三向應(yīng)力狀態(tài)下濕篩二級配大壩混凝土力學(xué)性能研究

周 軍,趙艷華,李光偉,馬 超,吳智敏

(1.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 大連 116024;2.中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院,四川 成都 610072)

0 引 言

從20世紀(jì)中期開始,國內(nèi)外許多學(xué)者陸續(xù)開展了對混凝土多軸強度理論的研究[1-4],已經(jīng)取得了大量的研究成果[5-8]。在實際工程中,水工混凝土因自身材料特點和所處環(huán)境影響,往往處于復(fù)雜的受力狀態(tài)下,導(dǎo)致其力學(xué)性能同普通混凝土有著很大的差別,需要進行深入研究。對于混凝土多軸強度試驗,由于混凝土材料離散、試件安裝精度高、試驗加載裝置復(fù)雜等一系列因素,導(dǎo)致三軸拉壓組合受力狀態(tài),特別是三軸拉-拉-拉受力狀態(tài)下的試驗難度增加。

本文采用尺寸為100mm×100mm×100mm的濕篩二級配混凝土小試件,通過一種新型的加載方式對試件施加拉力,進行了三軸壓-壓-壓、拉-壓-壓及拉-拉-拉共25組混凝力學(xué)性能試驗研究,并給出了濕篩二級配大壩混凝土的八面體應(yīng)力空間統(tǒng)一破壞準(zhǔn)則,為實際工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗裝置

混凝土多軸加載試驗,尤其是三軸受壓試驗,需要機器自身有較大剛度,同時能提供較大圍壓,對機器本身軟件和硬件都有著較高要求。本次試驗采用大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點試驗室的大型靜、動三軸電液伺服試驗系統(tǒng)[9]。系統(tǒng)各向最大壓力為2500 kN,最大拉力為500 kN,可以實現(xiàn)各種應(yīng)力比下的三向拉壓組合加載試驗。為了滿足本次試驗的拉壓組合加載方案,對試驗裝置進行了調(diào)整,在3個方向分別設(shè)計了拉、壓加載頭,其尺寸均為95mm×95mm。

1.2 試件制備

本次試驗采用的混凝土配合比與溪洛渡大壩相同,如表1所示。試件所用水泥為華新水泥股份有限公司生產(chǎn)的42.5級中熱硅酸鹽水泥,粉煤灰采用華珞Ⅰ級粉煤灰,砂子采用灰?guī)r砂(粒徑＜5mm),粗骨料為四級配玄武巖碎石,其中小石(5mm～20mm)、中石(20mm～40mm)、大石(40mm～80mm)、特大石(80mm～ 150mm)比例為 20∶20∶20∶35(質(zhì)量比)。減水劑為ZB-1緩凝高效減水劑,引氣劑為ZB-1G混凝土引氣劑。

表1 混凝土配合比

濕篩試件采用200mm×200mm×200mm鋼模成型。人工拌合混凝土,篩出粒徑大于40mm的碎石,用振動臺振搗密實。所有試件均為48 h后脫模,放置在室內(nèi)澆水養(yǎng)護至28 d,其后在自然條件下養(yǎng)護至90 d齡期?？紤]到機器加載量程,試驗之前對試件進行了切割。用大型巖石切片機將試件切割為100mm×100mm×100mm的立方體試件。

1.3 試驗過程

本次試驗采用一種新型雙鋼板-塑料毛刷組合連接方式對試件施加拉力。試驗前需對試件進行打磨處理,用角磨機打磨試件各加載面至平整。施加拉力面需打磨至露出粗骨料,以免加載過程中在表面砂漿薄弱層破壞。

為了保證塑料毛刷與混凝土試件表面的粘貼質(zhì)量,受拉面粘貼毛刷前,先用無水酒精擦拭干凈,再將粘結(jié)劑均勻涂抹在試件粘貼表面和塑料毛刷齒縫端部,其后將毛刷放在試件表面壓實固定,3～5 min后,再將粘貼鋼板與塑料毛刷底部平滑面粘貼好,放置在25℃～60℃環(huán)境中養(yǎng)護至膠結(jié)面完全固化后開始試驗,如圖1所示。

圖1 雙鋼板-塑料毛刷連接方式

與傳統(tǒng)拉伸方法[10-13]相比,雙鋼板-塑料毛刷組合連接方式具有以下優(yōu)點:①在拉壓組合加載試驗中,塑料毛刷刷齒側(cè)向剛度很小,對試件橫向變形約束小,減小了受拉鋼板對試件受壓變形的約束作用,保證了傳統(tǒng)試驗方法中試件在真實受力狀態(tài)下進行試驗;②試驗受壓變形時,圍壓通過粘結(jié)劑傳遞給刷齒的力很小,減小了試驗的系統(tǒng)誤差;③試件加載完畢后可直接切除粘貼鋼板上的塑料毛刷,回收粘貼鋼板方便快捷,提高了試驗效率。

試件的受壓面在試驗時需進行減摩處理,采用三層聚氟乙烯塑料片夾兩層黃油作為減摩層。試件受拉面粘貼鋼板通過四個螺母與傳力鋼板相連,傳力鋼板另一端與試驗裝置拉力球鉸相連,在試驗安裝過程中,先裝受拉向,通過調(diào)節(jié)球鉸高度與螺母旋入深度進行試件豎直和水平方向位置的調(diào)整;受壓向設(shè)置一個較小靜載,通過反復(fù)預(yù)壓調(diào)整位置實現(xiàn)該方向的對中。

正式加載采用荷載控制,加載速率0.5MPa/s,按三個方向預(yù)先設(shè)定加載比例同時施加荷載,直至試件破壞。由于混凝土多軸試驗結(jié)果一般離散性比較大,本次試驗每個應(yīng)力比均采用了5個試件,以保證每組至少有3個有效試件。本文規(guī)定,三個方向主應(yīng)力為 σ1≥σ2≥σ3且受拉為正,受壓為負(fù)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試件破壞形態(tài)

濕篩二級配混凝土試件在三軸壓應(yīng)力狀態(tài)下,如圖2所示,當(dāng) σ1,σ2較小的時候,試件的變形相對較小,主要在兩對側(cè)面上有豎向近乎平行的細(xì)小裂縫分布,屬于柱狀破壞;當(dāng) σ1,σ2增大的時候,阻止了片狀破壞的發(fā)生,但因為最小和最大主應(yīng)力相差較大,相應(yīng)的最大剪應(yīng)力值較大,最終會發(fā)生平行于σ2軸的斜裂縫面。在三軸拉壓壓應(yīng)力狀態(tài)下主要發(fā)生拉斷破壞,其破壞形態(tài)與裂縫形態(tài)與單拉受力狀態(tài)下破壞形態(tài)相似,試件的裂縫及斷口位置與拉應(yīng)力方向基本垂直,試件是在拉應(yīng)變達(dá)到極限拉應(yīng)變從而開裂的,如圖3所示。

在三向受拉應(yīng)力狀態(tài)下,試件的斷裂面與拉方向成一定角度,從圖4可以看出,斷裂面成錐形向內(nèi)。

圖2 三軸壓-壓-壓應(yīng)力狀態(tài)下試件破壞形態(tài)

圖3 三軸拉-壓-壓應(yīng)力狀態(tài)下試件破壞形態(tài)

圖4 三軸拉-拉-拉應(yīng)力狀態(tài)下試件破壞形態(tài)

2.2 試驗結(jié)果

依據(jù)前文敘述試驗方法測得濕篩二級配混凝土試件在三軸壓-壓-壓、三軸拉-壓-壓及三軸拉-拉-拉作用下破壞時對應(yīng)應(yīng)力均值列于表2,其中離散較大的數(shù)據(jù)在計算均值時已剔除。

2.3 強度分析

從表2可以看出,在三軸壓-壓-壓狀態(tài)下,濕篩二級配混凝土的強度大于單軸壓強度,且隨著圍壓的增加,混凝土的抗壓強度快速增加,在 σ1/σ2=0.05時,主壓應(yīng)力方向的破壞強度為單軸壓的1.87倍,當(dāng) σ1/σ2=0.15時,主壓應(yīng)力的破壞強度增大到了4.42倍,這對實際工程是有利的。對于三軸拉-壓-壓受力狀態(tài),由于拉應(yīng)力的存在,混凝土強度顯著降低,在任一拉壓壓應(yīng)力比作用下,三個主應(yīng)力方向能承受的最大拉、壓應(yīng)力均小于試件的單軸抗壓、抗拉強度,且極限壓應(yīng)力隨著拉應(yīng)力的增大而減小。第二主應(yīng)力對三軸拉、壓強度也有一定影響,在實際工程中可根據(jù)實際情況進行考慮。

表2 三軸應(yīng)力狀態(tài)下試件極限強度平均值

在三軸受拉狀態(tài)下,目前普遍認(rèn)為三軸抗拉強度略小于單軸抗拉強度,且與應(yīng)力比無關(guān)。從表中可以看出,本次試驗中,在不同應(yīng)力比作用下的三軸受拉狀態(tài),其峰值抗拉強度均小于單軸抗拉強度ft,但同應(yīng)力比變化關(guān)系不是很明顯,根據(jù)本次試驗,可近似認(rèn)為水工混凝土三軸等拉強度fttt=0.75ft。

3 八面體應(yīng)力空間破壞準(zhǔn)則

衡量一個混凝土破壞準(zhǔn)則的優(yōu)劣,主要是對比準(zhǔn)則拉壓子午線與混凝土強度的符合程度,在現(xiàn)行各破壞準(zhǔn)則中,Ottosen破壞準(zhǔn)則[14]對混凝土強度特點有較好的反映,本文破壞準(zhǔn)則拉壓子午線以O(shè)ttosen準(zhǔn)則為基礎(chǔ),考慮到水工混凝土同普通混凝土性能的差異,對其進行了修正。選定的破壞準(zhǔn)則拉壓子午線表達(dá)式形式如下:

其中:fc是單軸抗壓強度,a,λ1,c1,λ2,c2是待定參數(shù),通過混凝土包絡(luò)面特征和試驗數(shù)據(jù)來確定。σoct是八面體正應(yīng)力,τot,τoc分別是拉壓子午線上的八面體剪應(yīng)力,可根據(jù)下式計算:

混凝土三向等拉時,即τot,τoc=0時,拉壓子午線與靜水壓力軸相交于一點,根據(jù)表2試驗數(shù)據(jù),取c1=c2=0.057。

取單壓(θ=60°),三軸壓(σ1=σ2＞ σ3,θ=60°),三軸拉 -壓 -壓(σ1＞σ2=σ3,θ=0°)這三種應(yīng)力狀態(tài)特征點根據(jù)式(3)、(4)計算出 σoct和σoc(t)代入式(1)、(2)求得 σ =-0.201,λ1=-1.6447,λ2=-0.7333。

經(jīng)過分析對比,發(fā)現(xiàn)過-王五參數(shù)準(zhǔn)則[15]中偏平面表達(dá)形式與本文數(shù)據(jù)更加吻合,本文偏平面方程取為以下形式:

其中0°≤θ≤60°。經(jīng)過反復(fù)試算,在多軸拉-壓-壓應(yīng)力狀態(tài)下取x=1.0,y=2.0,能更好地符合試驗數(shù)據(jù)。

最終得到濕篩二級配大壩混凝土八面體應(yīng)力空間統(tǒng)一破壞準(zhǔn)則如下:

圖5～圖9為試驗數(shù)據(jù)同破壞準(zhǔn)則的對比,各應(yīng)力比下試驗數(shù)值同破壞準(zhǔn)則基本相符。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合溪洛渡大壩實際工程,通過不同的應(yīng)力狀態(tài)下,以設(shè)定的應(yīng)力比對濕篩二級配混凝土立方體試件進行了多軸應(yīng)力狀態(tài)下強度性能試驗研究,得出了如下主要結(jié)論:

圖5 拉壓子午線

圖6 三軸拉-壓-壓(σ2/σ3=1,σ1/σ3=-1～ -0.1)

圖7 三軸拉-壓-壓(σ1/σ3=-0.1)

圖8 三軸拉-壓-壓(σ1/σ3=-0.2)

(1)對前人的試驗方案進行了改進,提出了雙鋼板-塑料毛刷組合連接方式,保證了混凝土處于真實的受力狀態(tài),減小了多向拉壓組合受力狀態(tài)下鋼板對試件約束作用,提高了試驗精度;同時新型連接方式更加便捷,縮短了鋼板的周轉(zhuǎn)周期,提高了試驗效率。

圖9 三軸拉-壓-壓(σ1/σ3=-0.3)

(2)濕篩混凝土試件在三軸壓力作用下,隨著壓應(yīng)力增加,混凝土抗壓強度快速增長,當(dāng) σ1/σ2較小時,發(fā)生柱狀壓壞;當(dāng)σ1/σ2≥0.1時,由于側(cè)向壓應(yīng)力約束變形,發(fā)生斜剪破壞;在三軸拉壓壓作用下,均發(fā)生了拉斷脆性破壞,各向峰值應(yīng)力均小于單軸抗拉抗壓強度,中間主應(yīng)力也存在一定影響,在實際工程中,需要重視拉壓組合受力給結(jié)構(gòu)帶來的不利影響。

(3)在三向拉應(yīng)力作用下,峰值拉應(yīng)力近似為0.75ft,這與普通混凝土有一定的差別,在實際工程中三向拉的狀態(tài)出現(xiàn)幾率很小,但也應(yīng)考慮。

(4)通過對試驗結(jié)果的分析,提出了濕篩二級配混凝土在三軸拉壓組合狀態(tài)下八面體應(yīng)力空間統(tǒng)一的破壞準(zhǔn)則,該準(zhǔn)則形式簡單,計算方便,與試驗結(jié)果吻合良好,對水工大體積混凝土按多軸強度進行設(shè)計提供了一定參考。

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