宋玉普，段小亮，施林林

（大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

大型混凝土結(jié)構(gòu)，特別是水工大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在使用過程中除了承受靜態(tài)荷載的作用外，還要承受復(fù)雜的動(dòng)態(tài)荷載的作用.動(dòng)態(tài)荷載對(duì)混凝土的力學(xué)性能影響較大，如拱壩有些部位處于動(dòng)態(tài)多軸拉壓應(yīng)力狀態(tài)，而這種狀態(tài)下的混凝土抗拉強(qiáng)度低于單軸抗拉強(qiáng)度，其抗壓強(qiáng)度也低于單軸抗壓強(qiáng)度［1］.對(duì)混凝土在動(dòng)態(tài)多軸應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度和變形狀態(tài)的研究較多［2－8］，但大多集中在普通混凝土上.由于骨料密度不同，大骨料混凝土與小粒徑骨料混凝土性能差異較大.有關(guān)資料［9］表明：全級(jí)配大壩混凝土試件的抗壓強(qiáng)度普遍低于濕篩小試件，平均降幅可達(dá)20%左右，而其抗拉強(qiáng)度的平均降幅更大，可達(dá)30%以上.本文比較了大骨料混凝土和濕篩二級(jí)配混凝土在動(dòng)態(tài)三軸拉壓壓應(yīng)力狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度特征，并給出了大骨料混凝土和濕篩二級(jí)配混凝土的破壞準(zhǔn)則，為大體積混凝土的設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)和理論依據(jù).

1 試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

大骨料混凝土采用大壩水位變化區(qū)常用的三級(jí)配混凝土，配合比參照文獻(xiàn)［10］，見表1.濕篩二級(jí)配混凝土的配合比采用篩除粒徑大于40mm 骨料后的大骨料混凝土配合比.

表1 三級(jí)配混凝土的配合比Table 1 Mix proportion of three graded concrete［10］ kg／m3

按照斷面最小邊長尺寸不得小于骨料最大粒徑的3倍和均勻拉伸段不得小于斷面邊長的要求［11］，試件采用棱柱體試件，大骨料混凝土試件尺寸為250mm×250mm×400mm，濕篩二級(jí)配混凝土試件尺寸為150mm×150mm×300mm.目前實(shí)現(xiàn)混凝土受拉的辦法有放大試件端部、嵌入預(yù)埋件、膠黏和摩擦錨夾等［12］.通過比較，本試驗(yàn)采用嵌入預(yù)埋件的方法，在棱柱體試件的兩端各預(yù)埋4根螺栓，為消除在局部引起的應(yīng)力偏差，用鋼筋按順序?qū)⒙菟ê附?，如圖1所示.在澆筑過程中，用專用的夾具將螺栓固定，以免試件晃動(dòng)產(chǎn)生初始偏心.

圖1 試件示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen（size：mm）

所有試件均按DL／T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)范》制作和養(yǎng)護(hù).試件分批澆筑，澆筑時(shí)保證預(yù)埋螺栓始終保持豎直無偏斜，并在養(yǎng)護(hù)期間定期在螺栓上抹油，防止螺栓銹蝕.試件加載前，測(cè)得大骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為19.29 MPa，濕篩二級(jí)配混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為24.51MPa.

1.2 加載條件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)定了4 種應(yīng)變率˙εdt（10－5，10－4，10－3，10－2／s）和7種三軸應(yīng)力比σ1∶σ2∶σ3（0.10∶－0.25∶－1.00，0.10∶－0.50∶－1.00，0.10∶－0.75∶－1.00，0.10∶－1.00∶－1.00，0.05∶－1.00∶－1.00，0.20∶－1.00∶－1.00和0.30∶－1.00∶－1.00），并視拉應(yīng)力（σ1）為正.每個(gè)加載條件下均只記錄正常破壞的數(shù)據(jù).

1.3 試驗(yàn)裝置及測(cè)試

試驗(yàn)設(shè)備采用大連理工大學(xué)新研制的大型混凝土靜、動(dòng)態(tài)三軸液壓伺服試驗(yàn)系統(tǒng)，可進(jìn)行單軸、雙軸、三軸應(yīng)力下的各種靜、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，且3個(gè)方向的加載頭均可以提供最大分別為3 000kN 的壓力和1 000kN的拉力.

為了防止試驗(yàn)過程中加載頭相互碰撞，設(shè)計(jì)了2套尺寸分別為140 mm×140 mm×40 mm 和240mm×240mm×50mm 的加載板，并用彈簧將其與荷載傳感器后面的加力架相連；為實(shí)現(xiàn)豎直方向受拉，設(shè)計(jì)了2套尺寸分別為150mm×150mm×40mm 和250mm×250mm×50mm 的加載板和球鉸裝置.

試驗(yàn)前對(duì)混凝土試件表面進(jìn)行機(jī)械打磨，并在試件受壓方向上采用減摩措施.具體做法為：在3層塑料薄膜間涂2層適量甘油，并用甘油將其貼到試件受壓面上.在受拉方向上，將試件兩端與上下拉壓球鉸通過螺栓連接.試件安裝完成后，每個(gè)加載方向均安裝2個(gè)位移傳感器（LVDT），測(cè)量值取2個(gè)位移傳感器讀數(shù)的平均值，以消除機(jī)械和安裝原因引起的測(cè)量誤差，如圖2所示.

圖2 動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)裝置Fig.2 Facility of dynamic triaxial test

2 結(jié)果與分析

2.1 試件破壞形態(tài)

大骨料混凝土和濕篩二級(jí)配混凝土試件的典型破壞形態(tài)見圖3.由圖3可知，2種試件的破壞均為典型的拉伸破壞，斷面比較平整且垂直于拉應(yīng)力方向.并且試件為脆性破壞，斷裂時(shí)伴有爆裂聲.加載速率越大，加載時(shí)間越短，斷裂面上出現(xiàn)的碎片越少.試件斷面呈現(xiàn)骨料破壞、砂漿破壞和界面黏結(jié)破壞3種形態(tài)，且隨著應(yīng)變率的提高，骨料破壞的比例（骨料破壞面積與斷面面積的比值）大幅提高.相同應(yīng)變率下，大骨料混凝土試件骨料破壞的比例小于濕篩二級(jí)配混凝土試件骨料破壞的比例，如圖4，5所示.

圖3 大骨料混凝土和濕篩二級(jí)配混凝土試件的典型破壞形態(tài)Fig.3 Typical failure patterns of large aggregate concrete and wet－screened concrete specimens

圖4 不同應(yīng)變率下濕篩二級(jí)配混凝土試件的斷面形態(tài)Fig.4 Fracture surfaces of wet－screened concrete specimens

圖5 不同應(yīng)變率下大骨料混凝土試件的斷面形態(tài)Fig.5 Fracture surfaces of large aggregate concrete specimens

2.2 動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度

在不同應(yīng)力比和不同應(yīng)變率下測(cè)試大骨料混凝土和濕篩二級(jí)配混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，結(jié)果列于表2.

由表2可知，大骨料混凝土和濕篩二級(jí)配混凝土在動(dòng)態(tài)三軸拉壓壓應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度變化相似：其動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度均低于單軸抗拉強(qiáng)度，且均隨應(yīng)變率的提高而增大.視10－5／s為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率（˙εt），此時(shí)混凝土的單軸抗拉強(qiáng)度為準(zhǔn)靜態(tài)抗拉強(qiáng)度（ft），作出大骨料混凝土及濕篩二級(jí)配混凝土抗拉強(qiáng)度增長系數(shù)與應(yīng)變率比的關(guān)系圖（見圖6）.

由圖6可見，混凝土抗拉強(qiáng)度增長系數(shù)與應(yīng)變率比的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，其關(guān)系式如下：

表2 大骨料混凝土和濕篩二級(jí)配混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度Table 2 Dynamic tensile strength of large aggregate concrete and wet－screened concrete MPa

圖6 混凝土抗拉強(qiáng)度增長系數(shù)與應(yīng)變率比的關(guān)系圖Fig.6 Relationship between increasing coefficient of concrete tensile stength and strain rate ratio

采用式（1）對(duì)文獻(xiàn)［3，13－14］中的動(dòng)態(tài)單軸拉伸強(qiáng)度、雙軸拉壓強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，這說明式（1）還可適用于單軸拉伸和雙軸拉壓的情況.由此可見，混凝土在單軸拉伸、雙軸拉壓、三軸拉壓壓的應(yīng)力狀態(tài)下，其抗拉強(qiáng)度增長系數(shù)均與應(yīng)變率比的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系.

2.3 應(yīng)力比對(duì)動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度的影響

由表2可知，大骨料混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度均低于濕篩二級(jí)配混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度.這是因?yàn)殡m然大骨料混凝土試件中單個(gè)骨料黏結(jié)力較大，但其破壞面上骨料被拔出的數(shù)量明顯少于濕篩二級(jí)配混凝土試件，并且其破壞面上骨料破壞的比例小于濕篩二級(jí)配混凝土試件，所以其動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度較低［15］.當(dāng)σ1∶σ2和σ1∶σ3較小（0.05～0.13）時(shí)，大骨料混凝土比濕篩二級(jí)配混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度降低的比例隨著應(yīng)變率的提高而增大，增大值均在20%以上，即應(yīng)變率越高，大骨料混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度比濕篩二級(jí)配混凝土降低得越多；當(dāng)σ1∶σ2或σ1∶σ3較大（＞0.13）時(shí)，大骨料混凝土比濕篩二級(jí)配混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度降低的比例隨應(yīng)變率的變化無明顯規(guī)律性，但其變化值不超過12%.

由表2 還可看出：應(yīng)變率相等時(shí)，在等側(cè)壓（σ2＝σ3）的條件下，混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度隨一、三主應(yīng)力比（σ1∶σ3）的增大而增大，且增大的幅度均在100%以上；應(yīng)變率相等時(shí)，在一、三主應(yīng)力比不變（σ1∶σ3＝0.10）的條件下，混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度隨第二主應(yīng)力的增大而減小，但減小幅度不大，均在20%～35%之間.

2.4 動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度的率效應(yīng)

由表2可知，大骨料混凝土和濕篩二級(jí)配混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度均隨應(yīng)變率的提高而增大，但大骨料混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度增大的百分比小于濕篩二級(jí)配混凝土，即在動(dòng)態(tài)三軸拉壓壓狀態(tài)下，大骨料混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變率的敏感性小于濕篩二級(jí)配混凝土；三軸應(yīng)力比（σ1∶σ2∶σ3）發(fā)生變化時(shí)，大骨料混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度隨應(yīng)變率增大而增大的百分比變化不大，即大骨料混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變率的敏感性受應(yīng)力比的影響不大；在等側(cè)壓（σ2＝σ3）的條件下，大骨料混凝土和濕篩二級(jí)配混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度的增大值隨一、三主應(yīng)力比（σ1∶σ3）的增大而逐漸靠近.

3 八面體空間破壞準(zhǔn)則

從以上分析可以看出，在動(dòng)態(tài)三軸拉壓壓應(yīng)力狀態(tài)下，第二主應(yīng)力對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度的影響不可忽略，因此在建立動(dòng)態(tài)破壞準(zhǔn)則時(shí)必須考慮第二主應(yīng)力的影響.本試驗(yàn)在八面體應(yīng)力空間中建立破壞準(zhǔn)則，將表2中的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為八面體正應(yīng)力（σoct）和八面體剪應(yīng)力（τoct），計(jì)算公式如下：

根據(jù)以往關(guān)于大骨料混凝土動(dòng)態(tài)破壞準(zhǔn)則的研究［16］，通過八面體應(yīng)力與混凝土立方體抗壓強(qiáng)度（fc）的比值來消除不同混凝土強(qiáng)度的影響，得到了考慮應(yīng)變率比影響的破壞準(zhǔn)則.

對(duì)于濕篩二級(jí)配混凝土，有：

對(duì)于大骨料混凝土，有：

4 結(jié)論

（1）大骨料混凝土和濕篩二級(jí)配混凝土在動(dòng)態(tài)三軸拉壓壓應(yīng)力狀態(tài)下的破壞形態(tài)均為典型的拉伸破壞，破壞面上骨料破壞的比例隨應(yīng)變率的增大而增大.相同應(yīng)變率下，與濕篩二級(jí)配混凝土相比，大骨料混凝土破壞面上骨料破壞的比例較小.

（2）大骨料混凝土和濕篩二級(jí)配混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度均隨應(yīng)變率的提高而增大，抗拉強(qiáng)度增長系數(shù)均與應(yīng)變率比的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系.

（3）大骨料混凝土和濕篩二級(jí)配混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度均小于其單軸抗拉強(qiáng)度.且大骨料混凝土較濕篩二級(jí)配混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度低.當(dāng)拉應(yīng)力與兩側(cè)壓應(yīng)力比值較?。?.05～0.13）時(shí)，動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度降低的比例隨著應(yīng)變率的提高而增大.

（4）應(yīng)變率相同時(shí)，在等側(cè)壓條件下，混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度隨拉壓應(yīng)力比的增大而增大；當(dāng)一、三主應(yīng)力比不變時(shí)，混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度隨第二主應(yīng)力的增大而減小，但減小幅度不大.

（5）在動(dòng)態(tài)三軸拉壓壓應(yīng)力狀態(tài)下，大骨料混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變率的敏感性較小，且受應(yīng)力比的影響不大；大骨料混凝土和濕篩二級(jí)配混凝土對(duì)應(yīng)變率的敏感性隨一、三主應(yīng)力比的增大而逐漸靠近.

（6）在八面體應(yīng)力空間中分別建立了大骨料混凝土和濕篩二級(jí)配混凝土在動(dòng)態(tài)三軸拉壓壓應(yīng)力狀態(tài)下的破壞準(zhǔn)則，為水工混凝土多軸動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的理論設(shè)計(jì)提供了依據(jù).

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