中国水利水电科学研究院学报（中英文）

沥青含量/%	最大粒径/mm	级配指数	粗骨料/%	细骨料/%	填料/%
6.7	19	0.35	22.4	17.6	13.9	35.1	11

沥青含量/%	最大粒径/mm	级配指数	粗骨料/%	细骨料/%	填料/%
6.7	19	0.35	22.4	17.6	13.9	35.1	11

固结比 K_c	围压 σ₃/MPa	最大动模量 E_d_max/MPa	最大动应力 σ_d_max/MPa	平均阻尼比 λ	最大动剪切模量 G_d_max/MPa	参考应变 γ_r	K	n
1.2	0.6	443.82	0.58	0.083	160.80	0.0018	2185.5633	0.3800
0.9	512.54	0.77	0.080	185.70	0.0021
1.2	578.26	0.89	0.078	209.51	0.0021
1.5	0.6	492.00	0.90	0.082	178.26	0.0025	2356.1558	0.3779
0.9	571.53	1.34	0.076	207.08	0.0032
1.2	639.57	1.63	0.073	231.73	0.0035
1.8	0.6	545.14	1.34	0.081	197.52	0.0034	2611.3419	0.3628
0.9	631.28	2.22	0.067	228.72	0.0049
1.2	701.07	2.52	0.065	254.01	0.0050

固结比 K_c	围压 σ₃/MPa	最大动模量 E_d_max/MPa	最大动应力 σ_d_max/MPa	平均阻尼比 λ	最大动剪切模量 G_d_max/MPa	参考应变 γ_r	K	n
1.2	0.6	443.82	0.58	0.083	160.80	0.0018	2185.5633	0.3800
0.9	512.54	0.77	0.080	185.70	0.0021
1.2	578.26	0.89	0.078	209.51	0.0021
1.5	0.6	492.00	0.90	0.082	178.26	0.0025	2356.1558	0.3779
0.9	571.53	1.34	0.076	207.08	0.0032
1.2	639.57	1.63	0.073	231.73	0.0035
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1.2	701.07	2.52	0.065	254.01	0.0050

固结比K_c	y（G_d/G_d_max）-x（γ_d/γ_r）拟合曲线	y（G_d/G_d_max）-x（γ_d/γ_r）总拟合曲线
1.2	y=-0.134ln（x）+0.5422	y=-0.147ln（x）+0.5327
1.5	y=-0.163ln（x）+0.5146
1.8	y=-0.141ln（x）+0.5433

固结比K_c	y（G_d/G_d_max）-x（γ_d/γ_r）拟合曲线	y（G_d/G_d_max）-x（γ_d/γ_r）总拟合曲线
1.2	y=-0.134ln（x）+0.5422	y=-0.147ln（x）+0.5327
1.5	y=-0.163ln（x）+0.5146
1.8	y=-0.141ln（x）+0.5433

碾压式沥青混凝土心墙动力特性试验研究

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高磊 ¹ , 张延亿 ² , 李泽发 ¹ , 邓刚 ² , 陈含 ² , 李增军 ¹

中国水利水电科学研究院学报（中英文） | 2026,24(3): 285-292

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中国水利水电科学研究院学报（中英文） | 2026 , 24 (3) : 285 -292

碾压式沥青混凝土心墙动力特性试验研究

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高磊¹, 张延亿², 李泽发¹, 邓刚², 陈含², 李增军¹

作者信息

¹新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆乌鲁木齐 830000

²中国水利水电科学研究院流域水循环与水安全全国重点试验室，北京 100038

通讯作者:

张延亿（1979—），博士，正高级工程师，主要从事岩土工程试验研究。E-mail：zhangyanyi@iwhr.com

Experimental study on dynamic properties of roller compacted asphalt concrete core wall

Lei GAO¹, Yanyi ZHANG², Zefa LI¹, Gang DENG², Han CHEN², Zengjun LI¹

Affiliations

¹Xinjiang Water Conservancy and Hydropower Survey Design Institute Limited Liability Company， Urumqi830000， China

²State Key Laboratory of Water Cycle and Water Security， China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing100038， China

出版时间: 2026-05-28 doi: 10.13244/j.cnki.jiwhr.20240253

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摘要

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为掌握依托工程沥青混凝土心墙动力特性指标，开展了设定温度、以固结比及围压为应力组合条件下的沥青混凝土动三轴试验，采用等效线性模型整理了沥青混凝土最大动模量、阻尼比和模量系数，分析了各指标的变化规律和影响因素。试验结果表明：最大动模量随着围压及固结比的增大而增大，阻尼比随着围压及固结比的增大而减小，模量系数K随着固结比的增大而增大，指数n随着固结比的增大而减小。此外建立了G_d/G_d_max与γ_d/γ_r的归一经验公式，可为类似工程的应用提供参考。

关键词

沥青混凝土 / 动力特性 / 动三轴试验 / 动模量 / 阻尼比

Abstract

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In order to master the dynamic characteristic index of asphalt concrete core wall， the dynamic characteristics of asphalt concrete core wall were taken as the research object. The dynamic triaxle test of asphalt concrete under the condition of setting temperature， consolidation ratio and confining pressure was carried out. The maximum dynamic modulus， damping ratio and modulus coefficient of asphalt concrete were sorted out by equivalent linear model， and the variation law and influencing factors of each index were analyzed. The test results show that the maximum dynamic modulus increases with the increase of confining pressure and consolidation ratio， the damping ratio decreases with the increase of confining pressure and consolidation ratio， the modulus coefficient K increases with the increase of consolidation ratio， and the exponent n decreases with the increase of consolidation ratio. In addition， the normalized empirical formulas of G_d/G_dmax and γ_d/γ_r were established， which can provide reference for the application of similar projects.

Key words

asphalt concrete / dynamic properties / dynamic triaxial test / dynamic modulus / damping ratio

引用本文

高磊, 张延亿, 李泽发, 邓刚, 陈含, 李增军. 碾压式沥青混凝土心墙动力特性试验研究. 中国水利水电科学研究院学报（中英文）, 2026 , 24 (3) : 285 -292 . DOI: 10.13244/j.cnki.jiwhr.20240253

Lei GAO, Yanyi ZHANG, Zefa LI, Gang DENG, Han CHEN, Zengjun LI. Experimental study on dynamic properties of roller compacted asphalt concrete core wall[J]. Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research, 2026 , 24 (3) : 285 -292 . DOI: 10.13244/j.cnki.jiwhr.20240253

正文

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1　研究背景

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碾压式沥青混凝土心墙坝以其卓越的防渗性能和对基础变形的强适应能力而著称^［1］。多年来，新疆地区沥青心墙土石坝的建设已取得显著成就^［2］，构建数量高达百余座，其中众多建筑物位于强震区^［3］，如已建成的大石门水库、石门水电站、五一水库、吉尔格勒德水库等，因此，为了进一步掌握碾压式沥青混凝土心墙的抗震性能，研究其动力特性是十分必要的。

根据目前已有的研究成果，沥青混凝土心墙动力特性研究取得了一定进展，如韩小柠等^［4-5］、孙龙^［6］及初伟^［7］采用克拉玛依70号沥青，谭凡等^［8-9］采用室温对沥青混凝土开展了不同试验温度（4℃~25.4℃）条件下动三轴试验，试验结果表明，沥青混凝土动模量随温度降低而增大，阻尼比随温度降低而减小；晋晓海^［10］、余梁蜀等^［11］采用克拉玛依70号沥青开展了不同油石比（6.3%~7.2%）条件下沥青混凝土的动三轴试验研究，研究结果表明，油石比的增大对沥青混凝土抵抗动荷载的能力有所提高；许光远等^［12］通过不同试验条件下的沥青混凝土动三轴试验，探讨了沥青混凝土的动强度特性；钟林^［13］针对动扭剪试验研究，探讨了不同条件下沥青混凝土动力性能的变化规律；龚涛^［14］通过开展大量残余变形试验，提出了适用于水工沥青混凝土的残余变形模型；李炎隆等^［15］构建了一种沥青混凝土心墙堆石坝地震可靠性分析模型，并证实了该模型的实用性。

已有研究从多种角度对沥青混凝土动力特性展开研究，但对于新疆地区特殊的气候和地质条件下，碾压式沥青混凝土心墙坝的动力特性研究尚不够深入且对于影响沥青混凝土动力特性的关键因素缺乏全面深入的理解。本文依托新疆某水利工程，选用克拉玛依90号沥青进行沥青混凝土配比设计，以工程区平均温度（4.8℃）作为试验温度，采用围压力和固结比试验应力工况组合，开展沥青混凝土动三轴试验，研究沥青混凝土心墙材料的动力特性指标。本项工作可为该工程的大坝地震易损性分析^［16］、抗震安全评价^［17］、地震动力响应分析^［18］及抗震设计^［19］等动力学计算提供参数支撑，研究获得的沥青混凝土参数指标变化规律和影响因素分析也可为水工沥青混凝土材料的类似研究提供借鉴。

2　试验简介

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2.1　工程概况

新疆某水利工程为Ⅱ等大（2）型工程。工程由碾压式沥青混凝土心墙土石坝、表孔溢洪洞、深孔泄洪洞、发电引水系统、厂房等建筑物组成。永久性主要建筑物大坝为沥青混凝土心墙坝，坝高94 m。年平均气温为4.8℃。坝址区左岸基岩为强蚀变闪长玢岩，呈块状～次块状结构，为坚硬岩，岩体透水率q≤3 Lu埋深约105 m。右岸基岩主要为绢云千枚岩，呈中厚层～薄层状结构，产状为NW65°∠70°，为中硬岩。透水率q≤3 Lu埋深约160 m。坝址区基岩50年超越概率10%的地震动峰值加速度为177.7 gal；场地地表50年超越概率10%的地震动峰值加速度为250 gal，100年超越概率5%的地震动峰值加速度为420 gal；场地的基本烈度为Ⅷ度。

2.2　配合比及试件制备

本次试验中沥青混凝土配合比采用工程设计配合比，配比用骨料为该工程区灰岩料场原岩经破碎加工并筛分后的人工骨料，填料为新疆万凯矿业开发有限公司生产的矿粉，沥青选用克拉玛依90号沥青。具体配比参数见表1。

沥青混凝土静三轴试验选用标准尺寸（Φ100 mm*200 mm）的试样进行，按照表1的配比参数通过称料、烘料、搅拌、击实、脱模等步骤进行样品制备，具体样品的制备过程遵循《水工沥青混凝土试验规程》（DL/T 5362—2018）^［20］的相关规定进行。

2.3　试验仪器

沥青混凝土动三轴试验采用可控温多功能三轴试验仪进行，该设备能够满足Φ100 mm*200 mm及Φ200 mm*400 mm两种尺寸样品的试验需求，自身具备温度控制功能（控温范围：-30℃~+80℃），能够满足本次试验研究需要。

2.4　试验方案

结合依托工程特点和本次试验目标选定了试验条件：试验温度取工程区当地年平均气温，即为4.8℃；根据依托工程坝体高度，周围压力为600、900及1200 kPa，固结比为1.2、1.5及1.8，动荷载按照不同围压力下轴向应力的比例分七级加载，试验选用动应力比（每级动应力与轴向应力的比值）为：0.02、0.03、0.06、0.12、0.24、0.48和0.96；依据已有研究成果^［6］及《水工沥青混凝土试验规程》（DL/T 5362—2018）的要求，试验动荷载波形选择为正弦波，频率为1 Hz；工程区震中烈度大致对应地震的震级为6级，根据已有研究^［21-22］地震震级和等效循环数的对应关系（6.5、7.0、7.5和8.0级时分别对应8、12、20和30次）及《水工沥青混凝土试验规程》（DL/T 5362—2018）的要求，选定本次试验循环次数为8次。

3　试验结果整理及分析

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3.1　试验结果整理

根据已有研究成果^［4，8］，沥青混凝土的动应力应变特征可以基于土体的动本构模型来研究，而目前已提出的动力本构模型主要分为三类，即黏弹性动力本构模型（双直线模型、等效线性模型（Hardin-Drnevich模型）、Ramberg-Osgood模型）、弹塑性动力本构模型和内时动力本构模型，因沥青混凝土是黏弹性材料，基本符合等效线性模型，类似试验研究及《水工沥青混凝土试验规程》（DL/T 5362—2018）中动弹模量与阻尼比试验成果均采用等效线性模型来整理。故本文采用等效线性模型来整理分析试验数据，计算出了沥青混凝土的最大动模量、最大动应力以及平均阻尼比等动力学参数，见表2。

3.2　试验结果分析

3.2.1　动弹模量分析

绘制不同固结比K_c下，不同围压σ₃下的动模量（E_d）—动应变（ε_d）的试验点及趋势关系曲线，见图1及图2。图示表明，随着动应变的逐步增加，动模量呈现出逐渐下降的趋势。以图1（a）为例，在固结比K_c=1.2，围压为0.6 MPa条件下，小动应变区间（1×10^-4~1.7×10^-4）内，随着动应变的增加，动模量的减小幅度约为55 MPa/10^-4，大动应变区间（1.7×10^-4~4×10^-4）内，动模量减小幅度降低为约24 MPa/10^-4；当围压为1.2 MPa时，小动应变区间（2×10^-4~6×10^-4）动模量的减小幅度约为25.0 MPa/10^-4，大动应变区间（6×10^-4~24×10^-4）动模量的减小幅度降低为约4.6 MPa/10^-4。其余试验条件下也反映出了类似的变化规律。这一现象不仅揭示了沥青混凝土在动态荷载作用下的力学响应特性，也反映出动应变的增加会导致材料内部结构的损伤累积，进而减弱其对动态荷载的抵抗能力。同时，研究还发现，当围压和固结比增加时，相同动应变条件下的动模量也随之增加。这一结果表明，通过提高围压和固结比，可以有效增强沥青混凝土对动态荷载的抵抗能力。

3.2.2　阻尼比分析

绘制不同固结比K_c下，不同围压下σ₃的阻尼比（λ_d）—动应变（ε_d）的试验点及趋势关系曲线，见图3及图4。可以看出，随着动应变的逐步增加，试样的阻尼比呈现出明显的上升趋势。以图3（a）为例，在固结比K_c=1.2，围压0.6 MPa条件下，小动应变区间（1×10^-4~2×10^-4）内，随着动应变的增加，阻尼比的增长幅度为0.002/10^-4~0.007/10^-4，中动应变区间（2×10^-4~3×10^-4）内，阻尼比增长幅度增大为约0.029/10^-4，大动应变区间（3×10^-4~3.1×10^-4）阻尼比的增长幅度减小为约0.012/10^-4；当围压为1.2 MPa时，小动应变区间（2×10^-4~4×10^-4）内，阻尼比的增长幅度为0.004/10^-4~0.006/10^-4，中动应变区间（4×10^-4~5×10^-4）阻尼比的增长幅度增大为约0.016/10^-4，大动应变区间（5×10^-4~6×10^-4）阻尼比的增长幅度减小为约0.002/10^-4。其余试验条件下也反映出了类似的变化规律。这表明动应变的增大，会导致试样对动态荷载的响应速度减缓，从而影响材料的动态稳定性。

3.2.3　围压对沥青混凝土动力特性的影响

分别绘制最大动弹模量E_d_max、平均阻尼比λ与围压σ₃的趋势关系曲线，并分别对最大动弹模量随围压的增长梯度及平均阻尼比随围压的减小梯度进行了标记，见图5。

图5（a）表明，相同的固结比条件下，沥青混凝土的最大动模量与围压之间呈线性正相关关系，但随着围压的增大，最大动弹模量的增长速度有所减缓。由图5（b）可知，相同的固结比条件下，沥青混凝土的阻尼比随围压的增加而逐渐降低，且减小幅度亦有所降低。分析认为是由于在较低围压（0.6 MPa~0.9 MPa）下，沥青混凝土内部的孔隙和微裂缝较多，这些孔隙和微裂缝在受到动荷载作用时容易发生变形和摩擦，从而消耗更多的能量，表现出较高的阻尼比，随着围压的增加，这些孔隙和缺陷逐渐被压缩，使得沥青混凝土的结构更加紧密，从而提高了其动弹模量。在较高的围压区间（0.9 MPa~1.2 MPa），由于孔隙和微裂缝的进一步压缩和闭合，沥青混凝土的内部结构变得更加紧密，围压的增加对其动弹模量的影响逐渐减小，因此动弹模量的增长幅度相对较小。同样沥青混凝土内部结构的进一步紧密也使得受到动荷载作用时能量消耗减少，阻尼比因此减小，且减小幅度相较于低围压区间有所降低。

3.2.4　固结比对沥青混凝土动力特性的影响

分别绘制最大动弹模量E_d_max、平均阻尼比λ与固结比K_c的趋势关系曲线，并对最大动弹模量随固结比的增长梯度及平均阻尼比随固结比的减小梯度进行了标记，见图6。从图6（a）可以看出，在相同围压条件下，沥青混凝土的最大动弹模量与固结比之间呈现出显著的线性增长关系，且增长幅度较为相近。分析认为这不仅揭示了固结比提高对沥青混凝土微观结构的影响，而且反映了材料在宏观层面上的力学性能变化。固结比的增加意味着沥青混凝土在受力过程中受到的轴向和侧向压力增大，这导致材料内部的孔隙被有效压缩，从而使得材料变得更加致密。这种微观结构的改变，直接增强了沥青混凝土试样对动态荷载的抵抗能力，进而导致其最大动模量的显著提升。

图6（b）表明，在相同围压条件下，沥青混凝土的平均阻尼比随固结比的增大呈现出显著的线性递减趋势，且减小幅度有所增大。这是因为在低固结比条件下，沥青混凝土试样的密实度相对较低，存在较多的孔隙，这种较低的密实度使得在循环荷载作用下，材料内部的沥青混合料更易于发生错动，沥青混合料的错动会阻碍振动波的有效传播，导致阻尼比相对较大。随着固结比的提升，沥青混凝土试样的结构变得更加紧密，孔隙率显著降低。在这种紧密状态下，循环荷载作用下沥青混合物间的错动变得更为困难，因为材料内部的颗粒之间有了更紧密的接触，振动波在更紧密的材料中传播更为顺畅，能量耗散减少，从而导致阻尼比相应降低。这一复杂的动态响应过程，不仅反映了沥青混凝土在不同固结比下的力学行为，而且对于评估其在实际工程应用中的性能表现具有重要的参考价值。

3.2.5　固结比对K值、n值的影响

通过回归分析不同围压条件下的最大动模量E_d_max与平均固结应力σ_m之间的关系，计算得出模量系数K值与指数n值（详见表2）。由于K值与n值作为关键的试验参数的重要性，因此有必要对其变化规律进行研究，根据表2分别绘制试验参数K、n随固结比的趋势变化关系曲线，见图7。可以看出，K值与固结比呈现较为一致的线性正相关关系，n值与固结比呈现出线性负相关关系，但相关性较弱。

3.2.6　 G_d/G_d_max与γ_d/γ_r关系曲线

在沥青混凝土心墙堆石坝的地震反应特性分析过程中，动剪切模量比G_d/G_d_max及动剪切应变比γ_d/γ_r是沥青混凝土心墙动力计算所需的必要参数^［23］。因此建立动剪切模量比G_d/G_d_max与动剪切应变比γ_d/γ_r的归一经验公式（拟合曲线及公式见图8及表3）可为类似工程的应用提供参考。

4　结论

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选用克拉玛依90号沥青进行沥青混凝土配比设计，并针对所依托工程区特有的温度条件，采用3种固结比及3种围压条件，对沥青混凝土进行动三轴试验，求解各项动力学试验参数，并分析其随固结比及围压的变化规律，主要结论如下：

（1）沥青混凝土动模量受固结比及围压影响显著。试验过程中产生相同动应变时的动模量会随着围压及固结比的增大而增大，并且试样最大动弹模量随着围压及固结比的增大呈线性增长趋势，说明围压及固结比越大越有利于沥青混凝土抵抗动荷载能力的提高。

（2）固结比及围压的变化对沥青混凝土的阻尼比影响较大。在试验过程中随着围压及固结比的增大沥青混凝土阻尼比有减小的趋势，而试样的平均阻尼比随着围压及固结比的增大也基本呈现出线性的减小趋势，说明试样在高围压及高固结比条件下对动荷载反应会更加及时。

（3）固结比的大小对试验参数K、n有很大影响。K值会随着固结比的增加而上升，而n值则是随着固结比的增加而下降。

（4）建立了G_d/G_d_max与γ_d/γ_r的归一经验公式，可为类似工程的应用提供参考。

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2026年第24卷第3期

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doi: 10.13244/j.cnki.jiwhr.20240253

接收时间：2024-12-16
首发时间：2026-06-25
出版时间：2026-05-28

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作者

出版历史

收稿日期：2024-12-16

基金

作者信息

¹新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆乌鲁木齐 830000

²中国水利水电科学研究院流域水循环与水安全全国重点试验室，北京 100038

通讯作者:

张延亿（1979—），博士，正高级工程师，主要从事岩土工程试验研究。E-mail：zhangyanyi@iwhr.com

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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