中間主應力對塑性混凝土變形性能的影響研究

朱鵬， 陳杰， 顧洋

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311122；2.中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣州 510610；3.華北水利水電大學，鄭州 450046）

0 引言

普通混凝土防滲墻在解決工程滲漏問題中發揮了重要作用。工程實踐表明，由于其與周圍巖土體變形性能相差較大，致使工程運行后易形成滲透隱患部位，有些工程甚至出現滲透破壞現象［1］。利用膨潤土替代普通混凝土中大部分水泥制作的塑性混凝土防滲墻克服了剛性混凝土墻的缺點，且塑性混凝土具有彈性模量低、極限變形大、易于泵送且不需振搗、凝固時間長、水泥用量大幅減少等特性，塑性混凝土防滲墻在防滲工程中已經廣泛使用。目前的研究成果還不能清楚地揭示塑性混凝土防滲墻實際受力變形特征及破壞機理，已有的研究側重于其配合比的選定、單軸及常規三軸應力下的力學性能。在單軸及較低圍壓下，塑性混凝土主要產生脆性破壞，而在較高圍壓下，則主要產生延性破壞；圍壓對其軸向應變影響顯著，在單軸壓縮下立方體試件峰值應變約為1%，而在較高圍壓下有時可達4%［2-4］。單軸及常規三軸壓縮下塑性混凝土軸向應力-應變關系也得到了研究［5-9］。文獻［10］、［11］研究了真三軸應力下塑性混凝土強度和擴容。但是沒有深入研究中間主應力對塑性混凝土軸向應力-應變曲線、體積變形及破壞特征的影響。為此，文中針對2組不同配合比的塑性混凝土，開展3～4種中間主應力的真三軸試驗，研究中間主應力對塑性混凝土軸向應力-應變曲線、軸向應變-體積應變曲線及破壞特征的影響，重點研究中間主應力對塑性混凝土軸向大變形性能、體積擴容及破壞特征的影響。

1 試驗設計和試驗方法

1.1 試驗設計

采用2組配合比制作150mm×150mm×150mm立方體塑性混凝土試件，編號分別為P5-1和P6-1。P5-1的配合比為水：水泥：膨潤土：黏土：砂：碎石：減水劑=360：220：110：150：630：630：4.4，標準條件下養護28d后，測的試件單軸抗壓強度為5.8MPa。P6-1的配合比為水：水泥：膨潤土：黏土：砂：碎石：減水劑=360：240：100：175：615：615：4.8，標準條件下養護28d后，測的試件單軸抗壓強度為6.7MPa。作為對比，塑性混凝土真三軸試驗中最小主應力σ3分別為0.4MPa和0.8MPa，中間主應力σ2設置了3～4個級別，具體的配合比見和側向壓力值見表1。

表1 塑性混凝土配合比和真三軸試驗側向壓力值

1.2 試驗步驟

真三軸試驗前對養護好的試件進行檢查和分組，按照設計的應力水平開展試驗。試驗過程中先在3個方向施加最小主應力σ3，然后保持一個方向應力恒定，在其他兩個方向增大設定的中間主應力值σ2，之后保持最小主應力和中間主應力不變，在最后一個方向施加荷載，直至試件發生破壞。試驗過程中，通過電子位移傳感器，實時量測試件在3個方向的變形，并對試件破壞后的形態進行描述。

2 試驗結果分析

通過對試驗結果進行分析，發現中間主應力對塑性混凝土的變形性能有較大的影響，下面分別從軸向應變、體應變和破壞特征進行說明。

2.1 中間主應力對軸向應變的影響

不同中間主應力作用下塑性混凝土的軸向應力-應變關系曲線如圖1和圖2所示。從圖中可以看出，在相同的最小主應力下，隨著中間主應力σ2的增大，2組不同配合比的試件的峰值強度和峰值應變均呈增大趨勢，試件的應力應變曲線具有相似的特征。在最小主應力為0.4MPa時，應力應變曲線在峰值前近似為直線，且隨著中間主應力的增大，切線模量有增大的趨勢；但在最小主應力為0.8MPa時，2組試件在峰前均表現出較明顯的壓密階段，且隨著中間主應力的增大，壓密階段越加明顯。

圖1 P5-1塑性混凝土軸向應力-應變曲線

圖2 P6-1塑性混凝土軸向應力-應變曲線

在試件達到峰值后，隨著中間主應力的增大，試件存在從應變軟化向應變硬化轉變的現象，出現近似水平的階段越來越明顯。說明中間主應力的增大，限制了試件的側向變形，提高了試件的延性特性。如P5-1塑性混凝土，當σ3=0.8MPa，隨著σ2從0.8MPa增加至1.0、1.6、2.0MPa，其峰值強度和峰值應變均增加，近似水平的直線段長度也增加，如在最小和中間主應力為（0.8MPa、1.0MPa）和（0.8MPa、1.6MPa）下，其近似水平直線段的長度分別為4.4%和5.8%。

2.2 中間主應力對體積應變的影響

中間主應力對試件的體積應變也有較明顯的影響，不同中間主應力作用下軸向應變-體應變曲線如圖3和圖4。從圖中可以看出，試件軸向應變-體應變曲線具有相似的分布特征，曲線總體表現為3個階段，初始上升段、近似直線上升段和曲線下降段，且曲線具有明顯的峰值點。對于相同配合比的塑性混凝土，當σ3相同時，隨著σ2的逐漸增大，軸向應變-體應變曲線發生顯著變化，表現為曲線整體向上抬升，峰值點的軸向應變和體積應變增大，但上升段的曲線斜率變化很小，曲線形態基本相同，下降段曲線變得平緩。說明隨著中間主應力的增大，試件整體的軸向應變和體積應變都增大，且增大的幅度近似相同。通過曲線先上升后下降的形態，說明側向變形的規律，在加載初期，體積應變隨著軸向應變的增大而增大，側向變形對體積變形影響較小，側向約束作用明顯，但隨著軸向變形的增大，在達到某時刻，體積應變反而出現減小，說明此時側向變形顯著的減小，試件整體的體應變出現，說明此時試樣側向約束作用降低。

圖3 P5-1塑性混凝土軸向應變-體應變曲線

圖4 P6-1塑性混凝土軸向應變-體應變曲線

2.3 中間主應力對體積變形模量的影響

兩組塑性混凝土在不同側壓下的平均應力-體應變εv曲線σm=（σ1+σ2+σ3）/3見圖5和圖6。結果表明對于相同配合比的塑性混凝土，當最小主應力相同時，在不同中間主應力作用下，其平均應力-體應變曲線具有類似的分布特征，曲線可分為4個階段，即初始上升段、近似直線上升段、曲線上升段和下降段。例如小主應力σ3為0.4MPa，中主應力σ2為0.6MPa的情況，在加載初期0A段，體應變平均應力隨著體應變的增大逐漸增大，表現為初始上升趨勢，隨著平均應力的進一步增大，體積應變隨著平均應力近似線性增長，表現為AB段，而在B點之后，體應變隨著平均應力增長速度變緩，表現為BC段的曲線上升，在C點體應變達到最大值，之后體應變隨著平均應力的減小而逐漸減小。從圖中也可以看出，隨著中間主應力的增大，平均應力-體應變曲線分布形態類似，直線上升段的斜率幾乎不發生變化。即隨著中間主應力增加，塑性混凝土體積彈性模量幾乎不變，但平均應力和最大體積壓縮應變增加，其抗裂能力增加。

圖5 P5-1塑性混凝土平均應力-體應變曲線

圖6 P6-1塑性混凝土平均應力-體應變曲線

2.4 中間主應力對破壞特征的影響

在中間主應力恒定的真三軸壓縮試驗條件下，塑性混凝土立方體試件典型變形破壞過程可分為2個階段，即前期體積壓縮和后期體積膨脹，并伴隨豎向裂紋與剪切裂縫先后產生及發展。試驗前期，軸向與側向均受壓產生壓縮變形，試件體積減小；隨著軸向持續加載，其軸向一直產生壓縮變形，而側向先壓縮后膨脹，當側向膨脹變形速率大于軸向變形速率時，試件體積壓縮量最小，之后體積開始膨脹，這時出現幾乎平行于最大主應力方向的裂紋，如圖7（a）所示。隨著軸向荷載繼續增加，豎向裂紋數目和寬度逐漸增加，但達到一定階段后，豎向裂紋發展逐漸減弱而剪切裂縫開始形成并不斷發展，且剪切裂縫主要位于最小主應力的作用方向。當側壓相等時，4個側面均出現剪切裂縫，隨著中間主應力與最小主應力差值增大，剪切面向最小主應力作用下方向轉移，且兩者差值越大，該特征越明顯，圖7（b）為真三軸壓縮下不同側壓下塑性混凝土的破壞特征。

圖7 不同側壓下塑性混凝土的破壞特征

3 結語

通過開展兩種配合塑性混凝土的真三軸試驗，研究了中間主應力對塑性混凝土變形性能的影響，主要結論如下：

（1）在側向壓力恒定的真三軸壓縮試驗中，中間主應力對塑性混凝土軸向變形、體積變形和應力-應變曲線影響較為顯著。在最小主應力恒定條件下，隨著中間主應力的增加，塑性混凝土軸向峰值強度、峰值應變、體積最大壓縮量和應力-應變曲線延性段的長度均有明顯增加，增加了其延性變形能力和抗裂性能，但對峰值前的變形模量和體積變形模量影響較小。

（2）在側向壓力恒定的真三軸壓縮試驗下，塑性混凝土的變形破壞過程可分為前期體積壓縮和后期體積膨脹兩個階段；中間主應力影響試件破壞的特征，其破壞面主要出現在最小主應力方向，且隨著中間主應力與最小主應力差值增大，破壞特征就越明顯。