三向應力狀態下濕篩二級配大壩混凝土力學性能研究

周 軍,趙艷華,李光偉,馬 超,吳智敏

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

0 引 言

從20世紀中期開始,國內外許多學者陸續開展了對混凝土多軸強度理論的研究[1-4],已經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境影響,往往處于復雜的受力狀態下,導致其力學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、試驗加載裝置復雜等一系列因素,導致三軸拉壓組合受力狀態,特別是三軸拉-拉-拉受力狀態下的試驗難度增加。

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力空間統一破壞準則,為實際工程的結構設計及分析提供參考。

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[9]。系統各向最大壓力為2500 kN,最大拉力為500 kN,可以實現各種應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整,在3個方向分別設計了拉、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,砂子采用灰巖砂(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,放置在室內澆水養護至28 d,其后在自然條件下養護至90 d齡期。考慮到機器加載量程,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量,受拉面粘貼毛刷前,先用無水酒精擦拭干凈,再將粘結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℃環境中養護至膠結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點:①在拉壓組合加載試驗中,塑料毛刷刷齒側向剛度很小,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,保證了傳統試驗方法中試件在真實受力狀態下進行試驗;②試驗受壓變形時,圍壓通過粘結劑傳遞給刷齒的力很小,減小了試驗的系統誤差;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,通過調節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整;受壓向設置一個較小靜載,通過反復預壓調整位置實現該方向的對中。

正式加載采用荷載控制,加載速率0.5MPa/s,按三個方向預先設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果一般離散性比較大,本次試驗每個應力比均采用了5個試件,以保證每組至少有3個有效試件。本文規定,三個方向主應力為 σ1≥σ2≥σ3且受拉為正,受壓為負。

2 試驗結果及分析

2.1 試件破壞形態

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

在三向受拉應力狀態下,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。

圖2 三軸壓-壓-壓應力狀態下試件破壞形態

圖3 三軸拉-壓-壓應力狀態下試件破壞形態

圖4 三軸拉-拉-拉應力狀態下試件破壞形態

2.2 試驗結果

依據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應力均值列于表2,其中離散較大的數據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,主壓應力方向的破壞強度為單軸壓的1.87倍,當 σ1/σ2=0.15時,主壓應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,由于拉應力的存在,混凝土強度顯著降低,在任一拉壓壓應力比作用下,三個主應力方向能承受的最大拉、壓應力均小于試件的單軸抗壓、抗拉強度,且極限壓應力隨著拉應力的增大而減小。第二主應力對三軸拉、壓強度也有一定影響,在實際工程中可根據實際情況進行考慮。

表2 三軸應力狀態下試件極限強度平均值

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

3 八面體應力空間破壞準則

衡量一個混凝土破壞準則的優劣,主要是對比準則拉壓子午線與混凝土強度的符合程度,在現行各破壞準則中,Ottosen破壞準則[14]對混凝土強度特點有較好的反映,本文破壞準則拉壓子午線以Ottosen準則為基礎,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。選定的破壞準則拉壓子午線表達式形式如下:

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

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,根據表2試驗數據,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°)這三種應力狀態特征點根據式(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。

經過分析對比,發現過-王五參數準則[15]中偏平面表達形式與本文數據更加吻合,本文偏平面方程取為以下形式:

其中0°≤θ≤60°。經過反復試算,在多軸拉-壓-壓應力狀態下取x=1.0,y=2.0,能更好地符合試驗數據。

最終得到濕篩二級配大壩混凝土八面體應力空間統一破壞準則如下:

圖5～圖9為試驗數據同破壞準則的對比,各應力比下試驗數值同破壞準則基本相符。

4 結 語

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

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,減小了多向拉壓組合受力狀態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,隨著壓應力增加,混凝土抗壓強度快速增長,當 σ1/σ2較小時,發生柱狀壓壞;當σ1/σ2≥0.1時,由于側向壓應力約束變形,發生斜剪破壞;在三軸拉壓壓作用下,均發生了拉斷脆性破壞,各向峰值應力均小于單軸抗拉抗壓強度,中間主應力也存在一定影響,在實際工程中,需要重視拉壓組合受力給結構帶來的不利影響。

(3)在三向拉應力作用下,峰值拉應力近似為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出現幾率很小,但也應考慮。

(4)通過對試驗結果的分析,提出了濕篩二級配混凝土在三軸拉壓組合狀態下八面體應力空間統一的破壞準則,該準則形式簡單,計算方便,與試驗結果吻合良好,對水工大體積混凝土按多軸強度進行設計提供了一定參考。

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