大坝观测中测点处混凝土的应变重分布.pdf

规划设计与施 工 大坝观测中测点处混凝土的应变重分布 陈灿 明1 l z 黄 卫 兰 z 唐崇钊 1 I 2 张大伟 ( 1 ． 南京水利科学研究院，江苏 南京2 1 0 0 2 9 ； 2 ． 水利部水科学与水工程重点实验 室，江苏 南京 2 1 0 0 2 9 ) 摘要：用湿筛法剔除混凝土部分粗骨料 ，湿筛后混凝土徐 变增加 ，弹模有所降低 ，因而大坝应 变观测中测点局部位置混凝土与周围原级配混凝土之 间成为非均质变形特征 的粘 一弹性联体 ，将 引起应变和应力的重分布 ( 或调整 )，实测应变可能不能真 实反映原级 配混凝土的应 变。本文首 先讨论 了混凝土徐变和弹性模量湿筛前、后 关系的现有试验成果及其量值 变化，再以大平 面体 内 嵌入一个异性 圆核 为模型 ，分析 两种非均质线粘 一弹性联体 圆内 ( 应变测点位置 )的应变重分 布，并提 出作应力应 变分析时应依据灰浆率比和弹性模量比对应 变观测值作相应的调整或修正。 关键词：湿筛混凝土；徐 变比；应变重分布 S t r a i n Re ． di s t r i bu t i o n ne a r M e a s ur i ng Po i n t i n Da m 0bs e r v a t i o n CHEN Ca n mi n gI HUANG Wei lan ’ ， T ANG Ch on g z h a o ’ ，0 ZHANG Da we i ’ ， ( 1 ． N a n j i n g H y d r a u l ic R e s e a r c h I n s t it u t e ， J i a n g s u N a n j i n g 2 1 0 0 2 9 ； 2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f H y d r o l o g y - Wa t e r Re c o u r s e s a n d H y d r a u l i c E n g i n e e r i n g ， J a i n g s u N a n j i n g 2 1 0 0 2 9 ) Ab s t r a c t ：I n d a m o b s e r v a t i o n， c o a r s e a g g r e g a t e i s s i e v e d o u t n e a r me a s u r i n g p o i n t ． W h e n c o a r s e a g g r e g a t e i s r e mov e d b y we t s i e v i n g ， c o n c r e t e c r e e p i n c r e a s e s wh i l e e l a s t i c mo d u l u s d e c r e a s e s ．I n t h i s c a s e ， i t i s a s s u me d a s n o n — h o mo g e ne o us v i s c o e l a s t i c c o mp o u n d a n d i t c a us e s s t r a i n a nd s t r e s s r e ． d i s t r i b u t i o n ．Th e r e f o r e ， t h e o b s e r ve d v a l u e c a n n o t r e s p o ns e t h e s t r a i n o f t h e d a m． I n t h i s pa p e r , t h e p r e s e n t o u t c o me s o f c o n c r e t e c r e e p a n d e l a s t i c mo d u l u s be f o r e a n d a f t e r we t s i e v i ng a r e di s c u s s e d． Th e n， a mo d e l ，a p e l l e t i s e mb e d de d i n t h e b i g pl a n e ，i s e s t a b l i s h e d t o a n a l yz e t h e s t r a i n r e — d i s t r i b u t i o n i n n o n — h o mo g e n e o u s v i s c o e l a s t i c c o mp o u n d． I t i s p o i n t e d o u t t h a t t h e me a s u r e d v a l u e s h o u l d b e a d j u s t e d a n d r e v i s e d a c c o r d i n g t o m o r t a r r a t e a n d e l a s t i c mo d u l u s r a t i o i n s t r e s s a n d s t r a i n a na l y s i s ． Ke y WO r d s ：c o n c r e t e ； c r e e p r a t i o ； s t r a i n r e ． d i s t r i b u t i o n 中图分类号：T V6 9 8 ． 1 + 1 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 3 - 8 2 4 1 ( 2 0 1 0 ) 0 5 - 0 0 4 1 — 0 5 一 、引 言 混凝 土大坝观测 埋设 的应变计和 无应力计 ， 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 2 — 1 2 作者简介：陈灿明 ( 1 9 6 2 - )，男，高级工程师。 可 以获得测 点混凝土 的非应力应变和应力应变； 通过混凝土徐变试验提供的弹性模量 E和徐变度 C、或徐变 系数 可将应力应变转换为混凝土的 观测应力。在这一转换计算 中，为取得较为接近 实际的结果，不但涉及 到徐变测试的方法、计算 参数 的取值 、转换计 算的基本方程 与方程形式， 41 中国水能及 电气化 2 0 1 0 ． 5 还应注 意测点混凝士与周边混凝上变形特征的差 异及与之相关的计算偏差。 大 坝 混 凝 土 徐 变 测 试 常 用 试 件 丰 要 为 2 0 c m6 0 c m 的 圆 柱 体 ， 亦 有 1 5 c m4 5 c m 圆柱试件。因原级配混凝上含有粒径较大 的粗骨 料，成型时需将大于试件直径 l ／ 4～ 1 ／ 5的粗骨 料剔除。用这种试件进行加载测试得到湿筛小试 件混凝 土弹性模 量和徐变度 ( 或徐变系数 ) ，记 以 E 、C ( 或 ) 。计算混凝 土的观测 应力 时，不宜直接采用 E 、C ( 或 ) ，还应采用 经验取值法换算得到原级配混凝 卜的徐变特征参 数 E、C( 或 ) 。 用作应变观测的传感器有 DI 一 2 5 和 D I — l 0 两种 型号应变计。 埋设DI ． 2 5 型应变计( 或应变计组) 时， 在测点位置的 定范围需将大于 8 c m的骨料剔除 埋设 D I 一 1 0型应变计时需剔除 3 c m 以上的粗骨料。 测点范围内混凝土与周边混凝上 的弹性模量和徐 变度 ( 或徐变 系数 )存在的差异，可在一定范 围 内出现应力和变形的重新调整，用 出现偏差 的应 变与原级配混凝土的徐变参数推算观测应力 显然 存在偏差。本文依据室内试验的有关结果讨论发 生应变重分布的条件和数量变化。 二、室内试验湿筛混凝土与原级配混凝 土徐变和弹性模量 大坝混凝士粗骨料粒径可达 1 5 c m，常规徐变 试验需要将粒 径大于 4 c m的骨料用湿筛法 剔除。 湿筛后二级配混凝士的荻浆率 1 1 将 高于原级配混 凝土的灰浆率 n 。因徐变主要取决于混凝 }巾的灰 浆体，湿筛二级配混凝土的徐变度 C ～ 也 灰浆率 的提高而大于原级配混凝土的徐变度 c。据 国内 外有关学者的试验结果，认为徐变变形与灰浆率 42 基本成正比关系，可用下面的关系式表示 C／ C m = 式 中 ： C、T 1 一原级 配混凝土 的徐变 度和灰 浆率 ； C 、T 1 一湿筛后二级配混凝 土的徐变度和灰 浆率； B一比例系数 ，与骨料级配、工艺等有关的试 验 常数 。 国内早期 ( 北京水科院)的试验结果为：混 凝土原级配与湿筛后混凝土的灰浆率之 比在 0 ． 6 2 ～ 0 ． 8 7范 围， 比 例 系 数 B = 0 ． 8 2～ 1 ． 1 6 ， 平 均 = 0 ． 9 8 。美、 日有关 学者得到 的试 验结果为 B= O ． 9 3～ 1 ． 0 7 。公式 ( 1 )可以用一个刚性模型 和一个流变模型串联的组合体变形描述 ，这时假 设流变体 的变形与相对体积成正比。在统计意义 上因比例系数 p接近 于 1 ，在未作对 比性测试的 情况下，可用下面公式推算原级配混凝土的徐变 C =2C ( 2 ) 式中 ： 九一灰浆率比值或徐变度比值，入 = ／ T 1 。 二 滩 拱 坝 曾 用 尺 寸 4 5 c m9 0 c m 和 2 0 c m6 0 c m两 种 圆 柱体 试件 进行 徐 变和 弹 性模 量的对 比测 试 ，两种试 件混凝 土的徐变 比 C士 ／ c 和弹模 E^／ E小 列于表 1 。 经 测 试， 四组 结 果 的 平均 值 为： B= 1 ． 0 3 、 ^／ 小 = 0 ． 7 0 、E^ ／ E小= 1 ． 0 4 。 据 称 中 国水 电 科 学研究 院的结果为 E ／ E = 1 ． 0 3～ 1 ． 0 9 ，美 国胡佛坝的结果为 E． ／ E = 1 ． 0 5～ 1 ． 0 9 。 表 2列有溪洛渡水 电站大体积混凝土的弹模 与徐变测试结果相对值 。徐变对比测试的试件尺 寸 为 4 5 c m9 0 c m 和 2 0 c m6 0 c m， 弹 模 对 表1 二滩拱坝混凝土徐变和弹模对 比测试结果 混凝_ [ 加载 荻浆牢比 徐变 比 比例 系数 13 弹模 t L n 徐 变系数 比 编 号 龄期 n k ／r l 十 C ^／ c E ^／ E ^／ 巾十 2 8 d 0 ． 6 6 1 ． O 2 1 ． O 2 0 ． 6 7 I ( 正 岩骨料 ) O ．6 5 l 8 0 d O ． 6 7 1 ． O 3 1 ． 0 5 0． 7 0 2 8 d O ． 7 O 1 ． 0 6 1 ． 0 4 0 ． 7 3 I I( 玄武岩骨料 ) O ．6 6 1 8 0 d O 6 6 1 ． O 0 1 ． 0 4 0． 6 9 规划设计与施工 表2溪洛度水 电站大体积 混凝 土徐 变和弹模对 比测试结果 混凝土 骨料特性 灰浆率 比 加载龄期 徐变 比 弹模 比 编号 r t ★ ／n ( d ) C ／ c E ／ E ^／巾 粗 ：玄武 7 0 ． 7 3 } } I 0 ． 7 2 2 8 0 ． 7 1 1 ． 2 0 0 ． 8 5 细 ：灰岩 9 0 | 1 ．1 0 { 粗 ：灰岩 7 0 ． 6 6 { f I I 0 ． 6 5 2 8 0 ． 9 7 1 ． 2 0 0 ． 8 0 细 ：灰岩 9 0 } 1 ．1 0 f 比测试 的试件尺寸为 4 5 c m9 0 c m和 1 5 c mx 3 0 c m。该测试 得到 的徐变 比系数 B值接近 于 1 ， 弹模比值 E + ／ E 较前结果有较大提高。碾压混凝 土试验得到的徐变 比系数 B也在 1 左右。 从 国内几个 大坝工程混凝土 ( 常态混凝土和 碾压混凝土)的试验结果看 ，原级配混凝土与湿 筛后二级配试件混凝土 的徐变 比和 弹性模量 比之 常见范围大致如下： 原级配混凝土与观测应变传感器埋设位置混 凝土灰浆率比值 入应不小于 0 ． 7 0 。 北京水科 院惠荣 炎等 曾导 出一个推算公式 ， 由湿 筛 后 混 凝 土 的弹 模 测 值 、 灰 浆 率 比值 入=r l ／r 1 和粗骨料弹 模 E 。 推算原级配混凝土 弹 模 E ，公式如下 A ) E ／ E ㈩ +( 1 一 推导该公式时，设原级配混凝土试件的变 形 用两个弹性模型 ( E 和 E 。 )串联的变形描述 ，其 单位 变形与 两个弹 性模 型单位 变 形 的相对 体 积 v ／ v、v ／ v成 比例 。该公式推算值与实际试验结 果相差较大，说 明原级配混凝土部分粗骨料筛 除 引起 的弹性模量变化既有材料 ( E 。 、E 、 )和试 验技术 ( 试件形状尺寸、成型方 向、振捣)因素 ， 还有粗骨料表面的泌水弱层和材料 分布不均匀等 缺陷因素影 响。在没有弹模对 比测试资料 时，比 值 n = E ／ E 可取 1 ． 0 5 。因 入 ≠ 1 ，原级配混凝 土 与湿筛混凝土之 间的变形特征不符合 比例变形条 件，两者的松弛系数不相等，即 k≠ k m 。 三、混凝土变形特性变化对测点 应变和应力的影响 在坝体 内部埋设应变计，将应变测点一定范 围混凝土 内部分粗骨料剔除， 由此 引起该处混凝 土徐变增大、弹模有所变小，成为局部性非均质 弹一粘性联体，测 点的应力和变形也将异于周边 远处的应力与变形。 为使 问题 的讨 论变 得 简单 ，将测 点 附近 剔 除部分 粗骨 料 的部位简化 为 一个 圆核 ，圆核 和 圆外 材料 的弹模 和 徐变 系 数分 别 记为 E 、 和 E、 ，研 究这 一非 均质 线 弹 一粘性 平面 联 体的应力和变 形。 设圆周和远处外边 界受 刚性约束，当物体产 生一个均匀应变 e 时，圆内和圆外应力为 () -， =() -口 =一 E O E K／ ( 1 一／2 ) O -n n = =一 0 E K ／ ( 1 一 ) ( 5 ) 式 中 K、K m 一为圆外混凝土松弛系数和圆 内混凝土松弛系数； o 、o 一圆周外混凝土的径 向应力和环 向应 力，以拉为正； o 、o 一圆周内混凝土径 向应力和环向应 力； e 一应变，膨胀为正。 因 圆周外 原级 配混凝 土 与 圆周 内剔 除 部分 粗 骨料混凝土 的弹模 ( E 、E )和松弛系数 ( K、 K )不同，在两种材料联结面上 ( r= a )存在不 m 平衡面力，圆内和圆周附近一定范 围将发生应力 r _ 0 J C E 兄 n 中国水能及电气化 2 0 1 0 ． 5 和位移调整。设作用在 圆周 内的调整面力为 q ， 作用在圆外混凝土的调整面力为 q ，q 和 q的方 向以指向圆心为正向。由应变 e 。 及面力 q 、q 产 生的应力如下： = =一 E K ／ ( 1 一 ) 一q~ o E K ／ U q ( 6 ) 一 一 一 ( 6 ) ( ) - =一 c o E K／ ( 1 一 ∥ ) +g ／ r () - W-- - 一 C o E K／ ( 1 一 ) 一q a ／ r ( 7 ) ( 8) 式中：a一圆的半径； r 一计算点到圆心的距离。 在联接两种介质的界面上 ( r= a )径 向应力 相等， 0 = o r ，将式 ( 6 )和式 ( 7 )代入上面 的相等条件，得平衡方程如下： q+q =E o ( E K—E K ) ／ ( 1 一 ) ( 9 ) 由面力 q和 q 作用产生的位移可用下面的积 分型 方程表示 ： 联合求解方程 ( 9 )和方程 ( 1 2 ) ，得到 q= 。 ( E K-E m K,． )( 1 3 ， g ： ( E KE o (- E ,． K m ) ( 1 4 ) 高 4 式中 = ／ 。 将 式 ( 1 3 ) 、式 ( 1 4 )代入式 ( 1 1 ) ，消去 q 、 q 得到应变计埋设位置 ( 圆内)的位移 u 和调整 应变 △e ，结果如 F： ： d r ) 1 0 甜 = c 5 ， = 一 (1 一 ) (g ／ E + Jg ( ) 一 ， 十 L 一 式中 为徐变方程的积分核，其形式与变荷 载 ( 或应力)下的徐变计算法有关； U 、U 表示径 向位移， 指向圆外为正。据有关文献， 对于由 m 荷载 q、 q 一产生的调整应力和位移计算，采用有效模量法方 程式可以避开积分方程 ( 组)的求解而又有较好 的 计算精度。该方法的位移方程用下式表示： =一 ( 1 +∥ ) q ／ r E U =一 ( 1 一p ) r q ／ E m ( 1 1 ) 式 中 和 称 为 有 效 模 量， 其 值 为 E：E／ ( 1 + ) ，E =E ／ 0+ ) 。 由 位 移 连 续 条 件 ， f ～= l ， ： ， 得 ( 1 +1 ．t ) q ／ E=( 1 一t2 ) q ／ ( 1 2 ) = c n K- K~ 式中 u 负号表示方 向指 向圆心；△ e 负号 表示压缩应变， △e ／e 。 为仪与材料变形特性 有关的调整应变相对值。 下面举 例说 明传感 器埋设位 置处 的应变调 整， 设 = O ． 8 、1 ． 0 、1 ． 2 ， 可 复 徐 变 系 数 取 m y= q b = O ． 1 5 ，灰 浆 率 比 九= 0 ． 7 、0 ． 8 ，弹模 比 n = 1 ． 0 5 、1 ． 1 0 ，混 凝 土松 弛 系 数 K 可用 下 面 的近 似公式计算： 1 ：— 一 一 ( 一 ( 1 7 ) l + 表 3所列为测点混凝 七压缩应变增加的相对 值，说 明剔 除了部分粗骨料致使弹性模量下 降和 徐变增加后，应变计 的观测值不能代表远处原级 规划设计与施工 配混凝土的应变值，应作应变修正。 四、结论 用湿筛法剔 除混凝土中部分粗骨料可使徐变 变 形 增加 、弹 性 模量 有 所 下 降。大 坝 观 测 中埋 设 应变计 时需将部分粗骨料剔除，这使应变计所在 部位混凝土 的变形特性与周 围混凝土 的变形特性 出现差异，而两者之间的关系不符合 比例变形条 件 ，局部将发生应力应变重新调整，采用原级配 混凝土 的变形参数和应变测值计算观测应力的做 法存在一定 的偏差 。本文采用大平面体中嵌入一 个 圆核作 为计算模 型，讨论两种非均质线粘 一弹 性组合体的应力应变调整 ( 重分布 ) ，给出应变调 整 相 对 值 与 两种 粘 一弹 性 体 参数 之 间 的关 系 。在 计算大坝混凝土 的观测应力时，应依据 原级配混 凝土与测点混凝土之 间弹 比 n和徐变度 比 九对应变测值作相应修 0 表3 传感器埋设位置应变调整值 △ e ／￡ 。 灰浆率比 弹模比 徐变系数 中 初始值 0 ． 8 1 ． O 1 ． 2 △ ￡ ／。 0 1 ． O 5 O ． 1 2 8 O ．1 4 3 O ． 1 5 4 0 ． 0 2 8 O ． 7 1 ． 1 0 O ． 1 3 7 O ． 1 4 8 0 ． 1 5 4 0 ． 05 5 1 ． O 5 0 ． 0 8 5 0 ． 0 9 3 0 ． 0 9 8 0 ． 02 8 0 ． 8 1 ． 1 O 0 ． 0 9 2 0 ． 0 9 5 0 ． 0 9 6 0 ． 0 5 5 参考文献 ： [ 1 ] 储海宁． 混凝土坝 内部观测技术 [ M] ． 水 利 电力出版社， 1 9 8 9 ． [ 2 ] 惠荣炎， 黄 国兴， 易冰茗． 混凝土 的徐变 [ M] ， 中国铁道出版社， 1 9 8 8 ． [ 3 ] 李承木． 二滩拱坝原级配混凝土徐变试验 研究 [ J ] ． 水利水电科技进展， 2 0 0 0 ． [ 4 ] 李光伟， 杨忠义， 杨代六． 高拱坝全级配大 体积混凝土力学特性试验研究[ J ] ． 2 0 0 3 年1 2 Y J ， 第 2 5 卷第6 期． [ 5 ] 李光伟． 长期荷载下的碾压混凝土变形特 性 [ J ] ． 水电站设计， 1 9 9 7 ． [ 6 ] 水利 电力科学研究院结构材料研究所． 大 体积混凝土 [ M] ． 北京 ： 水利电力出版社， 1 9 9 0 ． [ 7 ] 陈灿明等． 大跨径桥用高强度混凝土强度 与弹性模量相关性 的试验研究报告 [ R ] ． 南京水利 科学研究院， 2 0 0 9 ． [ 8 ] 唐 崇钊 ． 用 松弛代数法解粘 弹性体结构 的应 力 [ J ] ． 力学学报 ， 科 学出版社， 1 9 8 2 ． [ 9 ] 唐崇钊． 混凝土 的徐变力学与试验技术 [ M] ． 水利 电力出版社， 1 9 8 2 ． 3 0 0 亿投资加快新疆电力发展 2 0 l O 年，新疆新华水 电投资有限公司将陆续在新疆完成3 0 0 多亿元投资，建设3 0 个 电源项 目，为新 疆发展工业经济、改善群众生活条件提供进一步的电力保障。3 0 个电源项 目规划总装机约3 7 0 万千瓦， 目前位于喀什地区叶尔羌河领域的阿尔塔什等水 电项 目已经开始了前期工作。 新疆新华水电投资股份有限公司总经理尹保卫： “ 阿尔塔什水电站装机6 0 万千瓦，投资约8 0 个亿， 将进一步改善当地的用水条件 。”新疆新华水 电投资有限公司 自2 0 0 4 年进入新疆 以来，在水电、风电等 洁净可再生能源开发建设方面 ，得到了快速发展。目前涉及阿勒泰、巴州、和田等六地州的塔尕克、哈 尔莫墩等5 座水电站已经投产 ，年发电量达1 0 亿千瓦时。而总投资6 O 亿元的波波娜 、冲乎尔等8 座水电站 也正在加紧进行。新疆新华水 电投资股份有限公司总经济师文晓东： “ 目前 已经投资的项 目大概有近百 亿，中央关于新疆的工作会议马上要召开了，我们要抓好这个机遇，进一步为新疆的社会经济发展做好 能源先行，搞好水电开发项 目。” ( 据天山网)