基于離散元仿真的透水混凝土受力性能試驗

徐紅 李守明

（臨沂市公路事業(yè)發(fā)展中心臨沭縣中心，山東 臨沂 276700）

0 引言

離散元法由美國學者Cundall P.A在1971年率先建立[1]，即最初的離散元程序。1978年，Cundall和Strack聯(lián)合編寫了ball程序[2]，此程序可有效用于對顆粒介質(zhì)力學行為的模擬。張科芬采用PFC等離散元方法研究巖土材料的顆粒破碎，表明建立的三維顆粒破碎模型能夠很好地描述破碎顆粒材料的壓縮特性[3]。本文從骨料表面包裹的水泥漿層厚度方面著手，研究透水混凝土在不同孔隙率下的離散元參數(shù)標定問題。

1 離散元基本理論

二維離散元軟件PFC2D提供了兩種可模擬透水混凝土黏彈性力學性質(zhì)的模型，分別為平行黏結(jié)模型和接觸黏結(jié)模型，如圖1所示。

圖1 接觸黏結(jié)模型和平行黏結(jié)模型

接觸黏結(jié)模型假定接觸力發(fā)生于更小的范圍內(nèi)，所描述的是點接觸的黏結(jié)情況。平行黏結(jié)模型假定黏結(jié)發(fā)生在接觸顆粒單元間圓形或方形的有限尺寸內(nèi)，接觸黏結(jié)模型假定接觸力發(fā)生于更小的范圍內(nèi)。透水混凝土顆粒間接觸特點為水泥漿填充于粗顆粒之間，相互作用的顆粒接觸特點使用平行黏結(jié)模型比較合理。

2 透水混凝土顆粒間黏結(jié)參數(shù)確定

2.1 透水混凝土顆粒拉拔試驗

粗骨料顆粒選擇人工制作的圓柱體試件。其取芯半徑為5cm，用切割機切成長為2.5cm的圓餅。通過水泥漿把圓餅狀巖石黏結(jié)在一起。在控制水泥漿層厚度方面，通過控制塑料墊片的厚度，如圖2所示，分別得到1mm、1.2mm、1.4mm厚度的水泥漿。

圖2 骨料黏結(jié)拉拔試件

此次試驗采用量程50kN的MTS電子萬能試驗機，導出試驗數(shù)據(jù)并優(yōu)化處理，繪制彈性階段應(yīng)力應(yīng)變曲線。

2.2 基于骨料拉拔試驗的離散元顆粒黏結(jié)參數(shù)確定

2.2.1 拉拔試驗仿真模型

按照實際室內(nèi)試驗試件尺寸生成相對應(yīng)的離散元模型。將顆粒分為三組，并指定接觸模型。上下兩組賦予較大的接觸參數(shù)，整體視作粗骨料顆粒。中間一組賦予相對較小的接觸參數(shù)，視作水泥漿。加載破壞后的試件模型如圖3所示。

2.2.2 離散元細觀參數(shù)區(qū)間確定方法

對于水泥膠凝材料，仿真模擬時可選擇平行黏結(jié)模型，建模需要標定的主要參數(shù)如表1所示。

表1 拉伸試驗預標定參數(shù)

采用試錯法標定細觀參數(shù)。即首先確定一組初始參數(shù)，然后調(diào)整單一參數(shù)，觀察這個參數(shù)對于模擬結(jié)果的影響，并在此基礎(chǔ)上開展多次試錯調(diào)整，最終確定合適參數(shù)。分別選取1mm、1.2mm和1.4mm厚度水泥漿的參數(shù)區(qū)間，最終得到3種水泥漿厚度的參數(shù)選取區(qū)間，如表2所示。

表2 水泥漿厚度的參數(shù)選取區(qū)間

3 透水混凝土抗壓特性離散元仿真

3.1 透水混凝土室內(nèi)抗壓試驗

試驗選取骨料級配為：2.36mm至4.75mm粒徑內(nèi)的骨料占30%，4.75mm至9.5mm粒徑內(nèi)的骨料占70%，分別使用270/m3、310/m3、350kg/m3水泥用量制作不同的試件，設(shè)置骨料包裹層厚度分別為1mm、1.2mm、1.4mm的透水混凝土試件，整理后繪制彈性階段應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖4所示。

3.2 透水混凝土受力特性離散元仿真

按照實際室內(nèi)試驗試件尺寸和級配生成相對應(yīng)的離散元模型。經(jīng)過多次嘗試，分別選取1mm、1.2mm和1.4mm包裹層厚度的透水混凝土細觀參數(shù)。三種包裹層厚度所對應(yīng)孔隙率的離散元最終參數(shù)標定如表4所示。

圖4 室內(nèi)抗壓試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線

表4 水泥漿厚度的參數(shù)選取區(qū)間

3.3 透水混凝土抗壓特性破壞形態(tài)

在試驗數(shù)值加載過程中，先從加載板與試件接觸的邊角部位產(chǎn)生裂縫，如圖5所示，隨著加載進行，試件中間也逐漸出現(xiàn)貫通的主裂縫，如圖6所示。在室內(nèi)抗壓強度試驗中，裂紋產(chǎn)生的過程和破壞形態(tài)與模擬試驗大體相同，如圖7所示。因此，采用離散元法模擬室內(nèi)抗壓試驗是合適的。

圖5 邊角部裂縫

圖6 貫通的主裂縫

圖7 實際試驗破壞試件

4 結(jié)束語

在進行參數(shù)標定的仿真試錯過程中，對于有效模量和剛度比，主要確定應(yīng)力應(yīng)變曲線在彈性階段上升段的斜率；對于黏結(jié)強度，主要確定應(yīng)力應(yīng)變曲線在頂點處的最大應(yīng)力。

仿真模型中的各項參數(shù)均受到水泥漿層厚度/成型試塊孔隙率的影響，隨著水泥漿層厚度的增大，透水混凝土試件的有效模量、剛度比和黏結(jié)強度也會增長。

對比不同孔隙率下的離散元仿真模擬與抗壓試驗結(jié)果，標定的細觀參數(shù)用于模擬透水混凝土的抗壓試驗是合理的，體現(xiàn)出離散元的優(yōu)越性。

在拉拔試驗黏結(jié)強度的選取區(qū)間內(nèi)，應(yīng)用于抗壓試驗時黏結(jié)參數(shù)確定應(yīng)取相對應(yīng)區(qū)間內(nèi)的較大值。