碾壓混凝土單軸壓縮數值模擬研究

張業旭 許艦

摘 要：對碾壓混凝土力學性質的研究，大都是基于宏觀的實驗來確定的，但是實驗條件受到很多因素的影響，其結果往往與理論值有很大的出入，因此從細觀層次入手，采用RFPA2D軟件為工具，建立數值模型單軸壓縮實驗，研究碾壓混凝土層面厚度對其本體的影響，初步分析和探討了解材料的破壞機理，研究材料在不同條件下的本構關系。

關鍵詞：碾壓混凝土；單軸壓縮；層面；力學性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.076

1 引言

碾壓混凝土是用振動碾壓實的超干硬性混凝土，是一種應用極其廣泛的多相非均質復合材料，其組成成分結合處也即其層面的力學性能對碾壓混凝土宏觀力學性能影響較大。且碾壓混凝土層面力學性能的研究對于充分發揮材料強度，提高設計水平，降低工程造價以及提高工程結構的安全性具有十分重要的意義，因此，國內外許多學者對碾壓混凝土作出了很多研究，綜合起來大概有碾壓混凝土的層面對其力學性能的影響[1，2]、層面對其滲透性能的影響及層間結合質量等，但在研究過程中，有時會忽略材料內部復雜的細觀結構，且大都是基于宏觀的實驗來確定的，這不僅需要花費大量的人力、物力、財力等，而且因為實驗條件受到很多因素的影響，其結果往往與理論值有很大的出入，因此很難揭示材料變形和破壞的物理機制。本文在前人研究工作的基礎上，以RFPA2D軟件為工具，采用隨機生成骨料方法建立模型研究層面厚度對碾壓混凝土試件的破壞過程和及其本構關系。

2 數值模型建立及結果分析

2.1 數值模擬模型

碾壓混凝土單軸壓縮模擬試驗的數值模型見圖2.1。模型大小為100mm×100mm，層面厚度為2mm，試驗時，在試件頂部施加荷載，為避免產生相對位移，將底部進行固定。

2.2 碾壓混凝土單軸壓縮數值模擬試驗結果及分析

碾壓混凝土單軸壓縮數值模擬試驗結果見圖2.1，為了便于比較，本文將文獻[3]中的碾壓混凝土實驗室的實測結果也繪于圖2.1。

從圖2.1所示的應力—應變曲線模擬的試驗結果可以看出數值模擬試件與物理實驗的碾壓混凝土試件在應變為0.0009之前呈現直線，隨著應變的增加，兩者的曲線開始出現非線性特征，此時應力隨著應變增加的速率越來越小，當增加的速率為0時，此時應力達到峰值；數值模擬碾壓混凝土試件峰值點對應的峰值應變0.0020，而物理實驗碾壓混凝土試件的峰值點對應的峰值應變0.0018，參照《混凝土結構設計規范》（GB50010.2002）的規定，數值模擬碾壓混凝土試件的峰值強度與峰值應變與規范接近，而物理實驗碾壓混凝土試件存在偏差，導致這種原因可能與取的載荷步的大小有關。

3 層面厚度對碾壓混凝土力學性能的影響

為了研究層面厚度（δ）對碾壓混凝土單軸壓縮破壞力學性能的影響，在模型2.1基礎上，改變碾壓混凝土試件中層面的厚度，分別為1mm、2mm和3mm，試件的尺寸和其他均保持不變，建立3組數值試樣（見表3.1）。對3組試樣進行了碾壓混凝土單軸壓縮的數值模擬，得到的應力—應變曲線如圖3.1所示。

由表3.1的數據可知，當層面厚度（δ）由3mm到2mm、1mm時，對應碾壓混凝土試件的峰值應力從15.002MPa變化到15.967MPa、16.978MPa，峰值應力分別增加了0.965MPa和1.976MPa，變化率分別為6.43%和13.17%；峰值應變由0.00191增加到0.00200、0.00221，變化率分別為4.71%和15.71%；殘余強度由1.832MPa變化到2.013MPa、2.175MPa，變化率分別為9.8%和18.72%。從應力—應變曲線圖（圖3.1）可以看出，在應力—應變曲線上升階段，三組不同層面厚度的碾壓混凝土試件的應力應變曲線基本保持重合，當達到峰值應力的60%左右時，三組試件的應力應變曲線開始出現分離，層面厚度越小，應力應變曲線的斜率越大，碾壓混凝土的彈性模量越大，峰值應力越大。這說明在單軸壓力作用下，層面厚度對碾壓混凝土力學性能有一定影響，隨著層面厚度的減小，峰值應力、峰值應變、殘余強度都有不同程度的提高。

4 結論

本章首先利用RFPA2D軟件建立碾壓混凝土試件數值模型，模擬單軸壓縮試驗，研究碾壓混凝土層面厚度、層面抗壓強度、層面彈性模量對碾壓混凝土力學性能的影響。通過研究獲得以下成果：

（1）數值模擬碾壓混凝土單軸壓縮試驗，將數值模擬試驗結果與已有文獻報道的室內物理試驗結果對比，驗證了數值模擬試驗的有效性。

（2）隨著碾壓混凝土層面厚度的減小，單軸壓縮時的峰值應力強度、峰值應變及殘余強度都逐漸增加。單軸受壓狀態下，層面厚度（δ）對碾壓混凝土力學性能的影響較大。

參考文獻：

[1]孫榮書.有層面碾壓混凝土軸拉斷裂研究[D].大連理工大學，2005.

[2]黃志強，宋玉普，吳智敏.碾壓混凝土層間拉伸破壞過程的數值模擬研究[J].水利學報，2005（06）：680-686+693.

[3]簡政，黃松梅，涂傳林等.碾壓混凝土層面斷裂試驗研究[J].西安理工大學學報，1997，13（02）：129-134.