鋼筋與堆物料界面摩擦特性及影響因素研究

鋼筋與堆物料界面摩擦特性及影響因素研究

由于“鞭毛效應(yīng)”，高壩附近的地震加速度和永久性變形明顯大于其他水庫(kù)，導(dǎo)致水庫(kù)失穩(wěn)，影響水庫(kù)安全。加筋是壩頂抗震加固的有效措施之一,已成功用于壩高21.2m的法國(guó)康柯耶拉克壩、壩高125.5m的冶勒瀝青混凝土心墻堆石壩、壩高261.5m的糯扎渡心墻堆石壩和壩高240m的長(zhǎng)河壩心墻堆石壩等。目前常用的加筋材料有土工格柵和帶肋鋼筋兩種。由于高強(qiáng)度的震動(dòng)碾壓對(duì)筋材的破壞性,所以帶肋鋼筋比土工格柵更適用于土石壩的加筋。研究鋼筋-堆石料界面摩擦特性對(duì)加筋土石壩的應(yīng)用具有重要意義。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者做了大量筋-土界面之間摩擦特性的研究工作,如徐超等本文通過(guò)拉拔試驗(yàn)研究鋼筋與堆石料的界面摩擦特性和影響因素,得出堆石料不同狀態(tài)下的剪應(yīng)力-拉拔位移關(guān)系曲線(xiàn),拉拔試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)試結(jié)果能自動(dòng)反映堆石料的剪脹和剪切破壞狀態(tài),較直剪試驗(yàn)?zāi)芨玫啬M鋼筋在堆石料中的實(shí)際工作狀況,拉拔試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可為加筋土石壩的極限穩(wěn)定分析提供分析理論和破壞準(zhǔn)則。1帶肋鋼筋拉拔試驗(yàn)拉拔試驗(yàn)?zāi)康臑樵诙咽喜煌细矇毫?、含水狀態(tài)、孔隙率、級(jí)配等因素影響下,研究鋼筋在堆石料中的摩擦特性。目前由于拉拔試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備和方法尚未統(tǒng)一,因此必須自行研制拉拔試驗(yàn)裝置(見(jiàn)圖1),其中試驗(yàn)筒體內(nèi)直徑36.6cm,內(nèi)高度61cm,筒壁兩側(cè)對(duì)稱(chēng)有直徑為5cm的圓孔,中心點(diǎn)距離筒內(nèi)底部25cm。試驗(yàn)所用筋材為直徑2.2cm的帶肋鋼筋,試驗(yàn)時(shí)保證了鋼筋上方堆石料厚度大于25cm。堆石料級(jí)配平均線(xiàn)和上包線(xiàn)的最大干密度為2.174g/cm由電機(jī)提供拉力,拉拔速率為2mm/min,大型流變儀提供穩(wěn)定的上覆壓力,試驗(yàn)方案如表2所示。拉拔試驗(yàn)的步驟如下:(1)按設(shè)計(jì)的級(jí)配組成配置堆石料,分4層震動(dòng)碾壓至設(shè)計(jì)的孔隙率,當(dāng)?shù)?層震動(dòng)碾壓完成后,將鋼筋穿過(guò)筒壁兩側(cè)圓孔埋入堆石料,并保證第4層震動(dòng)碾壓完成后,每次試驗(yàn)中鋼筋放置水平且外露筒壁的長(zhǎng)度均為35cm。(2)在堆石料上部施加設(shè)計(jì)所需的上覆壓力,壓力穩(wěn)定后用套筒連接鋼筋和拉桿,隨后放置位移百分表并接上拉力數(shù)顯器。(3)啟動(dòng)電機(jī)對(duì)鋼筋施加水平拉拔力,拍攝視頻同步記錄位移和拉拔力值。(4)試驗(yàn)結(jié)束后將拉拔力卸載至零,松開(kāi)鋼筋連接套筒,卸載上覆壓力。2試驗(yàn)結(jié)果的分析2.1拉拔力試驗(yàn)結(jié)果鋼筋與堆石料界面摩擦特性可通過(guò)剪應(yīng)力-拉拔位移關(guān)系曲線(xiàn)來(lái)反映。對(duì)所拍攝的視頻進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,將拉拔力除以鋼筋長(zhǎng)度和直徑換算為剪應(yīng)力,整理后發(fā)現(xiàn)所得剪應(yīng)力-位移曲線(xiàn)規(guī)律均相似,以400kPa上覆壓力下的平均線(xiàn)堆石料拉拔試驗(yàn)為例(見(jiàn)圖2)。剪應(yīng)力-位移曲線(xiàn)呈明顯的非線(xiàn)性關(guān)系,形狀類(lèi)似于一個(gè)下端開(kāi)口的拋物線(xiàn),呈非線(xiàn)性軟化特性。2.2影響料上覆壓力、含水率狀態(tài)、孔隙率、級(jí)配的因素鋼筋與堆石料的相互作用機(jī)理較為復(fù)雜,既與堆石料上覆壓力、含水狀態(tài)、孔隙率、級(jí)配有關(guān),也與鋼筋直徑、彈性模量和拉拔速率等有關(guān),現(xiàn)對(duì)上覆壓力、含水狀態(tài)、孔隙率、級(jí)配這4種因素進(jìn)行分析。2.2.1上覆壓力影響上覆壓力越大,對(duì)堆石料的剪脹抑制越明顯,會(huì)顯著影響剪應(yīng)力-位移曲線(xiàn)。圖3和4是不同壓力下平均線(xiàn)和上包線(xiàn)的剪應(yīng)力-位移曲線(xiàn),堆石料為風(fēng)干狀態(tài),孔隙率均為20%。由圖可知隨著上覆壓力的增加,峰值剪應(yīng)力和殘余剪應(yīng)力也逐漸增加,但殘余剪應(yīng)力規(guī)律性不如峰值剪應(yīng)力明顯。圖5為平均線(xiàn)和上包線(xiàn)的峰值剪應(yīng)力-位移曲線(xiàn),圖6為平均線(xiàn)和上包線(xiàn)的峰值剪應(yīng)力-上覆壓力曲線(xiàn)。由圖5可知平均線(xiàn)和上包線(xiàn)的峰值剪應(yīng)力-上覆壓力曲線(xiàn)近似呈正比線(xiàn)性關(guān)系,上覆壓力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較大;由圖6可知峰值剪應(yīng)力對(duì)應(yīng)的位移呈非線(xiàn)性關(guān)系,且隨上覆壓力增大而逐漸減小,且低壓力下減小的幅度大于高壓力下,這是由于高上覆壓力束縛下堆石料的剪脹變形小,較小的位移就能達(dá)到剪切破壞。2.2.3剪應(yīng)力-位移曲線(xiàn)孔隙率越小,堆石料剪脹效應(yīng)越明顯,對(duì)鋼筋的包裹性越好,鋼筋與堆石料之間的摩擦力越大。圖8為不同孔隙率下的剪應(yīng)力-位移曲線(xiàn),堆石料均為風(fēng)干狀態(tài),上覆壓力均為50kPa。由圖可知堆石料孔隙率越小,峰值剪應(yīng)力和殘余剪應(yīng)力越大。分析峰值剪應(yīng)力、峰值位移和孔隙率三者之間的關(guān)系(見(jiàn)圖9和10),可知孔隙率越小,峰值剪應(yīng)力對(duì)應(yīng)的位移越小,峰值剪應(yīng)力-位移曲線(xiàn)和峰值剪應(yīng)力-孔隙率均近似反比線(xiàn)性分布,孔隙率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較大。3拉拔試驗(yàn)結(jié)果分析通過(guò)開(kāi)展拉拔試驗(yàn)研究分析了鋼筋與堆石料的摩擦特性。初步結(jié)論與建議如下:(1)拉拔試驗(yàn)過(guò)程中剪應(yīng)力的增長(zhǎng)階段為堆石料的剪脹過(guò)程,超過(guò)峰值剪應(yīng)力后,剪應(yīng)力逐漸衰減進(jìn)入殘余剪應(yīng)力階段。剪應(yīng)力-拉拔位移曲線(xiàn)呈下端開(kāi)口的拋物線(xiàn)形狀,上升段陡于下降段,由于堆石料顆粒的滾動(dòng),殘余剪應(yīng)力數(shù)值不穩(wěn)定。(2)堆石料的上覆壓力、孔隙率、級(jí)配和含水狀態(tài)均對(duì)拉拔試驗(yàn)的剪應(yīng)力-拉拔位移有影響,其中上覆壓力、孔隙率和含水狀態(tài)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較大,級(jí)配對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較小。上覆壓力與拉拔位移曲線(xiàn)類(lèi)似于線(xiàn)性正比關(guān)系;孔隙率和拉拔位移類(lèi)似于線(xiàn)性反比關(guān)系;級(jí)配平均線(xiàn)的峰值剪應(yīng)力-拉拔位移均高于級(jí)配上包線(xiàn)的;飽和含水狀態(tài)的剪應(yīng)力-拉拔位移曲線(xiàn)遠(yuǎn)低于風(fēng)干狀態(tài)的。(3)后續(xù)可補(bǔ)充堆石料級(jí)配下包線(xiàn)、不同飽和度、50kPa以下低上覆壓力等條件下的拉拔試驗(yàn),充實(shí)堆石料的上覆壓力、級(jí)配和含水狀態(tài)等因素對(duì)筋土界面摩擦特性的影響研究。何亮,李國(guó)英.鋼筋在堆石料中的拉拔試驗(yàn)研究[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2017(5):74-79.(HELiang,LIGuoying.Pull-outtestanalysisofsteelbarinrockfillmaterials[J].Hydro-ScienceandEngineering,2017(5):74-79.(inChinese))(1)曲線(xiàn)上升階段。隨著拉拔位移的增大,剪應(yīng)力也逐漸增大,這是由于鋼筋抗拔能力的傳遞是從筋的施力端向埋入端逐漸傳遞發(fā)揮出來(lái)的。(2)曲線(xiàn)下降階段。其坡度緩于上升段,且隨著拉拔位移的增大,下降段曲線(xiàn)逐漸變緩,進(jìn)入了殘余剪應(yīng)力階段,這是由于堆石料孔隙率為20%,對(duì)鋼筋包裹緊密,拉拔過(guò)程上升段實(shí)際也是堆石料的剪脹過(guò)程,超過(guò)峰值剪應(yīng)力后即堆石料剪切破壞后,剪脹效應(yīng)大幅降低。再觀(guān)察殘余剪應(yīng)力曲線(xiàn),發(fā)現(xiàn)雖然整體數(shù)值呈緩慢下降趨勢(shì),但局部偶爾上升,這是由于拉拔過(guò)程中堆石料顆粒的翻滾作用引起的。2.2.2剪應(yīng)力-位移關(guān)系本次試驗(yàn)還分別進(jìn)行了堆石料上包線(xiàn)和平均線(xiàn)的拉拔試驗(yàn),研究不同級(jí)配對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。上包線(xiàn)中粒徑小于5mm的細(xì)顆粒含量比平均線(xiàn)高5.2%,細(xì)顆粒含量越高,顆粒之間的咬合力和摩擦力越低,鋼筋剪應(yīng)力也應(yīng)越低。圖7為平均線(xiàn)和上包線(xiàn)剪應(yīng)力-位移曲線(xiàn),對(duì)比分析可知平均線(xiàn)的峰值剪應(yīng)力要高于上包線(xiàn),但兩者的殘余剪應(yīng)力數(shù)值接近。再結(jié)合圖5和6可知上覆壓力大于200kPa時(shí),平均線(xiàn)的峰值剪應(yīng)力數(shù)值均近似高于上包線(xiàn)的1.04倍,因此可認(rèn)為級(jí)配對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小;在相同上覆壓力作用下,平均線(xiàn)的峰值剪應(yīng)力對(duì)應(yīng)的拉拔位移大多小于上包線(xiàn)的,這表明細(xì)顆粒含量越高的級(jí)配組成,越晚達(dá)到峰值剪應(yīng)力。2.2.4飽和水溶液中的水堆石料在非飽和狀態(tài)時(shí),由于受到震動(dòng)碾壓作用,含水量不易控制,所以本試驗(yàn)僅對(duì)風(fēng)干和飽和狀態(tài)進(jìn)行研究。根據(jù)土力學(xué)原理,堆石料在飽和狀態(tài)時(shí),孔隙里充滿(mǎn)了水,相