。截止2017年，全世界已建成近200座沥青混凝土心墙土石坝，还有许多沥青心墙坝正在建设或者在设计阶段，其中一些坝高超过150m。然而，全世界的坝工界对高沥青混凝土堆石坝的建设还存有一些疑虑和担忧，其中包括心墙与陡岸坡接触面的安全性、心墙与过渡料接触面发生位错是否会导致沥青心墙性能发生剪切破坏，以及地震荷载如何影响心墙关键部位性能。 本文针对陡岸坡沥青混凝土心墙与混凝土基座接触面的变形机理、心墙与过渡料接触面的变形机理、沥青混凝土心墙关键部位的抗震性能展开研究，主要研究内容和成果如下： (1)砂质沥青玛蹄脂作为沥青混凝土心墙与混凝土基座的粘结材料，对结合部位的可靠性起到重要的作用。由沥青混凝土-砂质沥青玛蹄脂-混凝土试件的拉伸试验可知，所有裂缝都出现在砂质沥青玛蹄脂和混凝土的结合面上。通过大量拉伸试验，得出用于接头模型试验砂质沥青玛蹄脂最合适的配比、厚度、合适的添加剂。拉伸条件下沥青混凝土心墙与混凝土基座之间的砂质沥青玛蹄脂最优配比是沥青：填料：砂子为20%：35%：45%，沥青中加入4%SBS。 (2)通过沥青混凝土心墙与混凝土基座接触面的剪切模型试验，研究高水头大剪切变形条件下接触面的性能。接头模型剪切试验结果表明，平面基座、弧面基座和设置止水铜片的平面基座的接触面性能无明显的差异。推荐陡岸坡基座设置止水铜片，以提高沥青混凝土心墙接触面的拉伸和剪切性能。 (3)沥青混凝土心墙处于土石坝中间的上游和下游过渡料之间。在施工过程中，沥青混凝土心墙和过渡料同步摊铺和碾压，使沥青混凝土墙与过渡料接触面产生咬合作用。在施工过程中，当沥青混凝土心墙与过渡料接触而发生剪切变形时，变形量几乎在同一个数量级。室内接触面剪切模型试验结果表明，即使沥青混凝土心墙与过渡料结合面逐渐发生60mm的剪切位移，沥青混凝土表层面未破坏。沥青混凝土心墙较软，在心墙与过渡料之间会产生一定的剪切变形，但对沥青混凝土心墙的完整性影响较小。 （4）根据不同剪切应变速率和不同剪切角度的斜剪试验结果（20℃），得到不同剪切应变速率条件下沥青混凝土剪切应力-剪切应变的特性曲线，建立剪切应变速率与沥青混凝土剪切模量和剪切强度的关系，为沥青心墙动力计算和安全评价提供材料性能参数。 （5）研发沥青混凝土循环扭剪试验设备，根据不同围压、不同应力比条件下的循环扭剪试验结果（20℃），得出动剪切应力与动剪切应变的关系曲线。沥青混凝土循环扭剪的破坏动剪切应变约为1.7%～4.1%，动剪切强度约为1.9MPa～3.8MPa，动剪切模量约为80MPa～120MPa。动扭剪试验结果表明，随着围压的增大，其动扭剪强度和动扭剪应变有增大的趋势，但对动剪切模量影响不大。应力比的变化对动剪切应变、动剪切强度、动剪切模量无明显影响。 （6）将试验成果用于去学堆石坝沥青混凝土心墙，由监测资料和模型试验结果可以看出，沥青混凝土心墙与混凝土基座连接牢靠。沥青混凝土心墙的沉降比过渡料略大，心墙与过渡料有较好咬合作用，位错对沥青混凝土心墙影响不大。沥青混凝土心墙具有较好的柔韧性和延展性，高土石坝采用沥青混凝土心墙方案是非常适宜的。

目录

1 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 研究进展

1.2.1 陡岸坡沥青混凝土心墙与混凝土基座接触面变形机理研究

1.2.2 高土石坝柔性沥青混凝土心墙与散粒体过渡料接触机理研究现状

1.2.3 高土石坝沥青混凝土心墙抗震性能研究

1.3 研究内容和创新之处

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.3.3 研究方法和技术路线

1.3.4 创新之处

2 陡岸坡沥青混凝土心墙与混凝土基座接触面变形机理研究

2.1 概述

2.2 试验方案

2.3 试验方法和分析方法

2.4 砂质沥青玛蹄脂配合比对接头部位性能的影响

2.4.1 不同沥青和填料含量比值对接头部位性能的影响

2.4.2 不同填料和人工砂比例对接头部位性能的影响

2.4.3 不同添加剂对接头部位性能的影响

2.5 不同砂质沥青玛蹄脂厚度接头部位性能试验结果及分析

2.6 大剪切位移和高水压条件下不同基座连接形式模型试验的对比

2.7 本章小结

3 高土石坝柔性沥青混凝土心墙与散粒体过渡料接触面变形机理研究

3.1 概述

3.2 试验设备和试验方案

3.2.1 试验设备

3.2.2 试验方案

3.3 散粒体过渡料的剪切试验研究

3.4 沥青混凝土心墙与过渡料接触面的剪切试验研究

3.4.1 沥青混凝土试件的制备

3.4.2 沥青混凝土心墙与碎石过渡料接触面的剪切试验

3.5 试验结果分析

3.5.1 沥青混凝土心墙与碎石过渡料接触面的破坏应力

3.5.2 沥青混凝土心墙与碎石过渡料接触面的剪切位移

3.5.3 蓄水期沥青混凝土心墙与过渡料的变形

3.5.4 地震荷载作用下沥青混凝土心墙与过渡料的变形

3.5.5 工程意义

3.6 本章小结

4 高土石坝沥青混凝土心墙关键部位抗震性能研究

4.1 概述

4.2 不同剪切应变速率的斜剪应力应变关系研究

4.2.1 斜剪试验装置

4.2.2 试件的制备

4.2.3 斜剪试验

4.2.4 不同剪切应变速率的斜剪试验结果

4.2.5 不同剪切应变速率的斜剪试验结果分析

4.3 地震荷载作用下沥青混凝土发生扭剪破坏的机理研究

4.3.1 试件的成型

4.3.2 循环扭剪试验装置

4.3.3 循环扭剪试验力学方程

4.3.4 沥青混凝土循环扭剪试验过程及方案

4.3.5 沥青混凝土循环扭剪试验结果

4.3.6 围压对动剪切应力、动剪切应变、动剪切模量的影响分析

4.3.7 应力比对动剪切应力、动剪切应变、动剪切模量的影响分析

4.4 快速斜剪试验与扭剪试验结果分析

4.5 高土石坝沥青混凝土心墙关键部位抗震性能的探讨

4.6 本章小结

5 实际工程应用和验证

5.1 概述

5.2 去学堆石坝工程概况

5.3 大坝建设和蓄水

5.4 坝体监测设备的布置

5.5 心墙的变形

5.5.1 蓄水开始心墙变形监测数据分析

5.5.2 心墙面应变监测数据分析

5.5.3 心墙变形的探讨

5.6 心墙与过渡料接触面的变形

5.6.1 心墙与过渡料接触面变形监测数据分析

5.6.2 心墙与过渡料接触面变形探讨

5.7 混凝土基座的变形

5.7.1 混凝土基座变形监测数据分析

5.7.2 陡岸坡混凝土基座与沥青混凝土心墙接触面变形机理的探讨

5.8 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果