胶凝砂砾石坝温度应力研究

刘智玮 田 园 王明华

(1.中国水利水电第四工程局有限公司，青海 西宁 810000； 2.华北水利水电大学，河南 郑州 450046)

0 引言

胶凝砂砾石材料CSG(Cemented Sand and Gravel)是1976年J.M.Raphael提出的一种新材料[1]，它是将胶凝材料和水添加到河床砂砾石或开挖废弃料中，然后采用简单拌合得到。可以最大程度避免土地植被遭受工程破坏，是一种环保型的水工材料。胶凝砂砾石最初常用于临时结构中，如围堰工程，随着材料的开发，越来越多的用于永久建筑物大坝中，我国山西守口堡工程就是国内永久工程的首例。大坝为大体积结构，胶凝砂砾石中含有胶凝材料，水化反应产生大量热量，易造成温度应力过大而开裂[2-4]。

有关胶凝砂砾石坝温度应力的说法不一，根据《胶结颗粒料筑坝技术导则》[5,6]均认为需要采取简易温控措施，本文以山西守口堡胶凝砂砾石坝为研究对象，对其施工过程进行模拟分析，考察其温度应力变化规律，为进行结构设计提供理论依据。

1 计算原理

1.1 非稳定温度场计算理论

胶凝砂砾石六面体的热传导方程[7]可写为：

(1)

(2)

(3)

其中,Ts为给定温度，可以表示已知气温、地温或水温。

(4)

(5)

其中，λ为导热系数，kJ/(m·h·℃)；Ta(t)为气温，℃；β为表面热交换系数，kJ/(m2·h·℃)。一般情况下，β是外表面属性及时间的函数。

1.2 应力场计算理论

基于弹性徐变理论，复杂应力状态下的应变增量包括弹性应变增量、温度应变增量、徐变应变增量、自生体积应变增量和干缩应变增量，即：

(6)

(7)

其中，αT为线膨胀系数。

2 有限元模型

以山西守口堡胶凝砂砾石坝为研究对象，大坝断面为上下游对称或基本对称的梯形，挡水坝坝顶高程1 243.60 m，最大坝高61.6 m，坝顶宽6 m，上下游坝面在高程1 240.0以下坡比均为1∶0.6 m，以上为竖直。剖分后网格如图1所示，其中整体网格节点总数17 400个，单元总数14 835。

胶凝砂砾石配合比由试验确定：水泥50 kg/m3，粉煤灰40 kg/m3，总胶凝材料用量为90 kg/m3，砂砾石采用坝址及上游河床砂砾石，剔除150 mm以上粒径的砂砾石。根据工程类似研究成果资料，胶凝砂砾石随龄期变化的弹性模量如下：

E(τ)=20[1-exp(-0.45×τ0.56)]

(8)

因缺乏现场实测资料，参照类似室内试验结果，自生体积变形采用如下：

ε(τ)=-28[1-exp(-0.55×τ0.7)]×10-6

(9)

由于缺乏现场实测资料，胶凝砂砾石的热学参数，根据室内试验结果所得，见表1。

表1 胶凝砂砾石热学参数及线胀系数

仿真计算拟合并采用的绝热温升模型如式(10)：

θ(τ)=8.8[1-exp(-0.55×τ0.7)]

(10)

3 结果及分析

工程施工按照夏季浇筑，每1.5 m一层，间歇期3 d，为了直观地描述结构表面及内部温度和应力的变化，选取具有代表性的点见图2，特征断面选取中间面，计算结果见图3。

根据计算结果可知，因胶凝砂砾石绝热温升较小，浇筑之后

各特征点温升较小，底层浇筑后4.0 d，因昼夜温差的影响，最大值为29 ℃，此时内外温差较大，约5 ℃，表层存在拉应力，但因温差值较小，拉应力较小，约0.3 MPa，没有超出材料允许抗拉强度，不会开裂。顶层浇筑后1.0 d，因昼夜温差的影响，内外温差较大，此时因浇筑层较厚，K9点应力较大，最大值约0.92 MPa，超出该材料的允许抗拉强度，容易开裂。随着浇筑时间的增长，强约束区底层表层一直处于受拉状态，也有开裂的可能性，内部材料处于受压状态，不会开裂。

4 结语

本文通过对山西守口堡胶凝砂砾石坝进行施工期仿真计算分析，结果可知，随着浇筑的进行，胶凝砂砾石坝底层强约束区表层极易开裂，内层开裂的可能性不大，顶层非强约束区早期表层可能会开裂，故胶凝砂砾石材料浇筑成建筑结构，需对其分析并采用相应的温控措施。