渠道防滲混凝土三軸力學破壞特性試驗研究

楊奇

（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第三師水利工程建設(shè)管理處，新疆喀什 843900）

0 引言

水工混凝土材料在水利工程中應(yīng)用廣泛，研究該類材料三軸力學基礎(chǔ)特性，對水利設(shè)計水平提高具有重要意義[1-3]。在水庫工程堆石壩中，心墻壩體常常采用水工混凝土材料，其力學特性對探討水庫壩體安全穩(wěn)定運營具有重要作用[4，5]。由于混凝土材料顆粒流特性，目前，國內(nèi)外已有較多學者基于顆粒流仿真計算軟件，研究了混凝土材料單軸、三軸破壞特性及力學特征參數(shù)變化，為水利工程中認識混凝土材料體重重要參考[6-8]。當然，基于室內(nèi)混凝土材料試驗系統(tǒng)，設(shè)計開展混凝土的力學破壞試驗，有助于系統(tǒng)性提升混凝土材料在水利工程中應(yīng)用水平[9-11]。利用混凝土材料試驗機，設(shè)計開展水工混凝土材料三軸力學特征影響因素試驗研究，分析混凝土材料力學特征變化的影響規(guī)律，為農(nóng)業(yè)灌區(qū)水利工程中混凝土材料設(shè)計應(yīng)用提供重要參考。

1 試驗介紹

1.1 試驗背景與試驗儀器

前海灌區(qū)是南疆地區(qū)重要農(nóng)牧場基地，包括有58.67hm2農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，為提升農(nóng)業(yè)灌溉效率，已在灌區(qū)內(nèi)修建超300km的輸水渠道，渠道設(shè)計流量為5.94～1.04m3/s，其中在重要調(diào)度節(jié)點設(shè)置有調(diào)節(jié)閘等水利設(shè)施。但由于灌區(qū)運營時間較長，部分支渠渠道出現(xiàn)滲漏及渠邊坡坍塌等現(xiàn)象，因而考慮對支渠開展防滲改建。設(shè)計部門經(jīng)現(xiàn)場踏勘，初步考慮采用摻無機材料型水工混凝土作為基本原材料，對渠道底板及全斷面澆筑混凝土，保證全斷面混凝土厚度超過70mm，而水工混凝土材料的力學特征與渠道防滲性能息息相關(guān)，故設(shè)計開展水工混凝土三軸力學破壞試驗。

試驗采用TAW-150混凝土材料試驗機，實驗系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與加載系統(tǒng)，荷載最大可達1000kN，圍壓最大可達50MPa，可變換多種控制方式加載，精度誤差最小僅為0.2%；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實時查看數(shù)據(jù)，采集間隔為0.5s，力傳感器及位移傳感器在實驗前均已標定，縱向、橫向位移均采用不同傳感器量測，其中縱向位移傳感器監(jiān)測最大可達12cm，可根據(jù)不同尺寸試樣更換套筒，包括徑高比為1/2，1/1的試樣。

1.2 試驗方案

為研究水工混凝土試樣三軸力學特性，研究設(shè)計開展加載速率及圍壓參數(shù)影響特性試驗方案，加載速率參數(shù)分別為3，6，9MPa/min，圍壓參數(shù)設(shè)定為0，0.5，1.0，1.5MPa；由于特殊的工程環(huán)境，水工混凝土摻有無機復(fù)合材料鋼纖維，混凝土試樣配合比按照水膠比、無機材料摻率、砂率3個影響參數(shù)設(shè)計12個配合比方案，按照參數(shù)影響特性，共分為J，W，S三大類，具體配合比及試驗方案如表1所示。按照試驗方案目標配合比，取定量材料加水拌勻后，利用混凝土攪拌機將混凝土顆粒振搗均勻，加入目標量的鋼纖維，保證試樣加載過程中各向同性。將制作好的混凝土堆料加入混凝土養(yǎng)護模具中，養(yǎng)護形成滿足三軸試驗要求尺寸的試樣，尺寸為100mm×200mm，養(yǎng)護48h后方可拆除模具。為減少試驗前由于環(huán)境對試樣力學特性物理損耗，將拆除模具后的試樣放入養(yǎng)護箱內(nèi)，養(yǎng)護36h后才可進行三軸試驗，實驗中參照規(guī)范[12]進行試驗研究。

表1 各實驗方案具體組合表

三軸試驗步驟如下：

1）檢查三軸試驗系統(tǒng)內(nèi)各傳感器測試準確性，以隔油套筒包裹混凝土試樣，安裝至壓力艙內(nèi)，在試樣表面安裝位移傳感器，保證試樣中心對準加載臺垂直方向，儀器臺另裝豎向傳感器，調(diào)整好量程范圍，清零力傳感器；

2）先施加圍壓，后開始按照預(yù)設(shè)速率加載，實時采集數(shù)據(jù)，峰值應(yīng)力后失穩(wěn)破壞，停止實驗，結(jié)束采集；

3）卸下荷載，取出試樣，進行下一塊試樣試驗。

2 加載速率的影響分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

基于不同加載速率下混凝土試樣三軸力學破壞實驗，獲得應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，圖1為典型代表組試樣加載速率影響下應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖1可看出，不同速率加載過程中試樣應(yīng)力應(yīng)變趨勢基本一致；但從各加載速率試樣對比可知，高加載速率試樣應(yīng)力水平顯著高于低速率，以無機材料W組試樣對比可知，在相同應(yīng)變1%下，加載速率為9 MPa/min時試樣對應(yīng)的應(yīng)力為4.15MPa，而加載速率為3，6MPa/min時試樣相比前者分別降低了50.1%，18.1%，表明加載速率與水工混凝土試樣應(yīng)力水平為正相關(guān)關(guān)系。

圖1 試樣應(yīng)力應(yīng)變特征與加載速率關(guān)系

分析認為，三軸應(yīng)力作用下，試樣失穩(wěn)破壞實質(zhì)上是由于內(nèi)部裂紋逐漸延伸擴展導(dǎo)致的，而在高加載速率下，試樣內(nèi)部裂紋擴展速度與加載速率并不匹配，裂紋擴展滯后于加載速率，故而試樣內(nèi)部裂紋的延伸擴展受限，即試樣承載能力受裂紋延伸影響較弱，進而導(dǎo)致加載應(yīng)力水平較高。對于砂率組試樣加載速率影響特性來說，加載速率對其加載過程中應(yīng)力水平亦是促進作用；從峰值應(yīng)力后階段變形特征來看，高加載速率下試樣變形下降愈陡，對于低加載速率試樣，其下跌幅度較緩，在砂率S組中加載速率為3MPa/min時試樣從峰值應(yīng)力至殘余應(yīng)力3MPa，歷經(jīng)0.83%應(yīng)變，而加載速率6，9MPa/min分別歷經(jīng)0.8%，0.7%應(yīng)變，即高加載速率試樣失穩(wěn)破壞更迅速劇烈，其破壞實質(zhì)上是短時間內(nèi)較多裂紋集中擴展造成的。

圖2為兩個典型代表組試樣峰值應(yīng)變變化特征曲線。從圖2可看出，加載速率與峰值應(yīng)變?yōu)樨撓嚓P(guān)關(guān)系，在相同圍壓0.5MPa時，L-01試樣在加載速率3，6，9MPa/min下峰值應(yīng)變分別為1.36%，1.19%，1.05%；當在相同加載速率下，無機材料摻率不同時，W組試樣中峰值應(yīng)變隨無機材料摻率增大；在砂率S組中，加載速率抑制峰值應(yīng)變發(fā)展，但相同加載速率下峰值應(yīng)變隨砂率為先增后減變化。

圖2 峰值應(yīng)變與加載速率關(guān)系曲線

分析認為，高加載速率試樣裂紋擴展較慢，因而在峰值應(yīng)力點時應(yīng)變較小；當無機材料摻率愈多時，水工混凝土試樣更趨于軟化性，變形能力更強，故而相同加載速率下以高無機材料摻率的試樣峰值應(yīng)變更大；由于砂率與水工混凝土最佳砂率區(qū)間有關(guān)，筆者認為，當砂率過高時（砂率60%），不能以傳統(tǒng)的混凝土性能來評價試樣力學特征，其峰值應(yīng)變下降受非合理砂率區(qū)間影響較大。

2.2 強度特征

基于三軸加載破壞試驗獲得各加載速率下試樣強度特征，如圖3所示。從圖3可看出，三軸抗壓強度與加載速率為正相關(guān)關(guān)系，L00試樣在加載速率3MPa/min下強度為3.84MPa，而加載速率6，9MPa/min相比前者分別增大了7.9%，30.7%；當無機材料摻率增大至47%時，兩個增大幅度又分別為26%，27.2%；而在摻率60%時，幅度又分別為28.8%，41.5%，即無機材料摻率增大，加載速率影響強度之間差異愈大，表明高無機材料摻率下試樣三軸強度受加載速率影響愈為敏感。

圖3 三軸強度與加載速率關(guān)系曲線

分析表明，無機材料摻率愈大，則混凝土試樣顆粒骨架之間粘結(jié)性能更佳，試樣整體穩(wěn)固性更好，表現(xiàn)在三軸試驗中即是承載強度愈高。砂率S組試樣中加載速率促進三軸強度增長效應(yīng)均一致，在砂率為50%時，加載速率6，9MPa/min試樣三軸強度相比速率3MPa/min下分別增大了8.2%，28.7%，而在砂率為60%時，增長幅度分別為18.9%，30.9%，砂率為70%時幅度又變?yōu)?7.9%，40.6%，即高砂率下各加載速率試樣間三軸強度差異逐漸增大，高砂率混凝土試樣三軸強度受加載速率影響愈為敏感，此與高無機材料摻率下加載速率影響特性一致。

3 圍壓的影響分析

3.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

限于篇幅，本文針對圍壓影響力學特征效應(yīng)，僅以水膠比J組試樣開展分析，圖4為不同圍壓混凝土試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖4可看出，各試樣應(yīng)力應(yīng)變走向基本一致，高圍壓下試樣應(yīng)力水平較高，J00組試樣中，在相同應(yīng)變0.75%時，圍壓0MPa下應(yīng)力為2.33MPa，而圍壓0.5，1.0，1.5MPa相比前者分別增大了47.2%，60.9%，93.1%。當圍壓增大，混凝土試樣側(cè)向束縛力增強，裂紋的擴展延伸受到較大限制，因而引起試樣加載應(yīng)力水平增長。另從J01組試樣中可看出，在高圍壓下試樣塑性變形顯著增強，峰值應(yīng)力后期愈發(fā)穩(wěn)定，試樣趨于硬化，低圍壓下混凝土試樣裂紋約束力較低，受剪切破壞顯著，特別是在單軸壓縮條件下（圍壓0 MPa），試樣峰值應(yīng)力后下跌顯著，宏觀貫通裂紋對試樣穩(wěn)定性造成較大影響。而在應(yīng)變方面，圍壓對峰值應(yīng)變具有促進效應(yīng)，如圖5所示，J02試樣在圍壓0，0.5，1.0，1.5MPa下峰值應(yīng)變分別為0.69%，0.82%，1.02%，1.34%，最大增長幅度為94.2%，而針對J00，J01，J03試樣，最大增長幅度分別為114.7%，104.2%，88.5%。分析表明，水膠比J組試樣中，當水膠比參數(shù)降低，三軸峰值應(yīng)變增長幅度遞減，筆者認為水膠比參數(shù)愈低，則水工混凝土中可參加膠凝材料水化反應(yīng)的流動水分子愈少，內(nèi)部可形成孔隙率愈少，顆粒骨架穩(wěn)定性愈好，故而峰值應(yīng)變增長能力遞減；針對圍壓促進峰值應(yīng)變發(fā)展，此與試樣所受到較大束縛力有關(guān)，當圍壓愈大，試樣破壞過程中裂紋的貫通所受到阻力愈大，在峰值應(yīng)力時內(nèi)部裂紋孕育有較大能量，所產(chǎn)生的變形故而較高。

圖4 不同圍壓混凝土試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5 峰值應(yīng)變與圍壓關(guān)系曲線

3.2 強度特征

基于各圍壓下試樣三軸應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，獲得圍壓影響下混凝土三軸強度變化特征，如圖6所示。從圖6可知，同一配合比試樣三軸強度與圍壓為正相關(guān)關(guān)系，J00試樣在圍壓0MPa下強度為2.3MPa，而圍壓0.5，1.0，1.5MPa試樣強度相比前者分別增大了65.2%，108.7%，139.1%，水膠比參數(shù)遞減，C01，C02，C03試樣三軸強度隨圍壓增長最大幅度分別為133.3%，123.7%，117.6%，即水膠比參數(shù)與混凝土試樣三軸強度增長幅度為正相關(guān)關(guān)系。由此分析表明，混凝土中膠凝材料水化反應(yīng)的流動水分子減少，會引起各圍壓組試樣之間強度差異減小，試樣穩(wěn)固性變佳，孔隙率對各試樣強度影響差異減少，因而圍壓提升三軸強度的幅度效應(yīng)降低。

圖6 三軸強度與圍壓關(guān)系曲線

4 結(jié)語

利用混凝土材料三軸試驗系統(tǒng)，針對前海灌區(qū)渠道水工混凝土防滲材料開展了力學破壞實驗研究，主要得到：試樣三軸加載應(yīng)力水平與加載速率為正相關(guān)關(guān)系，高加載速率試樣失穩(wěn)破壞更迅速劇烈，峰值應(yīng)變隨無機材料摻率增大，但其隨砂率為先增后減變化；試樣三軸加載抗壓強度與加載速率為正相關(guān)，無機材料摻率或砂率愈大，加載速率對三軸強度提升作用愈顯著；圍壓限制裂紋擴展，引起加載應(yīng)力較大，峰值應(yīng)變與圍壓為正相關(guān)關(guān)系，同時水膠比參數(shù)愈低，圍壓提升峰值應(yīng)變效應(yīng)愈弱；試樣三軸強度與圍壓為正相關(guān)關(guān)系，水膠比參數(shù)愈低，則圍壓促進強度增長幅度愈小。