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水 利 学 报

２０２４年 ９月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ９期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０９ － １０３３ － １２

碾压混凝土分层碾压离散元模拟及施工成层细观机理研究

刘东海，马子茹，孙龙飞

（天津大学 水利工程智能建设与运维全国重点实验室，天津 ３００３５０）

摘要：碾压混凝土（ＲＣＣ）坝特有的大仓面分层碾压工艺带来的层间结合质量问题，是影响其安全运行的重要因
素。从施工控制的角度分析 ＲＣＣ施工成层机理，进而合理调整碾压参数，可有效保证大坝的 施 工 质 量。首 先，
通过 ＲＣＣ分层碾压试验，分析了碾压过程中含层面 ＲＣＣ的沉降规律、压实度及抗剪强度，为后续离散元模拟提
供了基础；然后，建立并验证了 ＲＣＣ双层碾压与抗剪试验离散元模型；最后，给出了表征层间结合质量的骨料
嵌入值指标，进而从孔隙率、层间骨料嵌入、层面应力分布、层间抗剪强度等方面分析了 ＲＣＣ施工成层的细观
机理。结果表明：碾压参数对 ＲＣＣ的嵌入值、压实特性、层面应力和层间结合质量均有一定影响；嵌入值是影
响层间抗剪强度的重要因素，二者呈线性相关，嵌入值每增加 １ｍｍ，模拟抗剪强度约增加 １．５８３ＭＰａ；激振力的
增加以及行进速度、碾压厚度的减小均有利于提高层间结合质量，且碾压厚度是影响层间结合质量的最敏感参
数。研究结果可为施工中 ＲＣＣ层间结合质量控制标准的制定提供理论依据。
关键词：碾压混凝土坝；施工成层；细观机理；层间结合质量；碾压参数；离散元模拟；碾压试验
文献标识码：Ａ
中图分类号：ＴＶ５４１．１ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４００３８

１ 研究背景

碾压混凝土（ＲｏｌｌｅｒＣｏｍｐａｃｔｅｄＣｏｎｃｒｅｔｅ，ＲＣＣ）坝的通仓薄层摊铺和分层碾压等施工工艺，使其施
工层面众多 ［１ － ３］ 。因此，施工层面处的结合质量是保证 ＲＣＣ坝质量安全的关键，若处理不好会直接影
响到大坝的结构强度、渗流稳定和安全运行 ［４］ 。ＲＣＣ坝的层间结合质量主要受坝料特性、施工工艺和
仓面环境温度等因素的影响 ［５ － ７］ ，在坝料配比设计确定的条件下，现场碾压工艺成为影响层间结合质
量的主要因素 ［８ － ９］ 。为保证层间结合质量，需从施工控制角度研究 ＲＣＣ的施工成层细观机理，分析不
同碾压参数对层间结合质量的影响规律，进而在现场施工环境多变的情况下合理调整碾压参数。
目前，已有较多学者研究了 ＲＣＣ层间结合质量的影响及其机理。Ｌｉｕ等 ［１０］ 通过试验分析了不同层
间间隔时间和层面处理措施对碾压混凝土抗渗性能及抗剪性能的影响；许文彬等 ［１１］ 研究了不同风速对
混凝土含水率及层间劈裂抗拉强度的影响，并建立了层间劈拉强度与含水率的函数关系；王凯 ［１２］ 通过
模拟现场碾压混凝土施工扰动，研究了施工扰动对层间结合质量的影响；Ｃｈｕｎ等 ［１３］ 通过建立三维有
［１４］
限元模型，模拟了不同的层间结合条件对层间结合质量的影响；Ｘｉａ 等从细观角度阐述了碾压混凝
土层间黏结机理，首次建立了层间骨料埋入深度与层间黏结质量之间的定量关系。当前有关 ＲＣＣ施工
成层机理的研究多针对材料本体的压实过程分析，尚需进一步从细观角度，从层间骨料嵌入、压实特
性、层面应力变化、层间结合强度等方面对施工成层机理进行研究。
因此，本文采用宏观碾压试验和细观离散元模拟相结合的方法，对 ＲＣＣ的施工成层细观机理开展
研究。首先，基于开发的 ＲＣＣ碾压施工模拟试验装置，研究碾压过程中含层面 ＲＣＣ的沉降规律、压

收稿日期：２０２４ － ０１ － ２０；网络首发日期：２０２４ － ０９ － ０５
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｌｉｎｋ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｄｏｉ?１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４００３８
基金项目：国家自然科学基金面上项目（５２２７９１３６）
作者简介：刘东海（ １９７４ － ），教授，博士生导师，主要从事大型工程仿真与优化、数字化施工与质量实时评估等研究。Ｅ － ｍａｉｌ：
ｌｉｕｄｈ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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