水庫心墻壩體材料混凝土三軸力學特征分析研究

美麗古麗，西爾艾力，李光雄

(1.新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

水工建筑中混凝土材料應用范圍較廣，在不同荷載工況中，混凝土材料的配合比或其他摻料差異均會對其力學穩定性能產生較大影響，故而探討三軸力學特征受不同因素耦合影響效應具有重要作用[1-3]。目前，已有一些專家、學者利用顆粒流軟件及其他數值仿真手段，研究了單、三軸試驗條件下三軸力學特征變化，為室內試驗研究提供了理論依據[4-6]。但限于數值計算的不確定性，利用工程現場原位試驗，揭示原位巖石或混凝土力學性能，可為實際工程設計或材料認知提供重要參考[7-8]。利用室內試驗手段，依據工程實際荷載工況，設計不同荷載實驗條件，為探討水工建筑實際力學狀態提供實際準確解，極大提升水工建筑混凝土材料力學性能應用水平[9-11]。本文以三軸力學加載作為試驗條件，設計不同水灰比、加載速率混凝土試驗組，研究混凝土力學特征受之影響特性。

1 試驗概況

本次混凝土材料是南疆地區某水庫心墻壩體材料，其三軸試驗采用液壓試驗機程序控制加載，可根據試樣類型設計應變式或力控式加載形式，保證試樣加載精確控制，力傳感器最大可測量至1000 kN，變形傳感器測量范圍為-10～10 mm，另采用排油法可精確測定試樣體積變形，為研究混凝土等巖石材料體積膨脹擴容等特性，三軸試驗圍壓最大可達90 MPa，另可根據試驗環境需要，設定不同試驗溫度，工作溫度為-15～120 ℃，數據采集間隔為0.5 s，精度誤差低于0.5%，并可實時查看試樣加載過程中應力應變狀態。本試驗所采用的設備如圖1所示。

圖1 三軸試驗儀器

三軸試驗是以中間主應力與第三主應力相等的假設為前提進行，混凝土試樣受力形態如圖2所示。

圖2 三軸試驗條件下混凝土試樣受力狀態

為研究心墻壩體混凝土材料的最佳配合比，考慮材料水灰比參數對試樣力學特征影響特性，設計不同水灰比組、不同圍壓組，探討獲得混凝土材料力學基本特性。所選水灰比參數分為0.35、0.40、0.45，且保證各組塌落度均滿足本工程中設計要求。各圍壓組設定圍壓分別為0 MPa、2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa，加載方式為變形控制，速率均為0.002 mm/s。以目標配合比完成試樣制作后，須在室內完成精加工，打磨各端面，保證符合巖石力學實驗規范要求[12-13]，其中各試樣徑高尺寸分別為100 mm×200 mm；另確保各試樣均在相同養護時間下進行初始裂隙愈合，確保試樣初始裂隙狀態近乎一致，減少由于制樣而帶來的損傷誤差。另為模擬不同荷載變形速率影響下混凝土力學性能變化特征，以其中三個圍壓作為對比組，分別設計五個不同荷載變形速率0.0002 mm/s、0.002 mm/s、0.02 mm/s、0.2 mm/s、2 mm/s，具體各組實驗配合比及試驗圍壓如表1所示。

表1 各實驗組圍壓及配合比

每個試樣三軸力學試驗均按照如下步驟進行：

(1)從養護箱內取出已養護好試樣，完成相關物理參數測定，套上隔油膜后，放入三軸缸內，并安裝好變形傳感器等。

(2)首先加載圍壓至目標值，調整軸向荷載加載速率，開始試驗，采集全過程試樣應力應變特征，直至試樣失穩破壞。

(3)卸除圍壓與軸壓后，取出試樣，更換其他試樣，進行另一組對應的圍壓與加載速率三軸試驗。

2 混凝土三軸力學特征

2.1 不同圍壓下力學特征

基于不同圍壓下混凝土試樣力學破壞試驗，獲得了圍壓影響下混凝土試樣三軸應力應變曲線，如圖3所示。

圖3 圍壓影響下混凝土試樣三軸應力應變曲線

從圖中可看出，圍壓愈大，加載過程中應力愈高，在應變0.03時，圍壓2 MPa時應力值為48.34 MPa，而圍壓增大至4 MPa、6 MPa、8 MPa后，相同條件下應力值相對前者分別增大了4.9%、18.3%、40.9%。另從應力應變曲線變化全過程可看出，當圍壓增大，混凝土試樣脆性破壞特征顯著減弱，峰值應力后應力下降幅度較低，圍壓8 MPa下峰值應力后應力下跌幅度僅為5.2%；分析認為，當圍壓增大，可極大限制宏觀裂紋的發展，導致宏觀裂紋無法在試樣內部貫通形成，因而在峰值應力后期持續保持較大承載力，表現在峰值應力上即是處于較高水平。從變形特征來看，高圍壓下混凝土試樣以塑性變形為主，線彈性變形占比較少，圍壓8 MPa下峰值應力點相對應應變值為0.0902，而圍壓為2 MPa、4 MPa、6 MPa時峰值應力點相應應變值分別為0.049、0.074、0.085，即峰值應力點應變值隨圍壓增大而遞增，圍壓增強了側向束縛力，導致試樣軸向變形較大。

圖4為三個不同水灰比條件下混凝土試樣峰值應力變化曲線。

圖4 混凝土試樣峰值應力變化曲線(加載速率0.02 mm/s)

從圖中可看出，相同水灰比下圍壓愈高，則峰值應力愈大，水灰比0.35時圍壓8 MPa下的峰值應力是圍壓2 MPa下的1.6倍，而當水灰比增大至0.45時，兩者之間差距為1.28倍，即水灰比增大可削弱圍壓對混凝土試樣峰值應力的正向促進作用；筆者認為，水灰比增大，導致混凝土試樣內部構成主體骨架的膠凝材料大大減少，進而試樣開口式裂隙大量增多，使得各混凝土試樣在圍壓側向束縛效應下，更趨于一致性，即試樣峰值應力幅度差異愈小。

2.2 水灰比影響下力學特征

為研究水灰比對混凝土試樣力學特征影響特性，獲得相同圍壓下不同水灰比的混凝土試樣應力應變曲線，如圖5所示。

圖5 水灰比影響下混凝土試樣三軸應力應變曲線(圍壓4 MPa)

從加載應力以及峰值應力變化特征可知，水灰比愈大，則混凝土試樣峰值應力愈低，在圍壓同為4 MPa時，水灰比0.45下的峰值應力為34.1 MPa，而水灰比0.35、0.40參數下的混凝土試樣峰值應力相比前者增大了88.8%、43.9%，即水灰比可抑制混凝土試樣應力增長效應，更大的水灰比參數造成了水泥這類膠凝劑的減少，無法較好填充混凝土內部孔隙，極大減弱了試樣承載力。從變形特征來看，水灰比愈小，則混凝土試樣脆性破壞特征更明顯。從應變量值來看，水灰比參數愈大，則混凝土材料變形能力愈強，其中水灰比0.45混凝土試樣的峰值應力點相應的應變值為0.052，而水灰比0.35、0.40對應的應變值分別為0.087、0.110，分析認為水灰比愈大，不僅可抑制試樣應力增長，且限制了混凝土試樣變形的擴展；從水利工程應用角度考慮，應根據工程實際荷載狀態，選擇最佳水灰比參數，才可保證混凝土試樣處于較為理想應力變形狀態。

3 三軸加載速率對混凝土力學特征影響

不同加載變形速率對混凝土試樣三軸力學特征具有較大影響，本文以不同三軸加載速率為試驗研究條件，研究加載速率與三軸力學特征之間關系。

對混凝土試樣應力應變影響情況見圖6。

圖6 加載速率影響下混凝土試樣三軸應力應變曲線

由圖6可看出，加載速率愈大，則三軸加載應力愈大，當處于相同應變0.06時，加載速率為0.0002 mm/s的混凝土試樣應力為62.5 MPa，而加載速率為2 mm/s、0.2 mm/s、0.02 mm/s、0.002 mm/s時，相應的加載應力分別為前者的1.14倍、1.08倍、1.07倍、1.03倍；從加載應力差異來看，五個不同速率的混凝土試樣均在加載應力56.5 MPa前基本保持一致，當加載應力超過該節點后，不同加載速率的試樣力學特征差異才較顯著。筆者認為，當加載速率較大時，混凝土試樣內粗細骨料會逐步填充到細小裂紋中，進而導致受外荷載形成的次生裂紋快速被壓密愈合，進而獲得較強抵抗裂紋擴展的能力；而在相同圍壓相同配合比試驗條件下，加載速率對試樣裂紋的影響一般要在屈服階段后才具有顯著差異，主要由于在線彈性變形階段，試樣均具有相同圍壓束縛作用，各試樣之間應力差異較小。另一方面，從加載速率對混凝土試樣變形影響特征來看，各加載速率下混凝土試樣的峰值應力點應變基本一致，均穩定在0.07，分析認為加載速率對混凝土試樣變形影響較小，此與三軸圍壓的存在具有較大關系，當圍壓均為0 MPa時(圖6(b))，即混凝土試樣處于單軸壓縮狀態，變形與應力均受之影響，高加載速率下混凝土試樣脆性變形破壞顯著，加載速率0.002 mm/s試樣的應力下降幅度不超過15%，由此表明，三軸加載速率對應力應變影響受圍壓束縛效應影響顯著。

圖7為相同圍壓條件下各水灰比組不同加載速率混凝土試樣峰值應力之間關系。

圖7 各水灰比組加載速率影響下混凝土峰值應力曲線(圍壓4 MPa)

從圖中曲線變化可知，各水灰比組中加載速率對試樣峰值應力影響變化均為一致，呈正向促進關系；但當水灰比處于較低水平時，各加載速率混凝土試樣間峰值應力差異顯著降低，在水灰比0.35試驗組中，加載速率0.0002 mm/s相比速率2 mm/s、0.02 mm/s下分別降低了5.34%、4.4%，而當水灰比增大至0.45時，相應的幅度為51.4%、44.2%。在水灰比處于較低水平時，加載速率對試樣承載力的影響顯著削弱，反之則加載速率對試樣承載力影響顯著，表明水灰比對加載速率影響混凝土承載力具有正向協同一致性。

4 結 論

(1)圍壓愈高，則混凝土試樣應力、應變均較大，相同加載應變下，圍壓4 MPa、6 MPa、8 MPa應力相比圍壓2 MPa時增大了4.9%、18.3%、40.9%，但高圍壓下峰值應力后期應力下降幅度較小。

(2)水灰比參數愈大，則混凝土試樣峰值應力愈小，相同圍壓下水灰比0.35、0.40參數下的混凝土試樣峰值應力相比水灰比0.45下增大了88.8%、43.9%；水灰比愈低，混凝土更趨于脆性破壞，應變愈大。

(3)三軸加載變形速率愈大，峰值應力愈高，特別在進入屈服變形階段后力學特征具有顯著差異，線彈性變形階段保持應力變形一致，各加載速率下的三軸試驗混凝土試樣的峰值應力點應變均為0.07，但單軸條件下混凝土變形受加載速率影響顯著。

(4)水灰比增大可削弱圍壓對混凝土峰值應力的正向促進作用；三軸加載速率對力學特性影響會受到圍壓束縛效應減弱；水灰比愈大，則不同加載變形速率間混凝土試驗力學特征愈顯著。