飽和大骨料混凝土動態雙軸受壓力學性能試驗研究

王 　 浩，　王 立 成，　宋 玉 普*

( 1.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室, 遼寧 大連　116024；

2.遼寧建筑職業學院 建筑經濟系， 遼寧 遼陽　111000 )

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飽和大骨料混凝土動態雙軸受壓力學性能試驗研究

王 浩1,2，王 立 成1，宋 玉 普*1

( 1.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室, 遼寧 大連116024；

2.遼寧建筑職業學院 建筑經濟系， 遼寧 遼陽111000 )

摘要：分別通過試驗研究了飽和與干燥大骨料混凝土試件在動態雙軸受壓狀態下的強度特征．試驗采用大型混凝土靜、動態三軸液壓伺服試驗系統，設定了4個數量級的應變率(10-5、10-4、10-3、10-2s-1)和5種應力比(0∶1、0.25∶1、0.50∶1、0.75∶1、1∶1)．根據試驗結果，分析了孔隙水對大骨料混凝土動態雙軸極限抗壓強度的影響，并提出了飽和大骨料混凝土動態受壓破壞準則．研究表明，飽和大骨料試件在動態條件下的強度與干燥混凝土試件相比提高明顯，而在準靜態條件下有所降低．在相同應變率下，與單軸相比，雙軸極限抗壓強度在應力比為0.50∶1時最大．

關鍵詞：大骨料混凝土；飽和；雙軸受壓；動態受壓破壞準則

0引言

水工大體積混凝土結構在水環境中工作時經常處于飽和狀態，如大壩、橋梁基礎及墩臺等．在使用過程中，除了承受靜態荷載的作用外，還要受到復雜的動態荷載的作用．以上因素對混凝土的力學性能影響較大．目前已有大量大骨料混凝土靜、動態多軸力學性能研究成果[1-8]，但大多集中在自然狀態下．水工混凝土建筑物長期在水壓力環境中工作，除了受水壓力的影響，更重要的是受滲入到混凝土建筑物中自由水的影響，而且混凝土建筑物在實際工作狀態下多處于多軸應力狀態，這與混凝土單軸受壓狀態下的變形和力學性能有所不同．已有試驗研究[9-10]表明，混凝土在圍壓作用下的強度和延性相比單軸狀態有了明顯的增大．而多軸狀態下飽和混凝土極限抗壓強度動態試驗資料甚少．本文對飽和狀態下大骨料混凝土試件進行動態雙軸抗壓強度試驗，以試驗為基礎，探討飽和水對大骨料混凝土多軸動態力學性能的影響．

1試驗設計

1.1試驗裝置

試驗設備采用大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室的大型靜、動態三軸液壓伺服試驗系統，該系統可進行單軸、雙軸、三軸應力下的各種靜、動態試驗，且3個方向的加載頭均可以提供最大分別為3 000 kN的壓力和1 000 kN的拉力，滿足本試驗的加載要求．試驗時既可以進行荷載控制又可以進行位移控制．

為了使該系統適應本試驗混凝土試件尺寸，對試驗裝置進行了特別改造，設計合適尺寸的加載頭，尺寸為245 mm×245 mm×55 mm．加載過程由于加載頭自重大很易偏心，在每個加載板上設有球鉸裝置，這樣能夠保證試件對中，以保證試驗中所采集到荷載值的精度．

1.2試件設計與制作

試驗采用三級配大骨料混凝土試件(250 mm×250 mm×250 mm)，混凝土配合比參照文獻[11]，如表1所示．水泥采用大連水泥廠生產的P.O4.25級水泥；粗骨料最大粒徑為80 mm；細骨料為中砂，細度模數為2.66；粉煤灰采用國家一級粉煤灰．每次制作前對砂子及石子的含水率進行測量，減水劑選用大連建筑科學研究院研制的DK-6型萘系高效減水劑．

表1　大骨料混凝土的配合比(每m3)

混凝土澆筑結束后24 h拆模，放置到養護室中養護90 d后取出，并將其分為兩組，每組60個試件．第一組，放入水槽中浸泡，6個月后試件質量基本不變，試件破壞截面如圖1(a)所示，由圖可見此時試件完全飽和，并測得飽和狀態下試件的含水率為3.9%；第二組，放入烘干箱中，水分快速蒸發會使混凝土強度降低，為了避免類似情況發生，先50 ℃烘烤2 d，然后60 ℃烘烤2 d，70 ℃ 烘烤3 d，最后90 ℃烘烤至混凝土的質量基本沒有變化為止[6]，試件破壞截面如圖1(b)所示，由圖可見試件完全干燥．

圖1　試件破壞截面

1.3試驗過程

混凝土試件表面有強度偏低的水泥砂漿薄弱層，試驗前對混凝土試件表面進行機械打磨，消除加載面不平整對試驗結果的影響．另外，在試件受壓方向上，由于加載板與試件表面的摩擦力較大，能夠產生對混凝土試件的約束，故采取了減摩措施，減摩材料為塑料薄膜和甘油．具體做法是在3層塑料薄膜之間涂抹2層甘油，在塑料薄膜與試件加載面之間再涂1層甘油．加載前，先擺正試件，然后通過荷載控制，進行3次預壓(預壓力分別為30、60、90 kN)．預壓結束后，安裝位移傳感器，每個加載方向的相對兩側各安裝1個，取2個位移傳感器測量值的平均值，作為試件變形值．

本文完成了飽和與干燥大骨料混凝土在4種應變率(10-5、10-4、10-3、10-2s-1)下的動態雙軸受壓試驗，按兩個方向上預先設定的加載比例同時施加荷載，直至試件破壞．試驗的三軸應力比(σ2∶σ3)為0∶1、0.25∶1、0.50∶1、0.75∶1、1∶1共5種．每組試驗包含3個試件，當發現某一試件的強度值大于該組平均值的15%時，舍棄該數據并補充試件重新試驗，以保證數據的可靠性．試驗完畢后，拆下位移傳感器，取出試件．本文規定：壓應力與壓應變為正且σ2≤σ3，ε2≤ε3．

2試驗結果分析

2.1試件破壞形態

通過試驗發現，在任何應力比狀態下，試件在受壓過程中表面上裂紋數量隨著應變率的增大而增多，并且試件破壞時聲音愈趨響亮，如圖2所示．飽和大骨料混凝土在動態與靜態荷載作用下的破壞形態近似．由于試件與加載頭有減摩片作用，在任一應變率下試件在單軸受壓時表現為柱狀破壞，如圖3所示．試件在雙軸受壓時，在不同應力比下的試件在同一應變率條件下的破壞模式如圖4所示，試件的破壞形態與應變率的關系不大，主要取決于應力比，雙軸受壓時，試件側向受力面上，出現大量與主壓力方向呈5°~40°的斜裂紋，與主應力垂直方向上形成與側壓力平行的裂縫．當應力比α=1∶1 時，試件受到相等的雙向壓力的作用，變形受到雙向應力的約束，在垂直于自由面的方向產生拉伸應變，形成與加載方向平行的裂縫，破壞形狀為片狀．

圖2　應力比為0.50∶1雙軸受壓試件在不同應變率下典型破壞形態

圖3　單軸受壓條件下試件在不同應變率下典型破壞形態

圖4　應變率為10-2s-1時試件在不同應力比下典型破壞形態

含水率對試件的破壞模式影響不大，如圖5所示，當應變率為10-3s-1，應力比α=0.25∶1時，干燥與飽和混凝土試件均為片狀破壞．

2.2動態極限抗壓強度

試驗測得飽和與干燥狀態下，大骨料混凝土在不同應變率和應力比組合下的極限抗壓強度如表2、3所示．

由表2、3可以看出，當應變率一定時，飽和與干燥大骨料混凝土極限抗壓強度都隨應力比的增大有先增大再減小的趨勢．當應力比為0.50∶1時，大骨料混凝土的極限抗壓強度最大．在動態加載條件下，飽和大骨料混凝土的極限抗壓強度比干燥大骨料混凝土的極限抗壓強度要大；而在準靜態加載條件(10-5s-1)下，飽和大骨料混凝土的極限抗壓強度比干燥大骨料混凝土的極限抗壓強度要小，如圖6所示．從細觀上說[12]，在靜態條件下，由于加載速度慢，裂紋開展緩慢，孔隙水容易推到尖端，相當于楔體的楔入作用，加速了裂紋開展，導致靜態條件下的飽和混凝土強度降低．在動態條件下，對于飽和混凝土，除了荷載的慣性作用，孔隙水黏性也是導致混凝土強度提高的主要原因，在快速加載條件下，孔隙水的黏性有很大提高，水的黏性在裂紋開裂方向施加一個反向作用力，阻礙裂紋開展，所以飽和混凝土動態強度大于干燥混凝土動態強度．

圖5應變率為10-3s-1、應力比為0.25∶1時飽和與干燥試件典型破壞形態

Fig.5Typicalfailuremodesofsaturatedanddryspecimensunderstrainrateof10-3s-1andstressratioof0.25∶1

表2　飽和大骨料混凝土試件動態雙軸極限抗壓強度平均值

表3　干燥大骨料混凝土試件動態雙軸極限抗壓強度平均值

2.3應力-應變曲線

在飽和狀態下，大骨料混凝土在不同應力比和應變率下的應力-應變曲線如圖7所示．這里規定壓應變為正，拉應變為負． 由圖7可以看出，飽和混凝土試件在同一應力比下，應力-應變曲線的形式基本一致，當應力比為1∶1時，主應變和側應變相同．當應力比為0.25∶1時，試件側應變為負值．干燥大骨料混凝土的應力-應變關系與飽和狀態的規律相同．從圖中可見，隨著應變率的增加，峰值應力點明顯上升和左移，說明飽和大骨料混凝土的極限抗壓強度逐漸增大．另外，雙軸壓應力狀態下，飽和大骨料混凝土應力-應變曲線的線性段比單軸受壓時有所提高，提高幅度與應力比α的大小有關，α越大，線性段提高的幅度越大．

圖6飽和與干燥大骨料混凝土在各應力比條件下動態雙軸抗壓強度平均值比較

Fig.6Dynamicbiaxialcompressiveaveragestrengthofsaturateddamconcreteatallstressratiosincomparisonwiththatofdrydamconcrete

圖7飽和大骨料混凝土應力-應變曲線

Fig.7Stress-strain curves of saturated dam concrete

3 大骨料混凝土的動態雙軸抗壓破壞準則

3.1動態抗壓強度與應變率的關系

根據表2的試驗數據進行回歸分析，得到飽和大骨料混凝土的雙軸抗壓強度與應變率滿足如下的對數關系：

(1)

3.2動態抗壓強度與應力比的關系

由本文試驗數據得到，飽和試件動態抗壓強度和應力比的關系為

fbd/fus=(c+dα)/(1+α)2

(2)

式中：c、d為回歸參數，如表5所示；0≤α≤1．

3.3綜合考慮應力比和應變率的統一破壞準則

為便于應用，建立考慮不同應變率和應力比的飽和大骨料混凝土雙軸受壓狀態下的破壞準則．根據試驗數據和文獻[13]、[14]，得到破壞準則如下：

(3)

式中：P1、P2、P3、P4為擬合參數．

表4　回歸參數a、b和相關系數r

圖8不同應力比下動態抗壓強度與應變率關系曲線

Fig.8Relationshipcurvesofthedynamiccompressivestrengthandthestrainrateunderdifferentstressratios

表5　回歸參數c、d和相關系數r

通過回歸分析，得到參數P1、P2、P3、P4的擬合值分別為-0.106、0.095、1.060和4.310，復相關系數r=0.952 2．由圖9可知，在雙軸壓作用下，試驗數據與式(3)吻合情況良好．本文建立的破壞準則基本能同時考慮不同應變率和比例加載組合下的動態雙軸抗壓強度．

圖9　飽和大骨料混凝土雙軸抗壓強度包絡圖

4結論

(1)大骨料混凝土的破壞模式主要取決于應力比，而與應變率和含水率關系不大．單軸受壓時，破壞模式為柱狀破壞；雙軸受壓時，則為片狀破壞．隨著應變率的增大，混凝土的強度提高．

(2)在準靜態條件下，飽和大骨料混凝土的強度和峰值應變低于干燥狀態下的．在動態荷載作用下，飽和與干燥大骨料混凝土的強度和彈性模量都有所增加，但增加幅度不同，飽和大骨料混凝土表現出更強的率敏感性．所以飽和大骨料混凝土動態抗壓強度大于干燥大骨料混凝土動態抗壓強度．極限抗壓強度隨應力比的增加，有先增大后減小的趨勢，當應力比為0.50∶1時，極限抗壓強度最大．

(3)當應力比為0.25∶1時，大骨料混凝土側應變為負值；當應力比為1∶1時，側應變與主應變相等．大骨料混凝土在單軸受壓狀態下的變形明顯小于雙軸受壓下的，試件的峰值應變隨應變率的增大而減小．

(4)給出了綜合考慮應變率、應力比的飽和大骨料混凝土極限抗壓強度的計算公式．該公式可以用于計算飽和大骨料混凝土在不同應變率、應力比條件下的動態雙軸極限抗壓強度．

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Experimental study of dynamic behavior of saturated dam concrete under biaxial compression

WANGHao1,2,WANGLi-cheng1,SONGYu-pu*1

( 1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China；2.Department of Construction Economics, Liaoning Jianzhu Vocational University, Liaoyang 111000, China )

Abstract：The dynamic behaviors of saturated and dry dam concrete specimens are experimentally studied when subjected to biaxial compression stress. The tests are carried out on the large static and dynamic triaxial hydraulic servo test system. Four strain rates (10-5, 10-4, 10-3, 10-2s-1) and five kinds of stress ratio (0∶1, 0.25∶1, 0.50∶1, 0.75∶1, 1∶1) are taken into the tests. Based on the test results, the influence of pore water on the biaxial dynamic ultimate compressive strength of dam concrete is investigated. A dynamic compression failure criterion of saturated dam concrete is proposed. The test results show that compressive strength of saturated dam concrete is larger than the dry one in dynamic conditions, while is lower at quasi-static conditions. Compared with the uniaxial compression of all the strain rates, biaxial ultimate compressive strength reaches the maximal value at the stress ratio of 0.50∶1.

Key words：dam concrete; saturated; biaxial compression; dynamic compression failure criterion

作者簡介:王 浩(1983-)，男，博士生，E-mail:830502wh@163.com；王立成(1975-)，男，教授，博士生導師，E-mail:wanglicheng2000@163.com；宋玉普*(1944-)，男，教授，博士生導師,E-mail:syupu@dlut.edu.cn.

基金項目:中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室開放研究基金資助項目(IWHR-SKL-201309)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(DUT14LK23).

收稿日期：2015-07-19；修回日期: 2015-11-20．

中圖分類號：TV431

文獻標識碼：A

doi:10.7511/dllgxb201601003

文章編號：1000-8608(2016)01-0013-07