循環(huán)孔隙水壓力作用對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)抗壓特性的影響

彭 剛吳 聰喬宗耀馬小亮

(1.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，宜昌 443002;2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，宜昌 443002)

1 研究背景

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)處于水環(huán)境中混凝土的力學(xué)性能開展了大量研究。Wang等[1]研究了粉煤灰摻量、孔隙水飽和度對(duì)混凝土回彈值、超聲波速、抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響；Barani等[2]通過數(shù)值模擬證明一個(gè)統(tǒng)一的天然裂縫滲透率公式可很好地描述慢速加載和快速加載條件下裂紋擴(kuò)展的滲透性； Shakiba等[3]的研究結(jié)果表明孔隙水壓力的作用會(huì)加劇瀝青混凝土中的損傷，降低其強(qiáng)度；Bai等[4]提出一般的三向應(yīng)力條件下的孔隙壓力增量與主應(yīng)力增量之間的關(guān)系的理論方程；以彭剛為首的課題組[5-9]對(duì)混凝土在不同水圍壓和不同孔隙水壓下的動(dòng)態(tài)抗壓特性進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，探究在動(dòng)態(tài)加載下，不同的水環(huán)境中混凝土峰值應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量以及吸能能力的變化規(guī)律，并建立相應(yīng)的損傷模型；王乾峰等[10]研究經(jīng)歷循環(huán)荷載后，混凝土在水壓力環(huán)境中的動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度。

由上述可知，無論是在理論上還是在試驗(yàn)上，對(duì)于混凝土在不同的水環(huán)境、不同的受力狀態(tài)下的研究已經(jīng)趨于成熟。但在實(shí)際工程中，長(zhǎng)期處在水環(huán)境中的混凝土，很多是在經(jīng)受多次循環(huán)孔隙水壓力作用的同時(shí)承受著上部的荷載，循環(huán)孔隙水壓力對(duì)混凝土產(chǎn)生的原始損傷會(huì)影響混凝土力學(xué)參數(shù)，在動(dòng)態(tài)加載下會(huì)表現(xiàn)出不同的動(dòng)態(tài)特性。為此，對(duì)經(jīng)歷20次循環(huán)孔隙水壓力(0，1，3，5，7 MPa)的飽和混凝土在對(duì)應(yīng)的循環(huán)孔隙水壓力下進(jìn)行了常三軸壓縮試驗(yàn)，不僅具有理論研究意義，更具有實(shí)際工程意義。

2 試驗(yàn)設(shè)備及力學(xué)試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次所用試驗(yàn)設(shè)備為三峽大學(xué)與長(zhǎng)春朝陽試驗(yàn)儀器有限公司聯(lián)合研制的10 MN大型多功能液壓伺服靜動(dòng)力三軸儀。該設(shè)備可進(jìn)行常三軸混凝土動(dòng)靜力加載試驗(yàn)，其最大圍壓值為30 MPa，最大豎向動(dòng)靜力負(fù)荷為5 000 kN和10 000 kN。可通過電腦系統(tǒng)控制水壓力和軸向加載速率(10-5～10-2s-1)，試驗(yàn)設(shè)備見圖1。

2.2 試件制作與加工處理

試驗(yàn)所用的水泥為P · O42.5普通硅酸鹽水泥；拌合水為飲用自來水；粗骨料是粒徑為5～40 mm的連續(xù)級(jí)配碎石；細(xì)骨料是連續(xù)級(jí)配天然河砂，經(jīng)過篩分后實(shí)測(cè)細(xì)度模數(shù)為2.3，屬中砂。混凝土的配合比如表1所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Test equipment

表1 混凝土原材料用量Table 1 Material content of concrete kg/m3

混凝土試件尺寸為Φ300 mm×600 mm，成型方式為鋼模澆筑。為攪拌均勻，采取先干拌后濕拌的方法。振搗完成后，將表面抹平處理，室溫下放置24 h后拆模，拆模后，將混凝土放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，保證相對(duì)濕度>95%，溫度為(20±2)℃，28 d后將混凝土試件移至室外自然養(yǎng)護(hù)。

2.3 試驗(yàn)過程

2.3.1 加載前的準(zhǔn)備

(1)將尺寸為Φ300 mm×600 mm的圓柱體混凝土放在水箱中，加水進(jìn)行預(yù)飽和處理，此過程可加速后續(xù)飽和處理的過程，縮短試驗(yàn)時(shí)間。

(2)浸泡7 d后，將其放入圍壓桶內(nèi)，通過EDC控制器發(fā)送施加水圍壓命令，進(jìn)行加壓飽和。

(3)加壓飽和完成后，分別施加5種不同中心值(0，1，3，5，7 MPa)的循環(huán)孔隙水壓，循環(huán)次數(shù)20次。

(4)約24 h后，20次循環(huán)完成。

2.3.2 加載過程

(1)保持水圍壓不變，將圍壓桶移至加載框架中，使圍壓桶和上下傳力柱對(duì)中。

(2)啟動(dòng)EDC，加油壓至3 MPa，以位移控制的方式對(duì)混凝土預(yù)加載20 kN的力。

(3)正式加載：以變形控制方式，在軸向上按照不同的加載速率進(jìn)行加載，直至得到完整的變形-荷載曲線。

(4)卸載以及后續(xù)處理。

3 力學(xué)性能分析

3.1 抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)得到混凝土在不同應(yīng)變速率、不同循環(huán)孔隙水壓力中心值下峰值應(yīng)力，如表2，不循環(huán)的工況是在應(yīng)變速率10-5s-1下完成的。由表2得峰值應(yīng)力隨不同循環(huán)孔隙水壓中心值的變化趨勢(shì)，見圖2。

表2 不同工況下混凝土的峰值應(yīng)力Table 2 Peak stresses of concrete in different working conditions

圖2 循環(huán)孔隙水壓中心值與峰值應(yīng)力的關(guān)系Fig.2 Central value of cyclic pore water pressure vs. peak stress

對(duì)比分析應(yīng)變速率為10-5s-1下混凝土的峰值應(yīng)力，經(jīng)歷不同循環(huán)孔隙水壓力作預(yù)處理后的混凝土較未經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓的混凝土峰值應(yīng)力總體有明顯降低。經(jīng)歷1，3，5，7 MPa循環(huán)孔隙水壓力作用后，混凝土強(qiáng)度分別降低13.67%，12.83%，18.55%，30.00%。隨著循環(huán)孔隙水壓力的增大，混凝土強(qiáng)度減少越多，混凝土內(nèi)部的損傷也增大，說明循環(huán)孔隙水壓作用對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，削弱了混凝土的強(qiáng)度。

隨著應(yīng)變速率的增加，經(jīng)歷不同循環(huán)孔隙水壓力預(yù)處理后的混凝土的峰值應(yīng)力增大。應(yīng)變速率為10-4s-1時(shí)，在較小的循環(huán)孔隙水壓力下，混凝土峰值應(yīng)力有所降低，當(dāng)循環(huán)孔隙水壓力繼續(xù)增大，其峰值應(yīng)力較未經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓力的混凝土有明顯升高。應(yīng)變速率為10-3s-1時(shí)，不論循環(huán)孔隙水壓大小，其峰值應(yīng)力都大于未經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓以及應(yīng)變速率為10-4s-1和10-5s-1的經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓的混凝土的峰值應(yīng)力。

在10-3s-1和10-4s-1應(yīng)變速率下，圍壓較小時(shí)，峰值應(yīng)力增加明顯，當(dāng)圍壓增加到一定值時(shí)，隨著圍壓的增加，峰值應(yīng)力增加很小。

在循環(huán)孔隙水壓作用下，有壓水會(huì)沿著混凝土表層微觀裂縫逐步深入到內(nèi)部，使其內(nèi)部裂紋數(shù)量和分布發(fā)生變化，同時(shí)使混凝土含水量增加。在動(dòng)態(tài)加載過程中，混凝土內(nèi)部的含水量對(duì)其力學(xué)性能影響較大。文獻(xiàn)[10]指出，在給定的水壓力下，水不能填充全部混凝土孔隙空間，水壓力越大，水能滲透到的孔隙直徑越小，則對(duì)混凝土內(nèi)部的損傷相對(duì)就大。本文試驗(yàn)中，20次循環(huán)孔隙水壓預(yù)處理對(duì)混凝土有一個(gè)初始損傷，故在10-5s-1應(yīng)變速率下隨循環(huán)水壓增大，混凝土強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)。而在動(dòng)態(tài)荷載作用下，含水量越高， Stefan效應(yīng)越明顯，混凝土強(qiáng)度越大，故在10-3s-1應(yīng)變速率下，混凝土的峰值應(yīng)力最大?；炷梁侩S水壓力提高而增加，當(dāng)水壓力超過一定值后，含水量基本不增加，故對(duì)混凝土強(qiáng)度影響就比較小，在10-5s-1應(yīng)變速率下，峰值應(yīng)力隨循環(huán)水壓的增大，呈現(xiàn)先增大后不變的趨勢(shì)。

綜上分析可知，循環(huán)孔隙水壓越大，對(duì)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的損傷越大，混凝土強(qiáng)度減少越多。在不同的加載速率下，循環(huán)孔隙水壓力對(duì)混凝土整體強(qiáng)度的影響不同，在準(zhǔn)靜態(tài)和低應(yīng)變速率下，循環(huán)孔隙水壓對(duì)混凝土強(qiáng)度削弱作用比較明顯，表現(xiàn)為混凝土強(qiáng)度減小。在較高的應(yīng)變速率下，這種削弱作用逐漸減弱，影響混凝土強(qiáng)度的因素主要是應(yīng)變速率，表現(xiàn)為混凝土整體強(qiáng)度的增加。

3.2 變形特性

不同的加載情況下，經(jīng)歷不同循環(huán)孔隙水壓后，混凝土的峰值應(yīng)變?nèi)绫?，變化關(guān)系曲線如圖3。

表3 不同工況下混凝土的峰值應(yīng)變Table 3 Peak strains of concrete in different working conditions

圖3 循環(huán)孔隙水壓中心值與峰值應(yīng)變的關(guān)系Fig.3 Central value of cyclic pore water pressure vs. peak strain

由表3和圖3可發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)變速率10-4s-1和10-3s-1下，循環(huán)孔隙水壓力對(duì)峰值應(yīng)變(略有增大)的影響較小，相對(duì)10-5s-1應(yīng)變速率下，其峰值應(yīng)變都明顯增大。

在較低的應(yīng)變速率(10-5s-1)下，峰值應(yīng)變隨著循環(huán)孔隙水壓力的增大呈現(xiàn)明顯的減小趨勢(shì)。對(duì)比分析應(yīng)變速率為10-5s-1時(shí)，經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓力作用和不經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓力作用的情況可以看出，循環(huán)孔隙水壓力作用使混凝土的峰值應(yīng)變降低。并且，循環(huán)孔隙水壓力作用值越大，峰值應(yīng)變降低越多。

對(duì)比表3中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓力作用后，混凝土的峰值應(yīng)變隨著應(yīng)變速率的增大呈增大趨勢(shì)。這一變化趨勢(shì)與文獻(xiàn)[11]的研究結(jié)果相似，但局部趨勢(shì)有所不同。文獻(xiàn)[11]的研究結(jié)論為經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓作用后混凝土的峰值應(yīng)變隨著應(yīng)變速率的增大先略有減小再增大?？赡艿脑蚴牵罕疚脑囼?yàn)對(duì)混凝土施加循環(huán)孔隙水壓力時(shí)每一次水圍壓變化后均保持足夠的時(shí)間，使水圍壓能夠充分向飽和混凝土內(nèi)部傳遞從而產(chǎn)生與水圍壓基本等值的孔隙水壓力，而在文獻(xiàn)[11]的研究中沒有考慮水圍壓向混凝土內(nèi)部傳遞的時(shí)間。

3.3 彈性模量

彈性模量反映混凝土的基本力學(xué)性能，是表征混凝土力學(xué)性能的重要參數(shù)之一。當(dāng)混凝土內(nèi)部存在有壓孔隙水時(shí)，循環(huán)孔隙水壓作用可能會(huì)對(duì)混凝土的彈性模量產(chǎn)生一定影響[12-13]。本文以混凝土軸心抗壓強(qiáng)度35%～55%時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的割線模量作為混凝土彈性模量的代表值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

式中：E表示彈性模量；σ0.55，σ0.35分別為55%，35%對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力；ε0.55，ε0.35分別為55%，35%對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變。

表4為不同應(yīng)變速率下的混凝土在不同循環(huán)孔隙水壓力下的彈性模量值，由表4可得圖4。

表4 不同工況下的彈性模量Table 4 Elastic modulus in different working conditions

圖4 循環(huán)孔隙水壓中心值與彈性模量之間的關(guān)系Fig.4 Central value of cyclic pore water pressure vs. elastic modulus

由表4和圖4可知，當(dāng)應(yīng)變速率為10-5s-1時(shí)，混凝土的彈性模量隨著加載時(shí)孔隙水壓力的增加呈增大趨勢(shì)。在較高應(yīng)變速率下(10-4s-1和10-3s-1)，隨著循環(huán)孔隙水壓力值的增大，彈性模量的變化不大。對(duì)比分析應(yīng)變速率為10-5s-1時(shí)，經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓力作用與不經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓力作用的情況，經(jīng)歷循環(huán)孔隙作用后的混凝土彈性模量有所提高，并且預(yù)處理過程中循環(huán)孔隙水壓力值越大提高幅度越大。說明當(dāng)應(yīng)變速率較低時(shí)，循環(huán)孔隙水壓力作用對(duì)混凝土的彈性模量有提高作用，當(dāng)應(yīng)變速率較高時(shí)為削弱作用。

4 應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€擬合分析

4.1 Weibull-Lognormal模型

根據(jù)文獻(xiàn)[14]、文獻(xiàn)[15]的研究，采用Weibull-Lognormal模型能夠較好地?cái)M合混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線。該模型中，在應(yīng)力上升階段采用Weibull分布，在應(yīng)力下降階段采用Lognormal分布。選取該模型對(duì)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算，其應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系表達(dá)為

(2)

4.2 規(guī)范推薦的本構(gòu)模型

另外，本文采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)推薦的應(yīng)力-應(yīng)變曲線模型對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。規(guī)范中混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表達(dá)式為

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；Ec為彈性模量；εc,r為單軸抗壓強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的混凝土峰值應(yīng)變；fc,r為單軸抗壓強(qiáng)度代表值；αc為形狀控制參數(shù)；x為應(yīng)變發(fā)展水平；n,ρc為常數(shù)。

圖5 不同循環(huán)孔隙水壓及不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線擬合結(jié)果Fig.5 Fitted stress strain curves under varying cyclic pore water pressure at different loading rates

通過以上2個(gè)混凝土的本構(gòu)模型來對(duì)加載得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并與試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)對(duì)比分析。

圖5為混凝土經(jīng)歷不同循環(huán)孔隙水壓力作用后，以不同的應(yīng)變速率在相應(yīng)的有壓孔隙水環(huán)境下加載得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及2種擬合曲線。圖5中A試驗(yàn)曲線為加載得到的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線；B擬合曲線為使用Weibull-Lognormal模型進(jìn)行擬合得到的對(duì)應(yīng)工況下的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線；C擬合曲線為使用規(guī)范推薦的本構(gòu)模型擬合得到的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線。通過MatLab內(nèi)置的Corrcoef函數(shù)來求得2種模型的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)相關(guān)系數(shù)值的大小來對(duì)比分析2種模型的擬合效果。

由圖5可以看出，2種模型都能對(duì)本文設(shè)定工況下加載得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線很好地?cái)M合，在以上工況下的相關(guān)系數(shù)的均值都在0.97以上。尤其在應(yīng)力-應(yīng)變曲線的應(yīng)力上升階段，通過2種模型擬合的曲線基本與試驗(yàn)曲線重合，2種模型對(duì)應(yīng)力上升階段曲線的擬合取得了很好的效果。在應(yīng)力-應(yīng)變曲線的應(yīng)力下降階段，2種模型都擬合出了曲線的基本形狀，滿足擬合要求。但是對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，Weibull-Lognormal模型對(duì)應(yīng)力下降階段的擬合效果較為優(yōu)異。使用Weibull-Lognormal模型對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段擬合的相關(guān)系數(shù)約為0.974，而使用規(guī)范推薦模型對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段擬合的相關(guān)系數(shù)約為0.941，說明Weibull-Lognormal模型對(duì)曲線下降段的擬合更為接近試驗(yàn)真實(shí)情況。

5 結(jié) 論

(1)循環(huán)孔隙水壓作用會(huì)對(duì)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生損傷，相對(duì)于沒有經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓的準(zhǔn)靜態(tài)加載下的混凝土，其強(qiáng)度會(huì)降低。在高應(yīng)變速率下，影響混凝土強(qiáng)度的主要因素是加載速率，而循環(huán)孔隙水壓力對(duì)混凝土強(qiáng)度的削弱作用減小。

(2)經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓后的混凝土的峰值應(yīng)變和彈性模量在高、低應(yīng)變速率下表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。在低應(yīng)變速率下，混凝土的峰值應(yīng)變和彈性模量隨循環(huán)孔隙水壓的增大而總體升高，在高應(yīng)變速率下，隨循環(huán)孔隙水壓的增大總體變化小。

(3)采用的Weibull-Lognormal模型和規(guī)范推薦的模型對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的擬合效果都比較好。相比較而言，在曲線的下降段，Weibull-Lognormal模型的擬合效果比規(guī)范推薦的模型擬合效果好。