漿砌石壩砌石體種類的相容性分析

漿砌石壩砌石體種類的相容性分析

1按塊石石體種類劃分的ws根據(jù)sl25-91的設(shè)計(jì)規(guī)范，石材樁分為三類：碎屑、塊石和粗料石，并在表5.2.5-1中顯示不同類型石材的允許壓力值。設(shè)計(jì)師根據(jù)不同的允許壓力損失分析水庫的底板，以確保水庫的安全、經(jīng)濟(jì)和合理。但在實(shí)際工作中,往往碰到筑壩石料在開采過程后并非完全毛石,一部分石料未經(jīng)加工已具備塊石形狀,有的石料上下面有一定起伏但大致平整,無尖角,塊厚大于15cm,近似塊石形狀或已經(jīng)是方方正正的塊石,并在數(shù)量上占有一定的比例,為將這些石料筑壩,按毛石砌石體種類劃分,砌石體的容許壓應(yīng)力同毛石砌石體種類,無形中提高了工程造價,很不經(jīng)濟(jì)合理,如按塊石砌石體種類選取容許壓應(yīng)力,恐大壩不安全可靠。為了使大壩經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠,設(shè)計(jì)工作者迫切希望提供介于毛石和塊石之間的砌石體的容許壓應(yīng)力值。2結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)驗(yàn)證砌石體是由相對強(qiáng)度相差較大的石料和膠凝材料砌筑而成的多相復(fù)合體,并受多種施工因素影響,非均值程度大。應(yīng)該說砌石壩壩身的應(yīng)力分布要比混凝土壩復(fù)雜。但規(guī)范編制說明第5.2.1條介紹了原水利電力部大壩觀測資料及四川長沙壩漿砌條石拱壩原型觀測成果與廣西板峽砌石壩施工期原型觀測成果分析,都認(rèn)為砌石壩的應(yīng)力分布符合混凝土壩應(yīng)力分布的一般規(guī)律。規(guī)范5.2.2條明確了一般砌石壩的應(yīng)力分析宜以拱梁分載法計(jì)算成果作為衡量強(qiáng)度安全的標(biāo)準(zhǔn),只是對2級或情況比較復(fù)雜的漿砌石拱壩除用拱梁分載法計(jì)算外,必要時應(yīng)用有限元驗(yàn)算或作結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)加以驗(yàn)證。第5.2.5條規(guī)定拱梁分載法計(jì)算時的壩體應(yīng)力控制指標(biāo)應(yīng)符合漿砌石體容許壓應(yīng)力的安全系數(shù),對于基本荷載組合采用3.5;對于特殊荷載組合采用3.0。當(dāng)無試驗(yàn)資料時可參考規(guī)范表5.2.5-1值選用,此表所列漿砌石壩的容許壓應(yīng)力σp來源于下式:σp=1.25fcc÷K(1)式中:fcc——漿砌石體軸心極限抗壓強(qiáng)度,MPa,可從規(guī)范附表1.2中查得;K——安全系數(shù);1.25——軸心受壓換算為彎曲受壓系數(shù)。安全系數(shù)K的取值基本荷載組合為3.5,特殊荷載組合為3.0。對照規(guī)范表5.2.5-1所列容許壓應(yīng)力值,有關(guān)專家曾對36個工程實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核,其中小橋等18個工程砌石拱壩計(jì)算壓應(yīng)力均小于規(guī)范的容許值。流清河等18個工程砌石拱壩計(jì)算最大壓應(yīng)力接近或超過規(guī)范容許值。但這些工程均運(yùn)行多年,并未出現(xiàn)問題。經(jīng)研究認(rèn)為除采用合理的溫度荷載公式外,主要原因是已建工程的計(jì)算最大壓應(yīng)力偏低,未能充分發(fā)揮砌石體抗壓強(qiáng)度高的優(yōu)勢。70年代中期以來,研究工作者開展了對砌石體力學(xué)性能的試驗(yàn)研究工作,取得了一批很有價值的科研成果,規(guī)范附錄——漿砌石體主要力學(xué)指標(biāo)就是其中之一。前述公式(1)表明砌石體容許壓應(yīng)力值主要由砌石體抗壓強(qiáng)度來決定。故正確的選取砌石體的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)是非常重要的。3抗壓強(qiáng)度分析結(jié)果砌石體的軸心抗壓強(qiáng)度是試體在無側(cè)限條件下受軸向力作用破壞時單位面積所承受的荷載。70年代以來,進(jìn)行了不同尺寸、不同石料、不同膠凝材料及不同強(qiáng)度等級的砌石體的抗壓強(qiáng)度(變形)試驗(yàn),獲得了一批很有價值的成果,經(jīng)分析整理成《漿砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL25-91)附表1.1～1.2。對上述規(guī)范附表1.1、1.2結(jié)合收集到近年的砌石體的軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)資料進(jìn)行整理分析。已有砌石體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成果表明,在砌石體齡期,砌筑工藝,膠凝材料(包括強(qiáng)度等級),石料強(qiáng)度等級相同的情況下,所測得的抗壓強(qiáng)度仍有一定的差別,我們認(rèn)為與石料形狀有關(guān)。將砌石體所用石料的形狀,尺寸歸類,就會發(fā)現(xiàn)部分試體所用石料少部分為塊石,大部分為毛石,或大部分為塊石,少部分為毛石,故試驗(yàn)結(jié)果不同。經(jīng)統(tǒng)計(jì)整理,將所獲得的不同毛石(塊石)含量的砌石體抗壓強(qiáng)度、變形(彈性)模量與塊石砌石體抗壓強(qiáng)度之比值列于表1,并將不同比值進(jìn)行擬合成一直線(見圖1),其直線方程如下:方程式2式可計(jì)算出毛石所占不同比例的抗壓強(qiáng)度比值,而后計(jì)算出該砌石體的抗壓強(qiáng)度值。經(jīng)驗(yàn)算該方程合理,根據(jù)目前設(shè)計(jì)和施工中遇到的實(shí)際情況,我們計(jì)算出毛石占70%(塊石占30%)和毛石占30%(塊石占70%)兩檔砌石體種類的抗壓強(qiáng)度值見表2。將表中石料強(qiáng)度等級與砌石體抗壓強(qiáng)度值擬合繪制它們的關(guān)系曲線圖,建立了2次方程式,部分曲線圖見圖2。相對應(yīng)的方程式如下:根據(jù)所獲得關(guān)系曲線和方程對規(guī)范附表1.2進(jìn)行了復(fù)核,并對表中有誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行了更正,成果見表2。4砌石體一般特征特性和產(chǎn)品尺寸差異砌石體的容許壓應(yīng)力是關(guān)系到大壩安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)合理的一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。砌石體的容許壓應(yīng)力是根據(jù)砌石體軸心抗壓強(qiáng)度指標(biāo)經(jīng)公式(1)計(jì)算得來。當(dāng)確定了砌石體的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)后即可計(jì)算出砌石體容許壓應(yīng)力。根據(jù)表2計(jì)算出不同石料強(qiáng)度等級、不同膠凝材料(強(qiáng)度等級)和不同砌石體種類的砌石體的容許壓應(yīng)力,見表3。根據(jù)2003年啟動的該規(guī)范修訂大綱要求,增加了靠近毛石或毛石占70%(塊石占30%)和靠近塊石或塊石占70%(毛石占30%)兩檔砌石體種類的容許壓應(yīng)力值。同時將所獲得的成果擬合繪制關(guān)系曲線圖,建立了2次方程式,部分成果見圖3,其相對應(yīng)的方程式為:上述方程式是膠凝材料為混凝土C15的成果,其他膠凝材料的砌石體基本吻合,可參考使用。5變形模量的選擇砌石體變形(彈性)模量是水工建筑物設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要力學(xué)指標(biāo)?！镀鍪瘔卧O(shè)計(jì)規(guī)范》修訂大綱增加了靠近毛石或靠近塊石兩檔砌石體的抗壓強(qiáng)度,為了配套,同時相應(yīng)的增加了上述兩檔的變形(彈性)模量。由于砌石體是由多種材料構(gòu)成的復(fù)合體,非均值性程度大,具有分層異彈模(變模)的特點(diǎn),所以給變形(彈性)模量的選擇帶來一定的難度。通過已有的試驗(yàn)資料結(jié)合原《漿砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL25-91)規(guī)范附表1.1經(jīng)整理分析,修正,提出了砌石體變形模量和彈性模量成果表4。對表中成果進(jìn)行擬合,獲得關(guān)系曲線如圖4所示。相對應(yīng)的2次方程式為:毛石砌石體Ee=0.48+0.18x-6.48×10-4x2(13)毛石占70%砌石體Ee=-2.15×10-2+0.196x-5.36×10-4x2(14)毛石占30%砌石體Ee=0.52+0.17x-1.13×10-5x2(15)塊石砌石體Ee=0.51+0.17x+2.57×10-4x2(16)粗料石的變形(彈性)模量差異較大,沒有更多新的資料,故未作變動。表中成果與實(shí)測成果有不同程度的誤差,主要原因是試驗(yàn)的邊界條件,試驗(yàn)方法,測試技術(shù)等尚存在一些不夠完善的方面,又由于試驗(yàn)成果偏少有待今后補(bǔ)充。6充填材料為混凝土的減水劑的參數(shù)取值(1)對于毛石(塊石)不同含量的砌石體抗壓強(qiáng)度、容許壓應(yīng)力、變形模量、彈性模量可查閱成果表或繪制關(guān)系曲線圖查找,也可用方程進(jìn)行計(jì)算求得,無疑解決了設(shè)計(jì)工作者取值的方便和合理取值的問題。(2)表2和表4備注中均提出了膠凝材料為混凝土的毛石砌石體采用機(jī)械振搗和直接砌筑法時,fcc和Eo、Ee值可分別提高5%～10%和15%左右,這是通過已有試驗(yàn)資料確定的,相應(yīng)的毛石砌石體容許壓應(yīng)力也可相應(yīng)提高。對于其他