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，導(dǎo)致水庫失穩(wěn)，影響水庫安全。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)度的震動碾壓對筋材的破壞性,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加筋土石壩的應(yīng)用具有重要意義。國內(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,拉拔試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于測試結(jié)果能自動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Α⒑疇顟B(tài)、孔隙率、級配等因素影響下,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)對稱有直徑為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)時保證了鋼筋上方堆石料厚度大于25cm。堆石料級配平均線和上包線的最大干密度為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)的級配組成配置堆石料,分4層震動碾壓至設(shè)計(jì)的孔隙率,當(dāng)?shù)?層震動碾壓完成后,將鋼筋穿過筒壁兩側(cè)圓孔埋入堆石料,并保證第4層震動碾壓完成后,每次試驗(yàn)中鋼筋放置水平且外露筒壁的長度均為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)啟動電機(jī)對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剪應(yīng)力-拉拔位移關(guān)系曲線來反映。對所拍攝的視頻進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,將拉拔力除以鋼筋長度和直徑換算為剪應(yīng)力,整理后發(fā)現(xiàn)所得剪應(yīng)力-位移曲線規(guī)律均相似,以400kPa上覆壓力下的平均線堆石料拉拔試驗(yàn)為例(見圖2)。剪應(yīng)力-位移曲線呈明顯的非線性關(guān)系,形狀類似于一個下端開口的拋物線,呈非線性軟化特性。2.2影響料上覆壓力、含水率狀態(tài)、孔隙率、級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)對上覆壓力、含水狀態(tài)、孔隙率、級配這4種因素進(jìn)行分析。2.2.1上覆壓力影響上覆壓力越大,對堆石料的剪脹抑制越明顯,會顯著影響剪應(yīng)力-位移曲線。圖3和4是不同壓力下平均線和上包線的剪應(yīng)力-位移曲線,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為平均線和上包線的峰值剪應(yīng)力-位移曲線,圖6為平均線和上包線的峰值剪應(yīng)力-上覆壓力曲線。由圖5可知平均線和上包線的峰值剪應(yīng)力-上覆壓力曲線近似呈正比線性關(guān)系,上覆壓力對試驗(yàn)結(jié)果的影響較大;由圖6可知峰值剪應(yīng)力對應(yīng)的位移呈非線性關(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-位移曲線孔隙率越小,堆石料剪脹效應(yīng)越明顯,對鋼筋的包裹性越好,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,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(見圖9和10),可知孔隙率越小,峰值剪應(yīng)力對應(yīng)的位移越小,峰值剪應(yīng)力-位移曲線和峰值剪應(yīng)力-孔隙率均近似反比線性分布,孔隙率對試驗(yàn)結(jié)果的影響較大。3拉拔試驗(yàn)結(jié)果分析通過開展拉拔試驗(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)過程中剪應(yīng)力的增長階段為堆石料的剪脹過程,超過峰值剪應(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-拉拔位移曲線呈下端開口的拋物線形狀,上升段陡于下降段,由于堆石料顆粒的滾動,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、級配和含水狀態(tài)均對拉拔試驗(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)對試驗(yàn)結(jié)果的影響較大,級配對試驗(yàn)結(jié)果的影響較小。上覆壓力與拉拔位移曲線類似于線性正比關(guān)系;孔隙率和拉拔位移類似于線性反比關(guān)系;級配平均線的峰值剪應(yīng)力-拉拔位移均高于級配上包線的;飽和含水狀態(tài)的剪應(yīng)力-拉拔位移曲線遠(yuǎn)低于風(fēng)干狀態(tài)的。(3)后續(xù)可補(bǔ)充堆石料級配下包線、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、級配和含水狀態(tài)等因素對筋土界面摩擦特性的影響研究。何亮,李國英.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)揮出來的。(2)曲線下降階段。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%,對鋼筋包裹緊密,拉拔過程上升段實(shí)際也是堆石料的剪脹過程,超過峰值剪應(yīng)力后即堆石料剪切破壞后,剪脹效應(yīng)大幅降低。再觀察殘余剪應(yīng)力曲線,發(fā)現(xiàn)雖然整體數(shù)值呈緩慢下降趨勢,但局部偶爾上升,這是由于拉拔過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)行了堆石料上包線和平均線的拉拔試驗(yàn),研究不同級配對試驗(yàn)結(jié)果的影響。上包線中粒徑小于5mm的細(xì)顆粒含量比平均線高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為平均線和上包線剪應(yīng)力-位移曲線,對比分析可知平均線的峰值剪應(yīng)力要高于上包線,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,平均線的峰值剪應(yīng)力數(shù)值均近似高于上包線的1.04倍,因此可認(rèn)為級配對試驗(yàn)結(jié)果影響較小;在相同上覆壓力作用下,平均線的峰值剪應(yīng)力對應(yīng)的拉拔位移大多小于上包線的,這表明細(xì)顆粒含量越高的級配組成,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,由于受到震動碾壓作用,含水量不易控制,所以本試驗(yàn)僅對風(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,孔隙里充滿了水,相