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”，高壩附近的地震加速度和永久性變形明顯大于其他水庫，導致水庫失穩，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用具有重要意義。國內外眾多學者做了大量筋-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下的剪應力-拉拔位移關系曲線,拉拔試驗的優點在于測試結果能自動反映堆石料的剪脹和剪切破壞狀態,較直剪試驗能更好地模擬鋼筋在堆石料中的實際工作狀況,拉拔試驗測試結果可為加筋土石壩的極限穩定分析提供分析理論和破壞準則。1帶肋鋼筋拉拔試驗拉拔試驗目的為在堆石料不同上覆壓力、含水狀態、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。目前由于拉拔試驗的試驗設備和方法尚未統一,因此必須自行研制拉拔試驗裝置(見圖1),其中試驗筒體內直徑36.6cm,內高度61cm,筒壁兩側對稱有直徑為5cm的圓孔,中心點距離筒內底部25cm。試驗所用筋材為直徑2.2cm的帶肋鋼筋,試驗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由電機提供拉力,拉拔速率為2mm/min,大型流變儀提供穩定的上覆壓力,試驗方案如表2所示。拉拔試驗的步驟如下:(1)按設計的級配組成配置堆石料,分4層震動碾壓至設計的孔隙率,當第2層震動碾壓完成后,將鋼筋穿過筒壁兩側圓孔埋入堆石料,并保證第4層震動碾壓完成后,每次試驗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計所需的上覆壓力,壓力穩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顯器。(3)啟動電機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)試驗結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試驗結果的分析2.1拉拔力試驗結果鋼筋與堆石料界面摩擦特性可通過剪應力-拉拔位移關系曲線來反映。對所拍攝的視頻進行數據處理,將拉拔力除以鋼筋長度和直徑換算為剪應力,整理后發現所得剪應力-位移曲線規律均相似,以400kPa上覆壓力下的平均線堆石料拉拔試驗為例(見圖2)。剪應力-位移曲線呈明顯的非線性關系,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、孔隙率、級配的因素鋼筋與堆石料的相互作用機理較為復雜,既與堆石料上覆壓力、含水狀態、孔隙率、級配有關,也與鋼筋直徑、彈性模量和拉拔速率等有關,現對上覆壓力、含水狀態、孔隙率、級配這4種因素進行分析。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力-位移曲線,堆石料為風干狀態,孔隙率均為20%。由圖可知隨著上覆壓力的增加,峰值剪應力和殘余剪應力也逐漸增加,但殘余剪應力規律性不如峰值剪應力明顯。圖5為平均線和上包線的峰值剪應力-位移曲線,圖6為平均線和上包線的峰值剪應力-上覆壓力曲線。由圖5可知平均線和上包線的峰值剪應力-上覆壓力曲線近似呈正比線性關系,上覆壓力對試驗結果的影響較大;由圖6可知峰值剪應力對應的位移呈非線性關系,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,較小的位移就能達到剪切破壞。2.2.3剪應力-位移曲線孔隙率越小,堆石料剪脹效應越明顯,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力-位移曲線,堆石料均為風干狀態,上覆壓力均為50kPa。由圖可知堆石料孔隙率越小,峰值剪應力和殘余剪應力越大。分析峰值剪應力、峰值位移和孔隙率三者之間的關系(見圖9和10),可知孔隙率越小,峰值剪應力對應的位移越小,峰值剪應力-位移曲線和峰值剪應力-孔隙率均近似反比線性分布,孔隙率對試驗結果的影響較大。3拉拔試驗結果分析通過開展拉拔試驗研究分析了鋼筋與堆石料的摩擦特性。初步結論與建議如下:(1)拉拔試驗過程中剪應力的增長階段為堆石料的剪脹過程,超過峰值剪應力后,剪應力逐漸衰減進入殘余剪應力階段。剪應力-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,殘余剪應力數值不穩定。(2)堆石料的上覆壓力、孔隙率、級配和含水狀態均對拉拔試驗的剪應力-拉拔位移有影響,其中上覆壓力、孔隙率和含水狀態對試驗結果的影響較大,級配對試驗結果的影響較小。上覆壓力與拉拔位移曲線類似于線性正比關系;孔隙率和拉拔位移類似于線性反比關系;級配平均線的峰值剪應力-拉拔位移均高于級配上包線的;飽和含水狀態的剪應力-拉拔位移曲線遠低于風干狀態的。(3)后續可補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,充實堆石料的上覆壓力、級配和含水狀態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研究[J].水利水運工程學報,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,進入了殘余剪應力階段,這是由于堆石料孔隙率為20%,對鋼筋包裹緊密,拉拔過程上升段實際也是堆石料的剪脹過程,超過峰值剪應力后即堆石料剪切破壞后,剪脹效應大幅降低。再觀察殘余剪應力曲線,發現雖然整體數值呈緩慢下降趨勢,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剪應力-位移關系本次試驗還分別進行了堆石料上包線和平均線的拉拔試驗,研究不同級配對試驗結果的影響。上包線中粒徑小于5mm的細顆粒含量比平均線高5.2%,細顆粒含量越高,顆粒之間的咬合力和摩擦力越低,鋼筋剪應力也應越低。圖7為平均線和上包線剪應力-位移曲線,對比分析可知平均線的峰值剪應力要高于上包線,但兩者的殘余剪應力數值接近。再結合圖5和6可知上覆壓力大于200kPa時,平均線的峰值剪應力數值均近似高于上包線的1.04倍,因此可認為級配對試驗結果影響較小;在相同上覆壓力作用下,平均線的峰值剪應力對應的拉拔位移大多小于上包線的,這表明細顆粒含量越高的級配組成,越晚達到峰值剪應力。2.2.4飽和水溶液中的水堆石料在非飽和狀態時,由于受到震動碾壓作用,含水量不易控制,所以本試驗僅對風干和飽和狀態進行研究。根據土力學原理,堆石料在飽和狀態時,孔隙里充滿了水,相