王 　 浩，　王 立 成，　宋 玉 普*

( 1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連　116024；

2.遼寧建筑職業(yè)學(xué)院 建筑經(jīng)濟(jì)系， 遼寧 遼陽(yáng)　111000 )

?

飽和大骨料混凝土動(dòng)態(tài)雙軸受壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究

王 浩1,2，王 立 成1，宋 玉 普*1

( 1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連116024；

2.遼寧建筑職業(yè)學(xué)院 建筑經(jīng)濟(jì)系， 遼寧 遼陽(yáng)111000 )

摘要：分別通過(guò)試驗(yàn)研究了飽和與干燥大骨料混凝土試件在動(dòng)態(tài)雙軸受壓狀態(tài)下的強(qiáng)度特征．試驗(yàn)采用大型混凝土靜、動(dòng)態(tài)三軸液壓伺服試驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)定了4個(gè)數(shù)量級(jí)的應(yīng)變率(10-5、10-4、10-3、10-2s-1)和5種應(yīng)力比(0∶1、0.25∶1、0.50∶1、0.75∶1、1∶1)．根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析了孔隙水對(duì)大骨料混凝土動(dòng)態(tài)雙軸極限抗壓強(qiáng)度的影響，并提出了飽和大骨料混凝土動(dòng)態(tài)受壓破壞準(zhǔn)則．研究表明，飽和大骨料試件在動(dòng)態(tài)條件下的強(qiáng)度與干燥混凝土試件相比提高明顯，而在準(zhǔn)靜態(tài)條件下有所降低．在相同應(yīng)變率下，與單軸相比，雙軸極限抗壓強(qiáng)度在應(yīng)力比為0.50∶1時(shí)最大．

關(guān)鍵詞：大骨料混凝土；飽和；雙軸受壓；動(dòng)態(tài)受壓破壞準(zhǔn)則

0引言

水工大體積混凝土結(jié)構(gòu)在水環(huán)境中工作時(shí)經(jīng)常處于飽和狀態(tài)，如大壩、橋梁基礎(chǔ)及墩臺(tái)等．在使用過(guò)程中，除了承受靜態(tài)荷載的作用外，還要受到復(fù)雜的動(dòng)態(tài)荷載的作用．以上因素對(duì)混凝土的力學(xué)性能影響較大．目前已有大量大骨料混凝土靜、動(dòng)態(tài)多軸力學(xué)性能研究成果[1-8]，但大多集中在自然狀態(tài)下．水工混凝土建筑物長(zhǎng)期在水壓力環(huán)境中工作，除了受水壓力的影響，更重要的是受滲入到混凝土建筑物中自由水的影響，而且混凝土建筑物在實(shí)際工作狀態(tài)下多處于多軸應(yīng)力狀態(tài)，這與混凝土單軸受壓狀態(tài)下的變形和力學(xué)性能有所不同．已有試驗(yàn)研究[9-10]表明，混凝土在圍壓作用下的強(qiáng)度和延性相比單軸狀態(tài)有了明顯的增大．而多軸狀態(tài)下飽和混凝土極限抗壓強(qiáng)度動(dòng)態(tài)試驗(yàn)資料甚少．本文對(duì)飽和狀態(tài)下大骨料混凝土試件進(jìn)行動(dòng)態(tài)雙軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，探討飽和水對(duì)大骨料混凝土多軸動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響．

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)設(shè)備采用大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大型靜、動(dòng)態(tài)三軸液壓伺服試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(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3 000 kN的壓力和1 000 kN的拉力，滿足本試驗(yàn)的加載要求．試驗(yàn)時(shí)既可以進(jìn)行荷載控制又可以進(jìn)行位移控制．

為了使該系統(tǒng)適應(yīng)本試驗(yàn)混凝土試件尺寸，對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行了特別改造，設(shè)計(jì)合適尺寸的加載頭，尺寸為245 mm×245 mm×55 mm．加載過(guò)程由于加載頭自重大很易偏心，在每個(gè)加載板上設(shè)有球鉸裝置，這樣能夠保證試件對(duì)中，以保證試驗(yàn)中所采集到荷載值的精度．

1.2試件設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)采用三級(jí)配大骨料混凝土試件(250 mm×250 mm×250 mm)，混凝土配合比參照文獻(xiàn)[11]，如表1所示．水泥采用大連水泥廠生產(chǎn)的P.O4.25級(jí)水泥；粗骨料最大粒徑為80 mm；細(xì)骨料為中砂，細(xì)度模數(shù)為2.66；粉煤灰采用國(guó)家一級(jí)粉煤灰．每次制作前對(duì)砂子及石子的含水率進(jìn)行測(cè)量，減水劑選用大連建筑科學(xué)研究院研制的DK-6型萘系高效減水劑．

表1　大骨料混凝土的配合比(每m3)

混凝土澆筑結(jié)束后24 h拆模，放置到養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)90 d后取出，并將其分為兩組，每組60個(gè)試件．第一組，放入水槽中浸泡，6個(gè)月后試件質(zhì)量基本不變，試件破壞截面如圖1(a)所示，由圖可見此時(shí)試件完全飽和，并測(cè)得飽和狀態(tài)下試件的含水率為3.9%；第二組，放入烘干箱中，水分快速蒸發(fā)會(huì)使混凝土強(qiáng)度降低，為了避免類似情況發(fā)生，先50 ℃烘烤2 d，然后60 ℃烘烤2 d，70 ℃ 烘烤3 d，最后90 ℃烘烤至混凝土的質(zhì)量基本沒有變化為止[6]，試件破壞截面如圖1(b)所示，由圖可見試件完全干燥．

圖1　試件破壞截面

1.3試驗(yàn)過(guò)程

混凝土試件表面有強(qiáng)度偏低的水泥砂漿薄弱層，試驗(yàn)前對(duì)混凝土試件表面進(jìn)行機(jī)械打磨，消除加載面不平整對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響．另外，在試件受壓方向上，由于加載板與試件表面的摩擦力較大，能夠產(chǎn)生對(duì)混凝土試件的約束，故采取了減摩措施，減摩材料為塑料薄膜和甘油．具體做法是在3層塑料薄膜之間涂抹2層甘油，在塑料薄膜與試件加載面之間再涂1層甘油．加載前，先擺正試件，然后通過(guò)荷載控制，進(jìn)行3次預(yù)壓(預(yù)壓力分別為30、60、90 kN)．預(yù)壓結(jié)束后，安裝位移傳感器，每個(gè)加載方向的相對(duì)兩側(cè)各安裝1個(gè)，取2個(gè)位移傳感器測(cè)量值的平均值，作為試件變形值．

本文完成了飽和與干燥大骨料混凝土在4種應(yīng)變率(10-5、10-4、10-3、10-2s-1)下的動(dòng)態(tài)雙軸受壓試驗(yàn)，按兩個(gè)方向上預(yù)先設(shè)定的加載比例同時(shí)施加荷載，直至試件破壞．試驗(yàn)的三軸應(yīng)力比(σ2∶σ3)為0∶1、0.25∶1、0.50∶1、0.75∶1、1∶1共5種．每組試驗(yàn)包含3個(gè)試件，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一試件的強(qiáng)度值大于該組平均值的15%時(shí)，舍棄該數(shù)據(jù)并補(bǔ)充試件重新試驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)的可靠性．試驗(yàn)完畢后，拆下位移傳感器，取出試件．本文規(guī)定：壓應(yīng)力與壓應(yīng)變?yōu)檎姚?≤σ3，ε2≤ε3．

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1試件破壞形態(tài)

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在任何應(yīng)力比狀態(tài)下，試件在受壓過(guò)程中表面上裂紋數(shù)量隨著應(yīng)變率的增大而增多，并且試件破壞時(shí)聲音愈趨響亮，如圖2所示．飽和大骨料混凝土在動(dòng)態(tài)與靜態(tài)荷載作用下的破壞形態(tài)近似．由于試件與加載頭有減摩片作用，在任一應(yīng)變率下試件在單軸受壓時(shí)表現(xiàn)為柱狀破壞，如圖3所示．試件在雙軸受壓時(shí)，在不同應(yīng)力比下的試件在同一應(yīng)變率條件下的破壞模式如圖4所示，試件的破壞形態(tài)與應(yīng)變率的關(guān)系不大，主要取決于應(yīng)力比，雙軸受壓時(shí)，試件側(cè)向受力面上，出現(xiàn)大量與主壓力方向呈5°~40°的斜裂紋，與主應(yīng)力垂直方向上形成與側(cè)壓力平行的裂縫．當(dāng)應(yīng)力比α=1∶1 時(shí)，試件受到相等的雙向壓力的作用，變形受到雙向應(yīng)力的約束，在垂直于自由面的方向產(chǎn)生拉伸應(yīng)變，形成與加載方向平行的裂縫，破壞形狀為片狀．

圖2　應(yīng)力比為0.50∶1雙軸受壓試件在不同應(yīng)變率下典型破壞形態(tài)

圖3　單軸受壓條件下試件在不同應(yīng)變率下典型破壞形態(tài)

圖4　應(yīng)變率為10-2s-1時(shí)試件在不同應(yīng)力比下典型破壞形態(tài)

含水率對(duì)試件的破壞模式影響不大，如圖5所示，當(dāng)應(yīng)變率為10-3s-1，應(yīng)力比α=0.25∶1時(shí)，干燥與飽和混凝土試件均為片狀破壞．

2.2動(dòng)態(tài)極限抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)測(cè)得飽和與干燥狀態(tài)下，大骨料混凝土在不同應(yīng)變率和應(yīng)力比組合下的極限抗壓強(qiáng)度如表2、3所示．

由表2、3可以看出，當(dāng)應(yīng)變率一定時(shí)，飽和與干燥大骨料混凝土極限抗壓強(qiáng)度都隨應(yīng)力比的增大有先增大再減小的趨勢(shì)．當(dāng)應(yīng)力比為0.50∶1時(shí)，大骨料混凝土的極限抗壓強(qiáng)度最大．在動(dòng)態(tài)加載條件下，飽和大骨料混凝土的極限抗壓強(qiáng)度比干燥大骨料混凝土的極限抗壓強(qiáng)度要大；而在準(zhǔn)靜態(tài)加載條件(10-5s-1)下，飽和大骨料混凝土的極限抗壓強(qiáng)度比干燥大骨料混凝土的極限抗壓強(qiáng)度要小，如圖6所示．從細(xì)觀上說(shuō)[12]，在靜態(tài)條件下，由于加載速度慢，裂紋開展緩慢，孔隙水容易推到尖端，相當(dāng)于楔體的楔入作用，加速了裂紋開展，導(dǎo)致靜態(tài)條件下的飽和混凝土強(qiáng)度降低．在動(dòng)態(tài)條件下，對(duì)于飽和混凝土，除了荷載的慣性作用，孔隙水黏性也是導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度提高的主要原因，在快速加載條件下，孔隙水的黏性有很大提高，水的黏性在裂紋開裂方向施加一個(gè)反向作用力，阻礙裂紋開展，所以飽和混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度大于干燥混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度．

圖5應(yīng)變率為10-3s-1、應(yīng)力比為0.25∶1時(shí)飽和與干燥試件典型破壞形態(tài)

Fig.5Typicalfailuremodesofsaturatedanddryspecimensunderstrainrateof10-3s-1andstressratioof0.25∶1

表2　飽和大骨料混凝土試件動(dòng)態(tài)雙軸極限抗壓強(qiáng)度平均值

表3　干燥大骨料混凝土試件動(dòng)態(tài)雙軸極限抗壓強(qiáng)度平均值

2.3應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在飽和狀態(tài)下，大骨料混凝土在不同應(yīng)力比和應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示．這里規(guī)定壓應(yīng)變?yōu)檎?，拉?yīng)變?yōu)樨?fù)． 由圖7可以看出，飽和混凝土試件在同一應(yīng)力比下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形式基本一致，當(dāng)應(yīng)力比為1∶1時(shí)，主應(yīng)變和側(cè)應(yīng)變相同．當(dāng)應(yīng)力比為0.25∶1時(shí)，試件側(cè)應(yīng)變?yōu)樨?fù)值．干燥大骨料混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與飽和狀態(tài)的規(guī)律相同．從圖中可見，隨著應(yīng)變率的增加，峰值應(yīng)力點(diǎn)明顯上升和左移，說(shuō)明飽和大骨料混凝土的極限抗壓強(qiáng)度逐漸增大．另外，雙軸壓應(yīng)力狀態(tài)下，飽和大骨料混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線性段比單軸受壓時(shí)有所提高，提高幅度與應(yīng)力比α的大小有關(guān)，α越大，線性段提高的幅度越大．

圖6飽和與干燥大骨料混凝土在各應(yīng)力比條件下動(dòng)態(tài)雙軸抗壓強(qiáng)度平均值比較

Fig.6Dynamicbiaxialcompressiveaveragestrengthofsaturateddamconcreteatallstressratiosincomparisonwiththatofdrydamconcrete

圖7飽和大骨料混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Fig.7Stress-strain curves of saturated dam concrete

3 大骨料混凝土的動(dòng)態(tài)雙軸抗壓破壞準(zhǔn)則

3.1動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變率的關(guān)系

根據(jù)表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到飽和大骨料混凝土的雙軸抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變率滿足如下的對(duì)數(shù)關(guān)系：

(1)

3.2動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與應(yīng)力比的關(guān)系

由本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到，飽和試件動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和應(yīng)力比的關(guān)系為

fbd/fus=(c+dα)/(1+α)2

(2)

式中：c、d為回歸參數(shù)，如表5所示；0≤α≤1．

3.3綜合考慮應(yīng)力比和應(yīng)變率的統(tǒng)一破壞準(zhǔn)則

為便于應(yīng)用，建立考慮不同應(yīng)變率和應(yīng)力比的飽和大骨料混凝土雙軸受壓狀態(tài)下的破壞準(zhǔn)則．根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)[13]、[14]，得到破壞準(zhǔn)則如下：

(3)

式中：P1、P2、P3、P4為擬合參數(shù)．

表4　回歸參數(shù)a、b和相關(guān)系數(shù)r

圖8不同應(yīng)力比下動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變率關(guān)系曲線

Fig.8Relationshipcurvesofthedynamiccompressivestrengthandthestrainrateunderdifferentstressratios

表5　回歸參數(shù)c、d和相關(guān)系數(shù)r

通過(guò)回歸分析，得到參數(shù)P1、P2、P3、P4的擬合值分別為-0.106、0.095、1.060和4.310，復(fù)相關(guān)系數(shù)r=0.952 2．由圖9可知，在雙軸壓作用下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與式(3)吻合情況良好．本文建立的破壞準(zhǔn)則基本能同時(shí)考慮不同應(yīng)變率和比例加載組合下的動(dòng)態(tài)雙軸抗壓強(qiáng)度．

圖9　飽和大骨料混凝土雙軸抗壓強(qiáng)度包絡(luò)圖

4結(jié)論

(1)大骨料混凝土的破壞模式主要取決于應(yīng)力比，而與應(yīng)變率和含水率關(guān)系不大．單軸受壓時(shí)，破壞模式為柱狀破壞；雙軸受壓時(shí)，則為片狀破壞．隨著應(yīng)變率的增大，混凝土的強(qiáng)度提高．

(2)在準(zhǔn)靜態(tài)條件下，飽和大骨料混凝土的強(qiáng)度和峰值應(yīng)變低于干燥狀態(tài)下的．在動(dòng)態(tài)荷載作用下，飽和與干燥大骨料混凝土的強(qiáng)度和彈性模量都有所增加，但增加幅度不同，飽和大骨料混凝土表現(xiàn)出更強(qiáng)的率敏感性．所以飽和大骨料混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度大于干燥大骨料混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度．極限抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)力比的增加，有先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)應(yīng)力比為0.50∶1時(shí)，極限抗壓強(qiáng)度最大．

(3)當(dāng)應(yīng)力比為0.25∶1時(shí)，大骨料混凝土側(cè)應(yīng)變?yōu)樨?fù)值；當(dāng)應(yīng)力比為1∶1時(shí)，側(cè)應(yīng)變與主應(yīng)變相等．大骨料混凝土在單軸受壓狀態(tài)下的變形明顯小于雙軸受壓下的，試件的峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率的增大而減?。?/p>

(4)給出了綜合考慮應(yīng)變率、應(yīng)力比的飽和大骨料混凝土極限抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式．該公式可以用于計(jì)算飽和大骨料混凝土在不同應(yīng)變率、應(yīng)力比條件下的動(dòng)態(tài)雙軸極限抗壓強(qiáng)度．

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Experimental study of dynamic behavior of saturated dam concrete under biaxial compression

WANGHao1,2,WANGLi-cheng1,SONGYu-pu*1

( 1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China；2.Department of Construction Economics, Liaoning Jianzhu Vocational University, Liaoyang 111000, China )

Abstract：The dynamic behaviors of saturated and dry dam concrete specimens are experimentally studied when subjected to biaxial compression stress. The tests are carried out on the large static and dynamic triaxial hydraulic servo test system. Four strain rates (10-5, 10-4, 10-3, 10-2s-1) and five kinds of stress ratio (0∶1, 0.25∶1, 0.50∶1, 0.75∶1, 1∶1) are taken into the tests. Based on the test results, the influence of pore water on the biaxial dynamic ultimate compressive strength of dam concrete is investigated. A dynamic compression failure criterion of saturated dam concrete is proposed. The test results show that compressive strength of saturated dam concrete is larger than the dry one in dynamic conditions, while is lower at quasi-static conditions. Compared with the uniaxial compression of all the strain rates, biaxial ultimate compressive strength reaches the maximal value at the stress ratio of 0.50∶1.

Key words：dam concrete; saturated; biaxial compression; dynamic compression failure criterion

作者簡(jiǎn)介:王 浩(1983-)，男，博士生，E-mail:830502wh@163.com；王立成(1975-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:wanglicheng2000@163.com；宋玉普*(1944-)，男，教授，博士生導(dǎo)師,E-mail:syupu@dlut.edu.cn.

基金項(xiàng)目:中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金資助項(xiàng)目(IWHR-SKL-201309)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(DUT14LK23).

收稿日期：2015-07-19；修回日期: 2015-11-20．

中圖分類號(hào)：TV431

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.7511/dllgxb201601003

文章編號(hào)：1000-8608(2016)01-0013-07