熱力耦合下水工混凝土三軸破壞力學(xué)試驗(yàn)研究

陳平妹

(廣東省源天工程有限公司，廣州 511340)

1 概 述

混凝土材料具有優(yōu)良的力學(xué)穩(wěn)定性，在水利工程中應(yīng)用較廣[1-2]。但受多種因素如配合比、工程環(huán)境等[3-4]的影響，特別是在一些多物理場耦合條件下，其力學(xué)特征具有顯著差異。因此，研究混凝土材料力學(xué)特征影響變化對推動工程設(shè)計(jì)水平具有重要作用。

王亮等[5]、孫秋榮[6]、李劉紅等[7]采用顆粒流等離散元仿真計(jì)算方法，通過建立顆粒離散元模型，施加相應(yīng)的計(jì)算荷載，研究模擬試驗(yàn)環(huán)境下混凝土模型的力學(xué)特征變化，并分析不同配合比參數(shù)對其力學(xué)水平的影響特性。曾志偉等[8]、周雙雙等[9]、李俊生等[10]從宏、細(xì)觀特征考慮，采用聲發(fā)射、CT掃描及顆粒細(xì)觀損傷特征等研究手段，探討混凝土材料力學(xué)破壞的內(nèi)在機(jī)理，分析配合比或其他物理損傷作用對其顆粒結(jié)構(gòu)的影響，從而評價混凝土力學(xué)特征差異性?；谑覂?nèi)試驗(yàn)研究方法，李琦等[11]、羅英等[12]、陳宇良等[13]通過類比巖石材料試驗(yàn)力學(xué)研究，對混凝土開展了室內(nèi)單軸、三軸及滲透等試驗(yàn)，研究不同試驗(yàn)下混凝土壓縮、拉伸及剪切力學(xué)影響變化，為工程建設(shè)提供試驗(yàn)依據(jù)。

本文基于北江擴(kuò)建水利樞紐工程中混凝土材料力學(xué)特性，設(shè)計(jì)開展摻加劑配合比設(shè)計(jì)因素與熱荷載因素影響下的三軸破壞力學(xué)試驗(yàn)，探討混凝土力學(xué)特征影響規(guī)律，為工程設(shè)計(jì)使用混凝土材料提供參考。

2 試驗(yàn)概況

2.1 工程背景

粵北地區(qū)水資源分布不均，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民用水等出現(xiàn)時空離散狀態(tài)，不利于地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提升用水效率離不開水利設(shè)施的安全可靠運(yùn)營。因此，水利部門考慮在粵北北江多級水利設(shè)施的基礎(chǔ)上擴(kuò)建該水利設(shè)施。設(shè)計(jì)該水利樞紐工程年最大可供水量達(dá)1 200×104m3，按照百年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，采用重力式混凝土壩為主壩，設(shè)計(jì)壩高為35.5～42.5 m，最大壩高位于溢洪道所在壩段。擴(kuò)建后，泄洪閘結(jié)構(gòu)主材采用C25特種混凝土，其閘頂高程較主壩最大壩高差幅為12.5%，閘室底板厚度為1.2 m，閘室軸線全長為8 m，采用多孔式入流閘口設(shè)計(jì)形態(tài)，單孔凈寬為3.5 m，以弧形鋼閘門為擋水設(shè)施。根據(jù)設(shè)計(jì)部門的設(shè)計(jì)優(yōu)化，其設(shè)計(jì)模型見圖1。

圖1 閘門模型圖

閘門全面板上最大壓強(qiáng)為1.5 MPa，閘身結(jié)構(gòu)最大張拉應(yīng)力為15 MPa，最大位移變形為50 mm，采用兩壓桿支臂系統(tǒng)為面板的支撐結(jié)構(gòu)，每根壓桿均采用型鋼結(jié)構(gòu)，靜力結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較佳。泄洪水閘整體支撐結(jié)構(gòu)為8根預(yù)應(yīng)力混凝土閘墩，墩徑為1.2 m，墩身長度為7.5～8 m。采用鋼混結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力錨桿作為支護(hù)體系，閘基標(biāo)準(zhǔn)承載力為250 kPa，確保閘墩自身沉降變形不超過閘室頂高的1‰，基于工程設(shè)計(jì)建立的泄洪閘整體有限元模型見圖2。

圖2 泄洪水閘有限元模型

模擬計(jì)算表明，泄洪閘的變形主要集中在閘室底板處，且計(jì)算模型中若主材參數(shù)改變，其變形特征也有所差異，即泄洪閘受力狀態(tài)與主材參數(shù)密切相關(guān)。北江擴(kuò)建水利樞紐的溢洪道剖面見圖3，多段式泄流，可降低水力勢能對水工建筑的沖擊影響，包括有引渠區(qū)段與消能設(shè)施，采用與泄洪閘同樣的主材建設(shè)消能池，坎高為0.5～0.8 m，設(shè)計(jì)該消能池在運(yùn)營期消能率需達(dá)到45.5%～52.8%。

圖3 溢洪道剖面圖

根據(jù)設(shè)計(jì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不論是泄洪閘、消能池還是溢洪道等水工設(shè)施，其主材均采用同類型混凝土。而該擴(kuò)建水利樞紐工程所在地區(qū)工程地質(zhì)復(fù)雜，特別是在引水渠中埋深較大的前提下，其力學(xué)特征會受到多場耦合影響，而閘室等水工建筑的抗震設(shè)計(jì)與耦合場下混凝土主材力學(xué)水平密切相關(guān)。因而，不僅是討論混凝土多場耦合下力學(xué)特征影響，更是為工程建設(shè)材料設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.2 試驗(yàn)介紹

作為熱力耦合試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)設(shè)備，TMC2000試驗(yàn)設(shè)備是解決多場耦合試驗(yàn)研究的重要手段。該試驗(yàn)設(shè)備采用液壓程序控制，可實(shí)時控制加載精度與進(jìn)程，包括有熱荷載加溫裝置、力學(xué)加載控制程序、數(shù)據(jù)監(jiān)測采集及處理模塊等，可針對研究目的完成單軸、三軸及拉伸等耦合場試驗(yàn)，見圖4。

圖4 TMC2000試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備最大力學(xué)荷載為1 200 kN，熱荷載加載采用電傳熱方式，儀器最大識別溫度為300℃，加熱箱內(nèi)可滿足不同尺寸試樣試驗(yàn)，包括徑高比1/2的圓柱體試樣，也可滿足標(biāo)準(zhǔn)立方體試樣等。本試驗(yàn)中所用試樣參照巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)范[14]，選用徑高尺寸為50、100 mm的圓柱體試樣，所有混凝土試樣均取自工程現(xiàn)場現(xiàn)澆材料，在室內(nèi)經(jīng)過精加工且滿足試驗(yàn)要求后，完成養(yǎng)護(hù)才可進(jìn)行相應(yīng)的熱力耦合試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集裝置包括LVDT變形傳感器、軸/環(huán)向變形傳感器等，其中軸向傳感器可實(shí)現(xiàn)最大位移-20～20 mm，環(huán)向變形最大可實(shí)現(xiàn)-15～15 mm，所有采集數(shù)據(jù)會在中控系統(tǒng)得到初步處理，可供試驗(yàn)過程中觀測及調(diào)整試驗(yàn)進(jìn)程。

從北江擴(kuò)建水利樞紐工程使用主材考慮，各類水工設(shè)施雖使用同類型特種混凝土，但泄洪閘、溢洪道等水工建筑的混凝土主材的特種摻加劑含量有所差異。據(jù)工程調(diào)查得知，摻加劑含量分布在1%～10%，故本試驗(yàn)中混凝土試樣的摻加劑相應(yīng)設(shè)定為1%、3%、5%、7%、9%共5種。熱力耦合下在保證不超過試驗(yàn)設(shè)備最大溫度的前提下，模擬溫度分別設(shè)定為25℃(常溫)、75℃、125℃、175℃、225℃、275℃，加熱速率均為5℃/min，加載至目標(biāo)溫度后，恒溫3h確保試樣受熱均勻后，再進(jìn)行三軸加載。試驗(yàn)圍壓設(shè)定為5、10、15、20 MPa，每個目標(biāo)試樣均保證3個及以上試塊，加載中采用變形控制荷載遞增狀態(tài)，速率為0.06 mm/min。各組具體試驗(yàn)方案見表1。

表1 試驗(yàn)方案

3 熱力耦合下力學(xué)特征

3.1 溫度熱效應(yīng)

根據(jù)對不同溫度下熱力試驗(yàn)結(jié)果分析，獲得了不同溫度下混凝土試樣應(yīng)力應(yīng)變特征，見圖5。從圖5可知，溫度熱荷載對混凝土試樣應(yīng)力影響具有階段性特征。當(dāng)溫度低于225℃時，溫度愈高，則試樣加載應(yīng)力水平愈大；當(dāng)溫度超過225℃后，則加載應(yīng)力水平與溫度參數(shù)關(guān)系與前階段相反。以圍壓10 MPa下為例，當(dāng)試樣應(yīng)變?yōu)?%時，常溫下試樣的加載偏應(yīng)力為17.85 MPa；溫度為125℃、225℃下，試樣的偏應(yīng)力較前者分別增大56.4%、2.87倍；而溫度為275℃下，試樣的偏應(yīng)力與175℃、225℃時相比，分別減少34.5%、10.8%。從三軸抗壓強(qiáng)度參數(shù)對比可知，常溫試驗(yàn)環(huán)境下，混凝土試樣的強(qiáng)度為41.9 MPa；而在熱荷載未超過節(jié)點(diǎn)溫度時，隨溫度梯次50℃，其強(qiáng)度平均可提高14.8%；而在溫度275℃下，其強(qiáng)度較225℃下減少16.5%。

圖5 溫度熱效應(yīng)下三軸應(yīng)力應(yīng)變特征

分析認(rèn)為，溫度熱荷載對混凝土試樣承載應(yīng)力影響具有門檻值。當(dāng)環(huán)境溫度未超過節(jié)點(diǎn)門檻溫度值時，溫度愈大，對混凝土內(nèi)部晶體顆粒的影響局限在膨脹變形，而晶體顆粒的膨脹過程會逐步擠壓內(nèi)部孔隙的生存空間，使整體顆粒骨架趨于密實(shí)，故表現(xiàn)在承載強(qiáng)度較高的現(xiàn)象；當(dāng)溫度超過晶體顆粒可承受熱荷載區(qū)間時，此時顆粒膨脹后破裂變形，導(dǎo)致試樣內(nèi)部出現(xiàn)較多松散性碎顆粒，更嚴(yán)重的會導(dǎo)致膨脹裂隙貫通、擴(kuò)展，形成宏觀大裂紋，進(jìn)而承載強(qiáng)度降低[15-16]。

當(dāng)圍壓增大至20 MPa后，其溫度對承載應(yīng)力影響趨勢仍保持一致，且圍壓增大，可導(dǎo)致試樣整體承載應(yīng)力水平升高，圖5中5個代表試樣的三軸強(qiáng)度較之圍壓10 MPa下的增幅分布為80%～106.9%。但不可忽視，各溫度下試樣承載強(qiáng)度的差異性有所減少，該圍壓下常溫試樣的三軸強(qiáng)度為79.9 MPa，在溫度對強(qiáng)度促進(jìn)區(qū)間內(nèi)，隨溫度梯次50℃的增長，試樣強(qiáng)度的平均增幅僅為11.2%，且溫度275℃試樣的強(qiáng)度與溫度225℃下的降幅為9.1%。由此可知，圍壓增大，試樣間受溫度熱荷載影響的承載強(qiáng)度差異減小，圍壓效應(yīng)可削弱熱損傷作用。

分析變形特征受熱損傷效應(yīng)影響可知，圍壓在10 MPa下各溫度試樣峰值應(yīng)力后均出現(xiàn)應(yīng)力下降的現(xiàn)象，變形破壞以脆性為顯著特征，而圍壓20 MPa下試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線在峰值應(yīng)力后趨延性塑性變形破壞。另一方面，不同溫度試驗(yàn)參數(shù)下試樣的應(yīng)力應(yīng)變在彈性壓密階段即已產(chǎn)生差異性，其變形模量受溫度影響趨勢與承載強(qiáng)度保持一致。

3.2 設(shè)計(jì)因素影響

根據(jù)對不同特種摻加劑含量的試樣試驗(yàn)結(jié)果處理，獲得摻加劑含量設(shè)計(jì)因素影響下的混凝土試樣應(yīng)力應(yīng)變特征，見圖6。

圖6 摻加劑含量影響下三軸應(yīng)力應(yīng)變特征

摻加劑含量對混凝土試樣加載應(yīng)力水平影響具有一致性特征，兩者具有正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)在圍壓5 MPa下，摻加劑含量1%試樣在應(yīng)變2%時偏應(yīng)力為37.7 MPa，而含量5%、9%試樣在該應(yīng)變下偏應(yīng)力較前者分別增大17.8%、45.8%；從三軸強(qiáng)度對比來看，當(dāng)摻加劑含量每增大2%，試樣強(qiáng)度可提升10.6%。同樣，在圍壓15 MPa下，其三軸強(qiáng)度隨摻加劑含量梯次增長而引起的增幅為18.8%。對比可知，圍壓愈大，混凝土試樣三軸強(qiáng)度受摻加劑含量影響差異性愈大。而對比兩圍壓下試樣承載強(qiáng)度可知，圍壓愈大，同摻加劑含量下試樣強(qiáng)度增大，以摻加劑9%試樣增幅最大，達(dá)97.1%，而其他含量試樣承載強(qiáng)度在兩圍壓下增幅分布為73%～86.3%。

在圍壓5 MPa下，試樣整體均為脆性變形破壞，峰值應(yīng)力后下降段較大，且摻加劑含量愈大，試樣峰值應(yīng)變愈大，該圍壓下4個代表試樣的峰值應(yīng)變分別為2.02%、2.3%、2.53%、2.8%。同時，圍壓15 MPa下，試樣脆性變形特征弱于圍壓5 MPa，峰值應(yīng)力后下降段降幅弱于圍壓5 MPa，圍壓增大，脆性變形趨勢有所減弱。不論是圍壓5 MPa還是15 MPa下，試樣應(yīng)力應(yīng)變特征分別在30.3、58.9 MPa后出現(xiàn)差異性，即摻加劑含量對混凝土試樣應(yīng)力應(yīng)變影響集中于混凝土屈服變形段。

4 熱力耦合下抗剪特征

根據(jù)對各組圍壓下試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析，可得到混凝土試樣抗剪特征參數(shù)受溫度熱效應(yīng)及設(shè)計(jì)參數(shù)影響特性，見圖7。

圖7 抗剪特征參數(shù)影響特性

從圖7中可知，在同一摻加劑含量下，黏聚力參數(shù)隨溫度為先增后減變化，以溫度225℃下黏聚力參數(shù)最大，在低于該節(jié)點(diǎn)溫度時，摻加劑含量1%、9%試驗(yàn)組中，其黏聚力參數(shù)隨梯次溫度分別具有增幅8.5%、6.5%；而超過該節(jié)點(diǎn)門檻值時，其黏聚力參數(shù)分別具有平均降幅18.2%、12.5%。摻加劑含量愈大，則黏聚力參數(shù)愈大，表明混凝土試樣承載強(qiáng)度的提高內(nèi)在為顆粒間黏結(jié)性提升；在各試驗(yàn)溫度下，含量9%較之含量1%、5%下試驗(yàn)組黏聚力分別具有48.8%～60.2%、28.7%～39%增幅。整體上比較，隨內(nèi)摩擦角受影響變化趨勢與黏聚力參數(shù)基本一致，但不論是溫度熱效應(yīng)還是設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，內(nèi)摩擦角參數(shù)影響變幅均弱于黏聚力。如在低于溫度225℃時，含量9%試驗(yàn)組中內(nèi)摩擦角的最大增幅僅為1.4%，平均增幅為1%。由此說明，熱力耦合與配合比設(shè)計(jì)因素影響下，主要其顆粒結(jié)構(gòu)的黏結(jié)性發(fā)生較大影響，而顆粒摩擦、咬合等特性受影響較小。

5 結(jié) 論

1) 混凝土承載強(qiáng)度受溫度影響具有節(jié)點(diǎn)門檻值，未超過該溫度時，承載強(qiáng)度隨溫度為遞增，而超過該值后，溫度熱作用產(chǎn)生損傷效應(yīng)；圍壓10 MPa下，隨溫度50℃梯次，強(qiáng)度平均提高14.8%；而溫度275℃較225℃下強(qiáng)度減少16.5%；圍壓增高，強(qiáng)度提升，且溫度熱影響作用有所削弱；溫度熱作用對混凝土的彈性壓密階段即產(chǎn)生顯著影響。

2) 特種摻加劑含量與混凝土承載強(qiáng)度具有正相關(guān)關(guān)系，圍壓5、15 MPa下?lián)郊觿┖棵吭龃?%，試樣強(qiáng)度分別可提升10.6%、18.8%；圍壓增大，脆性變形特征減弱；摻加劑含量對混凝土應(yīng)力應(yīng)變影響在屈服變形階段較顯著，圍壓5、15 MPa下分別在30.3、58.9 MPa后產(chǎn)生差異。

3) 兩抗剪特征參數(shù)受溫度熱效應(yīng)及配合比參數(shù)影響均為一致，隨溫度為先增后減變化，以溫度225℃下為最高；摻加劑含量愈大，則抗剪特征參數(shù)增大，含量9%較含量1%、5%下黏聚力分別具有48.8%～60.2%、28.7%～39%增幅；內(nèi)摩擦角參數(shù)受熱效應(yīng)及配合比影響的變幅均弱于黏聚力。