沥青混凝土心墙基本性能研究——静三轴试验与应力松驰试验研究
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摘要
沥青混凝土由于其良好的防渗性能在坝体防渗中得到越来越广泛的应用。至今全世界已建成沥青混凝土防渗土石坝(包括蓄水池)近400座。其中沥青混凝土心墙坝有80余座，我国有20余座，自1955年至今无一修补。
目前，国内外对沥青混凝土心墙的材料和结构性能已进行了一些试验研究，其设计方法、施工工艺和设备较为成熟，但其基本性能研究方面显得较为薄弱，本文结合实际工程对沥青混凝土心墙的芯样和试验室成型的试件进行了试验研究，主要包括静三轴试验、围压稳定试验以及应力松弛试验研究，得到以下基本结论：
1．两个实际工程的静三轴变形与强度试验表明，随着温度升高沥青混凝土破坏强度明显降低，破坏时应变明显加大；沥青含量的增加会导致切线模量和凝聚力降低，但内摩擦角趋于增加；周围压力增大会导致最大应力σ_D增大，其体变压缩极限值也越大。
2．在进行静三轴试验以前先对沥青混凝土试件进行围压稳定，发现在时间足够长的条件下，试件的体积会逐渐缩小，并逐渐稳定在某一定值，其压缩量基本上为其本身孔隙体积的一半；经围压稳定后的试件静三轴试验曲线上的线性阶段明显缩短，而初始切线模量增大。
3．通过松弛试验得到的不同应变条件下的松弛模量曲线表明，所加的应变越大，沥青混凝土试件的松弛模量越小；也就是说，所加应变越小，其松弛性能越好。
Because of its excellent inpenetrative performance, asphalt concrete has been widely used increasingly in watertight of dams. Till now there are nearly 400 asphalt concrete embankment dams (including headers) built in the world. The embankments with asphalt concrete cores are more than 80 including 20 in China and none of them has been repaired since 1955.
At present plenty of experimental study has been made on the materials and structural performance of asphalt concrete cores in the world, and the design methods and construction technique as well as equipments have been more mature. However, there is still lack of the research of its basic performance. In this thesis, in combination with the actual project, the experimental study has been employed with the field core specimen and the specimen made in laboratory, mainly include the static triaxial test, confinement pressure stabilization test and stress relaxation test. Through the tests, conclusions are summarized as below:
1. The static triaxial test of two engineerings shows that the breaking strength of asphalt concrete declines significantly as the temperature rises and the strain increases noticeably when breaking. Increase in the asphalt content leads to decrease in tangent
modulus and cohesion, but the internal friction angle tends to increase. Increasing confining stress results in the augment of the maximum stress and the ultimate value of volumetric strain.
2. If asphalt concrete specimen is in stabilization by exert confining stress before the static triaxial test, it is then found that under the condition that time is long enough, the volume of the specimen will shorten gradually and stable around a fixed value, and the amount of compression is essentially the half of the volume of void itself. It is also found that in stabilization by exert confining stress the linear phrase will be shorten in the figure of the static triaxial test of specimen, while the initial tangent modulus will be augment.
3. Through the stress relaxation test we can get relaxation modulus under various strain, and it indicate that the relaxation modulus of asphalt concrete specimen will turn minish along with the augment of the strain. Which is to say the relaxation will be better if the strain is small.
目前，国内外对沥青混凝土心墙的材料和结构性能已进行了一些试验研究，其设计方法、施工工艺和设备较为成熟，但其基本性能研究方面显得较为薄弱，本文结合实际工程对沥青混凝土心墙的芯样和试验室成型的试件进行了试验研究，主要包括静三轴试验、围压稳定试验以及应力松弛试验研究，得到以下基本结论：
1．两个实际工程的静三轴变形与强度试验表明，随着温度升高沥青混凝土破坏强度明显降低，破坏时应变明显加大；沥青含量的增加会导致切线模量和凝聚力降低，但内摩擦角趋于增加；周围压力增大会导致最大应力σ_D增大，其体变压缩极限值也越大。
2．在进行静三轴试验以前先对沥青混凝土试件进行围压稳定，发现在时间足够长的条件下，试件的体积会逐渐缩小，并逐渐稳定在某一定值，其压缩量基本上为其本身孔隙体积的一半；经围压稳定后的试件静三轴试验曲线上的线性阶段明显缩短，而初始切线模量增大。
3．通过松弛试验得到的不同应变条件下的松弛模量曲线表明，所加的应变越大，沥青混凝土试件的松弛模量越小；也就是说，所加应变越小，其松弛性能越好。
Because of its excellent inpenetrative performance, asphalt concrete has been widely used increasingly in watertight of dams. Till now there are nearly 400 asphalt concrete embankment dams (including headers) built in the world. The embankments with asphalt concrete cores are more than 80 including 20 in China and none of them has been repaired since 1955.
At present plenty of experimental study has been made on the materials and structural performance of asphalt concrete cores in the world, and the design methods and construction technique as well as equipments have been more mature. However, there is still lack of the research of its basic performance. In this thesis, in combination with the actual project, the experimental study has been employed with the field core specimen and the specimen made in laboratory, mainly include the static triaxial test, confinement pressure stabilization test and stress relaxation test. Through the tests, conclusions are summarized as below:
1. The static triaxial test of two engineerings shows that the breaking strength of asphalt concrete declines significantly as the temperature rises and the strain increases noticeably when breaking. Increase in the asphalt content leads to decrease in tangent
modulus and cohesion, but the internal friction angle tends to increase. Increasing confining stress results in the augment of the maximum stress and the ultimate value of volumetric strain.
2. If asphalt concrete specimen is in stabilization by exert confining stress before the static triaxial test, it is then found that under the condition that time is long enough, the volume of the specimen will shorten gradually and stable around a fixed value, and the amount of compression is essentially the half of the volume of void itself. It is also found that in stabilization by exert confining stress the linear phrase will be shorten in the figure of the static triaxial test of specimen, while the initial tangent modulus will be augment.
3. Through the stress relaxation test we can get relaxation modulus under various strain, and it indicate that the relaxation modulus of asphalt concrete specimen will turn minish along with the augment of the strain. Which is to say the relaxation will be better if the strain is small.
引文
【1】 孙君森，王为标，林鸿镁。碾压混凝土坝的沥青防渗。陕西人民出版社，2003
【2】 沥青混凝土心墙施工。西安理工大学防渗研究所编，1996
【3】 傅元茂，盛得举，段节辉译，水工结构沥青设计与施工。北京：水利电力出版社，1989
【4】 孙振天，土石坝的沥青混凝土防渗。土石坝工程论文集。土石坝工程信息网， 1998．6
【5】 王景海，章继光译，水工沥青。西安交通大学印刷厂，1980
【6】 沥青混凝土面板施工。西安理工大学防渗研究所编，1996
【7】 “八五”龙滩碾压混凝土重力坝防渗结构研究。西安理工大学防渗研究所编，1995
【8】 方正三，沥青混凝土在土石坝防渗上的应用。北京：科学出版社，1979
【9】 Wolfgang Haug, Erich Schonian, ASPHALT IN HYDRAULIC STRACTURES DESIGN AND APPLICATION.
【10】 杨全民，孙振天著，碾压混凝土的防渗结构。国际碾压混凝土坝学术论文集， 1991
【11】 K·Hoeg, THE ROCKFILL DAM WITH ASPHALT CONCRETE CORE. Water Power & Dam Construction, Vol. 43, Num. 4, 1991
【12】 苗琴生，沥青混凝土心墙坝的发展与研究概况。华东水电技术，1985(4)
【13】 关志诚，浇筑式沥青混凝土心墙坝防渗结构研究。大连理工大学博士论文，2000
【14】 杨熙章编著，土工试验与原理。上海：同济大学出版社，1993
【15】 华东水利学院土力学教研室编，土工原理与计算(第一版)上册。北京：水利电力出版社，1982
【16】 钱家欢主编，土力学。南京：河海大学出版社，1988
【17】钱家欢，殷宗泽主编，土工原理与计算(第二版)。北京：中国水利水电出版社，1995
【18】郭葭窗，沥青混凝土的三轴试验及其应力应变特性。水利水电技术，1981(9)
【19】沥青及沥青混凝土技术规范(标准)汇编。中国长江三峡开发总公司工程建设部
【20】屈漫利，水工沥青混凝土抗裂性能和试件成型方法的试验研究。西安理工大学硕士论文，2001
【21】蒋颂涛，李天汉，田玉芳，沥青混凝土三轴试验及其力学性能的初步探讨。辽宁水利科学研究所，1982
【22】陈敬文，沥青混凝土低温冻断试验。石油沥青，1991(1)
【23】陈敬文，沥青混凝土低温抗裂研究。西安理工大学硕士学位论文，1986
【24】风家骥等，沥青混凝土应力—应变关系试验研究。水利学报，1987(11)
【25】王为标，孙振天，吴利言，沥青混凝土应力—应变特性研究。水利学报，1996(5)
【26】新疆鄯善县坎尔其水利枢纽工程沥青混凝土心墙土石坝沥青混凝土材料试验报告。西安理工大学防渗研究所编，2000
【27】水工沥青混凝土试验方法(报批稿)，西安理工大学防渗研究所，1989
【28】新疆伊犁特克斯河恰甫其海水利枢纽工程沥青混凝土心墙土石坝沥青混凝土材料试验报告。西安理工大学防渗研究所编，2001
【29】穆霞英编著，蠕变力学。西安交通大学出版社，1990
【30】杨挺青，粘弹性力学。华中理工大学出版社，1989
【31】Naresh C.Samtani, A VISCOPLASTIC MODEL FOR CREEPING NATURAL SLOPES. Water Power & Dam Construction
【32】Wang weibiao, FINITE ANALYSIS OF ASPHALT CONCRETE CORE EMBANKMENT DAMS CONSIDERING LONG-TERM CREEP BEHAVIOR OF THE CORE
【33】Alfred FEINER, asphaltic concrete cores problems and their solutions(*).
【34】Commission International Des Grands Barrages
【35】北京勘测设计研究院编，沥青混凝土低温抗裂性能的试验研究报告。1993
【36】赵玉翠等，石油沥青老化性能研究。石油沥青，2000(4)
【37】中华人民共和国国家标准，大气污染物综合排放标准(GB16297-1996)
【38】Alex Naudts, HOT BITUMEN GROUTING REDISCOVERED. Water Power and Dam Consttruction, 2001
【39】赵颖华等，供水工程采用沥青防渗对水质影响分析。东北水利水电，1998(3)
【40】刘天齐，三废处理工程技术手册(废气卷)。北京：化学工业出版社，1996
【41】孙振天，关于水工沥青混凝土性能试验方法的几个基本问题的讨论。石油沥青，2000(4)
【42】D.GALLACHER, ASPHALTIC CENTRAL CORE AT THE MEGGET DAM(*). COMMISSIOM INTERNATIONAL Q.61, R39
【43】K·Hoeg, ASPHALTIC CONCRETE CORES FOR EMBANKMENT DAMS. 1993
【44】水利电力部，水工混凝土试验规程(SD105-82)。水利电力出版社，1983
【45】丁朴荣著，水工沥青混凝土材料选择与配合比设计。水利电力出版社，1990
【46】水工沥青混凝土试验方法(报批稿)。1989
【47】菅原照雄等，沥青混合料力学性能研究论文集。1982
【48】吴长盛，堆石坝沥青混凝土心墙的试验与研究。海河水利，2001(2)
【49】交通部公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTJ052-93。人民交通出版社，1993
【50】K·Hoeg, Wang weibiao, ASPHALT CORE EMBANKMENT DAMS-EFFECTS OF COMPACTION METHOD ON STRESS-STRAIN-STRENGTH CHARACTERISTICS OF ASPHALT CONCRETE, NGI REPORT 9803023-1 15 AUGUST 1999
【51】王为标，吴立言，沥青混凝土拉伸蠕变性能试验研究。石油沥青，1991(2)
【52】 刘国清译，混凝土坝的沥青混凝土防渗墙。水工沥青技术，1981(2)
【53】 王为标等，碾压混凝土坝的沥青混合料防渗结构。水利水电技术，2000(11)
【54】 Wang weibiao, FINITE ELEMENT ANALYSES OF ASPHALT CONCRETE CORE EMBANKMENT DAMS CONSIDERING LONG-TERM CREEP BEHAVIOUR OF THE CORE
【55】 Kramer, R.W., EMBANKMENT DAMS: IMPERVIOUS ELEMENT'S OTHER THAN CLAY CORES.GR.Q.61, ICOLD, San Francisco, 1988
【56】 Chistensen, R.M., THEORY OF VISCOELASTICITY. Academic Press,1982
【57】 蒋长元，蒋颂涛，沥青混凝土防渗墙。水利水电出版社，1992
【58】 菅原照雄，沥青混合料的力学特性。水工沥青技术，1982
【59】 吴曾琼，沥青混凝土的应力应变关系。水工沥青与防渗技术，1992
【60】 Rienossl K, EMBANKMENT DAMS WITH ASPHALTIC CONCRETE CORES- EXPERIENCE AND RECENT TEST RESULTS. Oroc, 11th. International Congress on Large Dams, 1973, Q2, R45
【61】 T.Strobl and R.Schmid, THE BEHAVIOUR OF DAMS WITH ASPHALTIC CONCRETE CORES DURING IMPOUNDING. Water Power & Dam Construction, March, 1993
【62】 D.Gallacher, ASPHALTIC CENTRAL CORE AT THE MEGGT DAM, ICOLD, San Frensisco, 1988, Q61. R31
【63】 I.S.MOISEEV, ROCKFILL DAMS WITH ASPHALTIC CONCRETE DIAPHRAMS. ICOLD, San Frensisco, 1988, Q61. R62
【64】 Naresh C.Samtani, AVISCOELASTIC MODEL FOR CREEPING NATRURAL SLOPES, Water Power & Dam Construction, March 1990
【65】 贾金生，德国水工沥青混凝土技术进展。土石坝工程，1996
【66】 苗琴生，沥青混凝土心墙坝的发展与研究概况。华东水利水电技术，1985(4)
【67】 蔡俄编著，粘弹性力学基础。北京航空航天大学出版社，1989
【68】汤任基编，固体力学。上海交通大学出版社，1999
【69】范镜泓，高芝辉著，非线性连续介质力学基础。重庆大学出版社，1987
【70】张涛等，考虑蠕变特性的沥青混凝土心墙堆石坝应力应变分析。土石坝工程， 1998
【71】沥青混凝土防渗墙工程实例摘录。土石坝工程，1998
【72】穆霞英等，土石坝沥青混凝土心墙的粘弹性有限元分析。陕西省力学学会论文集，1986
【73】唐仁杰，应用非线性有限元分析碧流河水库沥青混凝土心墙土坝的应力和应变。华东水电技术，1985(4)
【74】天荒坪抽水蓄能电站上库防渗层沥青混凝土芯样疲劳与裂缝试验报告。西安理工大学防渗研究所，1997
【75】杨全民，孙振天，碾压混凝土的防渗结构。国际碾压混凝土坝学术论文集，1991
【76】水工建筑物中的沥青混凝土—水库。德国斯特拉斯堡工程有限公司编，1996
【2】 沥青混凝土心墙施工。西安理工大学防渗研究所编，1996
【3】 傅元茂，盛得举，段节辉译，水工结构沥青设计与施工。北京：水利电力出版社，1989
【4】 孙振天，土石坝的沥青混凝土防渗。土石坝工程论文集。土石坝工程信息网， 1998．6
【5】 王景海，章继光译，水工沥青。西安交通大学印刷厂，1980
【6】 沥青混凝土面板施工。西安理工大学防渗研究所编，1996
【7】 “八五”龙滩碾压混凝土重力坝防渗结构研究。西安理工大学防渗研究所编，1995
【8】 方正三，沥青混凝土在土石坝防渗上的应用。北京：科学出版社，1979
【9】 Wolfgang Haug, Erich Schonian, ASPHALT IN HYDRAULIC STRACTURES DESIGN AND APPLICATION.
【10】 杨全民，孙振天著，碾压混凝土的防渗结构。国际碾压混凝土坝学术论文集， 1991
【11】 K·Hoeg, THE ROCKFILL DAM WITH ASPHALT CONCRETE CORE. Water Power & Dam Construction, Vol. 43, Num. 4, 1991
【12】 苗琴生，沥青混凝土心墙坝的发展与研究概况。华东水电技术，1985(4)
【13】 关志诚，浇筑式沥青混凝土心墙坝防渗结构研究。大连理工大学博士论文，2000
【14】 杨熙章编著，土工试验与原理。上海：同济大学出版社，1993
【15】 华东水利学院土力学教研室编，土工原理与计算(第一版)上册。北京：水利电力出版社，1982
【16】 钱家欢主编，土力学。南京：河海大学出版社，1988
【17】钱家欢，殷宗泽主编，土工原理与计算(第二版)。北京：中国水利水电出版社，1995
【18】郭葭窗，沥青混凝土的三轴试验及其应力应变特性。水利水电技术，1981(9)
【19】沥青及沥青混凝土技术规范(标准)汇编。中国长江三峡开发总公司工程建设部
【20】屈漫利，水工沥青混凝土抗裂性能和试件成型方法的试验研究。西安理工大学硕士论文，2001
【21】蒋颂涛，李天汉，田玉芳，沥青混凝土三轴试验及其力学性能的初步探讨。辽宁水利科学研究所，1982
【22】陈敬文，沥青混凝土低温冻断试验。石油沥青，1991(1)
【23】陈敬文，沥青混凝土低温抗裂研究。西安理工大学硕士学位论文，1986
【24】风家骥等，沥青混凝土应力—应变关系试验研究。水利学报，1987(11)
【25】王为标，孙振天，吴利言，沥青混凝土应力—应变特性研究。水利学报，1996(5)
【26】新疆鄯善县坎尔其水利枢纽工程沥青混凝土心墙土石坝沥青混凝土材料试验报告。西安理工大学防渗研究所编，2000
【27】水工沥青混凝土试验方法(报批稿)，西安理工大学防渗研究所，1989
【28】新疆伊犁特克斯河恰甫其海水利枢纽工程沥青混凝土心墙土石坝沥青混凝土材料试验报告。西安理工大学防渗研究所编，2001
【29】穆霞英编著，蠕变力学。西安交通大学出版社，1990
【30】杨挺青，粘弹性力学。华中理工大学出版社，1989
【31】Naresh C.Samtani, A VISCOPLASTIC MODEL FOR CREEPING NATURAL SLOPES. Water Power & Dam Construction
【32】Wang weibiao, FINITE ANALYSIS OF ASPHALT CONCRETE CORE EMBANKMENT DAMS CONSIDERING LONG-TERM CREEP BEHAVIOR OF THE CORE
【33】Alfred FEINER, asphaltic concrete cores problems and their solutions(*).
【34】Commission International Des Grands Barrages
【35】北京勘测设计研究院编，沥青混凝土低温抗裂性能的试验研究报告。1993
【36】赵玉翠等，石油沥青老化性能研究。石油沥青，2000(4)
【37】中华人民共和国国家标准，大气污染物综合排放标准(GB16297-1996)
【38】Alex Naudts, HOT BITUMEN GROUTING REDISCOVERED. Water Power and Dam Consttruction, 2001
【39】赵颖华等，供水工程采用沥青防渗对水质影响分析。东北水利水电，1998(3)
【40】刘天齐，三废处理工程技术手册(废气卷)。北京：化学工业出版社，1996
【41】孙振天，关于水工沥青混凝土性能试验方法的几个基本问题的讨论。石油沥青，2000(4)
【42】D.GALLACHER, ASPHALTIC CENTRAL CORE AT THE MEGGET DAM(*). COMMISSIOM INTERNATIONAL Q.61, R39
【43】K·Hoeg, ASPHALTIC CONCRETE CORES FOR EMBANKMENT DAMS. 1993
【44】水利电力部，水工混凝土试验规程(SD105-82)。水利电力出版社，1983
【45】丁朴荣著，水工沥青混凝土材料选择与配合比设计。水利电力出版社，1990
【46】水工沥青混凝土试验方法(报批稿)。1989
【47】菅原照雄等，沥青混合料力学性能研究论文集。1982
【48】吴长盛，堆石坝沥青混凝土心墙的试验与研究。海河水利，2001(2)
【49】交通部公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTJ052-93。人民交通出版社，1993
【50】K·Hoeg, Wang weibiao, ASPHALT CORE EMBANKMENT DAMS-EFFECTS OF COMPACTION METHOD ON STRESS-STRAIN-STRENGTH CHARACTERISTICS OF ASPHALT CONCRETE, NGI REPORT 9803023-1 15 AUGUST 1999
【51】王为标，吴立言，沥青混凝土拉伸蠕变性能试验研究。石油沥青，1991(2)
【52】 刘国清译，混凝土坝的沥青混凝土防渗墙。水工沥青技术，1981(2)
【53】 王为标等，碾压混凝土坝的沥青混合料防渗结构。水利水电技术，2000(11)
【54】 Wang weibiao, FINITE ELEMENT ANALYSES OF ASPHALT CONCRETE CORE EMBANKMENT DAMS CONSIDERING LONG-TERM CREEP BEHAVIOUR OF THE CORE
【55】 Kramer, R.W., EMBANKMENT DAMS: IMPERVIOUS ELEMENT'S OTHER THAN CLAY CORES.GR.Q.61, ICOLD, San Francisco, 1988
【56】 Chistensen, R.M., THEORY OF VISCOELASTICITY. Academic Press,1982
【57】 蒋长元，蒋颂涛，沥青混凝土防渗墙。水利水电出版社，1992
【58】 菅原照雄，沥青混合料的力学特性。水工沥青技术，1982
【59】 吴曾琼，沥青混凝土的应力应变关系。水工沥青与防渗技术，1992
【60】 Rienossl K, EMBANKMENT DAMS WITH ASPHALTIC CONCRETE CORES- EXPERIENCE AND RECENT TEST RESULTS. Oroc, 11th. International Congress on Large Dams, 1973, Q2, R45
【61】 T.Strobl and R.Schmid, THE BEHAVIOUR OF DAMS WITH ASPHALTIC CONCRETE CORES DURING IMPOUNDING. Water Power & Dam Construction, March, 1993
【62】 D.Gallacher, ASPHALTIC CENTRAL CORE AT THE MEGGT DAM, ICOLD, San Frensisco, 1988, Q61. R31
【63】 I.S.MOISEEV, ROCKFILL DAMS WITH ASPHALTIC CONCRETE DIAPHRAMS. ICOLD, San Frensisco, 1988, Q61. R62
【64】 Naresh C.Samtani, AVISCOELASTIC MODEL FOR CREEPING NATRURAL SLOPES, Water Power & Dam Construction, March 1990
【65】 贾金生，德国水工沥青混凝土技术进展。土石坝工程，1996
【66】 苗琴生，沥青混凝土心墙坝的发展与研究概况。华东水利水电技术，1985(4)
【67】 蔡俄编著，粘弹性力学基础。北京航空航天大学出版社，1989
【68】汤任基编，固体力学。上海交通大学出版社，1999
【69】范镜泓，高芝辉著，非线性连续介质力学基础。重庆大学出版社，1987
【70】张涛等，考虑蠕变特性的沥青混凝土心墙堆石坝应力应变分析。土石坝工程， 1998
【71】沥青混凝土防渗墙工程实例摘录。土石坝工程，1998
【72】穆霞英等，土石坝沥青混凝土心墙的粘弹性有限元分析。陕西省力学学会论文集，1986
【73】唐仁杰，应用非线性有限元分析碧流河水库沥青混凝土心墙土坝的应力和应变。华东水电技术，1985(4)
【74】天荒坪抽水蓄能电站上库防渗层沥青混凝土芯样疲劳与裂缝试验报告。西安理工大学防渗研究所，1997
【75】杨全民，孙振天，碾压混凝土的防渗结构。国际碾压混凝土坝学术论文集，1991
【76】水工建筑物中的沥青混凝土—水库。德国斯特拉斯堡工程有限公司编，1996