復雜應力環境下高層建筑基礎混凝土耐久性研究

杜浩然

（中鐵十九局集團第三工程有限公司，遼寧沈陽 110136）

0 引言

隨著城市建設的不斷發展，高層建筑逐漸增多，建筑物高度不斷被刷新。而建筑物高度的提升則意味著其基礎埋深的增加，當建筑物基礎達到一定深度時，就會受到地層的構造應力作用。大多數建筑物基礎均為水泥混凝土加鋼筋構成。其中，水泥混凝土是由集料、膠凝材料組成的非勻質復合型材料，在外力作用下其力學性質及破壞模式較為復雜。

在顆粒流方法中，劉璇等[2]利用三維顆粒流數值模擬方法（PFC3D）對水工瀝青混凝土進行了三軸壓縮數值模擬研究，分析了不同圍壓作用下水工瀝青混凝土的細觀特性，具有重要的研究意義。王正鑫等[3]同樣基于顆粒流方法對凍融損傷后的混凝土試樣進行了單軸壓縮數值模擬試驗，分析了凍融損傷對混凝土試樣的細觀特性的影響。

綜上分析可知，在總結前人研究的基礎上，以遼寧某在建寫字樓項目深基礎為工程背景，采用顆粒流數值模擬方法對該項目深基礎混凝土進行數值模擬研究，通過設置不同圍壓來模擬不同深度地層的復雜應力環境。從細觀角度對復雜應力環境下混凝土的應力關系、破壞模式做進一步研究，為高層建筑深基礎混凝土提供可靠的理論依據。

1 混凝土配合比設計

為獲得較為準確的細觀參數，在進行數值模擬之前應先制備與實際工程相同的水泥混凝土。為模擬深基礎混凝土所受的復雜應力環境，需對混凝土試件進行常規三軸壓縮試驗，通過對混凝土施加圍壓來近似模擬其在地層深部所受到的構造應力。因此，粗集料尺寸應適當縮小。結合遼寧某在建寫字樓項目，根據《普通混凝土配合比設計規程》，計算滿足深基礎混凝土的配合比為水泥：水：砂：粗集料=389：197：566：1321。將水泥、砂、粗集料混摻，然后加水攪拌均勻，最終制得直徑50 mm、高100 mm 的標準圓柱試件。混凝土三軸試驗在MTS815.02 多功能伺服試驗系統上進行。根據基礎埋置深度，設置圍壓分別為2 MPa、4 MPa、6 MPa 和8 MPa。

2 數值模型建立

利用PFC3D 對混凝土進行三軸壓縮模擬時，峰值強度取決于顆粒之間的相互作用。在顆粒離散單元法中，顆粒之間的相互作用滿足牛頓第二定律，不需要滿足位移連續及變形協調方程，因此采用PFC3D 對混凝土進行三軸壓縮試驗模擬是切實可行的。PFC 數值模擬試驗流程為：生成試樣→參數賦值→預壓→伺服機制施加圍壓→進行數值試驗。為了便于模型建立，將混凝土材料視為由集料和膠凝材料組成，且不同類型材料均由球形顆粒代替，顆粒間接觸采用平行黏結模型。

圖1 為顆粒流三軸壓縮試驗模型，其中頂面、底面墻體模擬剛性加載板，圓柱墻體模擬圍壓加載板，生成試樣的直徑和高度與室內試驗試樣相同（Φ50×100 mm）。圖中深色顆粒為兩種粗集料，粒徑范圍分別為（1.0～1.05）mm 和（2.0～2.05）mm，白色顆粒為砂和水泥膠結材料，粒徑范圍為（0.5～0.55）mm，三種粒徑顆粒個數分別為6835、4101 和2374 個。試驗過程中圓柱墻體則通過伺服機制對試樣施加恒定圍壓，當圍壓達到預定值時，通過上下加載板對試樣施加軸壓直至試樣失穩破壞。

圖1 混凝土三軸壓縮試驗模型

3 試驗結果分析

圖2 為不同圍壓下，深基礎混凝土試樣的常規三軸壓縮應力—應變曲線。由圖2 可知，混凝土試樣的應力—應變曲線具有與巖石類材料相似的特征，可分為4 個變形階段，即彈性階段、塑性屈服階段、峰后應力跌落階段和殘余階段。當圍壓較低時，試樣達到峰值強度后迅速跌落，峰后曲線較為“陡峭”，當圍壓較高時，試樣的峰后曲線有延緩趨勢，表明圍壓的增大使試樣逐漸由脆性破壞轉變為塑性破壞。且從圖2 中還可以明顯看出，圍壓的增大使得試樣的峰值強度逐漸提升。

表1 為不同圍壓下的混凝土的三軸壓縮數值試驗結果。從表1 可以看出，隨著圍壓的逐漸增大，試樣的峰值強度、峰值應變及彈性模量均呈逐漸遞增趨勢變化。可見，圍壓隨混凝土的宏觀力學參數具有顯著的提升作用，且圍壓對峰值強度影響最大，其次為峰值應變，最后為彈性模量。

圖2 不同圍壓下混凝土試樣的三軸壓縮應力-應變曲線

表1 混凝土數值試驗統計結果

根據表1 繪制各力學參數隨圍壓的分布曲線如圖3 所示，采用Origin 軟件對各力學參數進行最小二乘擬合發現，混凝土試樣的峰值強度、峰值應變及彈性模量均與圍壓之間滿足線性函數關系，三者與圍壓之間的擬合相關系數均在0.95 以上，表明三者與圍壓之間具有良好的相關性。

4 結束語

（1）基于PFC3D 建立了滿足工程實際的混凝土三軸試驗數值試樣，通過參數標定找到了滿足混凝土數值試驗細觀參數。

圖3 混凝土試樣的宏觀力學參數與圍壓之間的關系

（2）隨著圍壓的逐漸增大，深基礎混凝土試樣的峰值強度、峰值應變和彈性模量均呈逐漸增大趨勢，圍壓由2 MPa 增大至8 MPa，試樣的峰值強度提升了53.42%，峰值應變提升了29.90%，彈性模量提升了21.01%。圍壓對峰值強度的影響更強。

（3）采用Origin 軟件擬合發現，峰值強度、峰值應變和彈性模量均隨圍壓呈線性遞增變化，三者與圍壓之間的擬合相關系數均在0.95 以上，表明三者與圍壓之間具有良好的線性相關性。