杜浩然

（中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司，遼寧沈陽 110136）

0 引言

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)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(chǔ)埋深的增加，當(dāng)建筑物基礎(chǔ)達(dá)到一定深度時(shí)，就會受到地層的構(gòu)造應(yīng)力作用。大多數(shù)建筑物基礎(chǔ)均為水泥混凝土加鋼筋構(gòu)成。其中，水泥混凝土是由集料、膠凝材料組成的非勻質(zhì)復(fù)合型材料，在外力作用下其力學(xué)性質(zhì)及破壞模式較為復(fù)雜。

在顆粒流方法中，劉璇等[2]利用三維顆粒流數(shù)值模擬方法（PFC3D）對水工瀝青混凝土進(jìn)行了三軸壓縮數(shù)值模擬研究，分析了不同圍壓作用下水工瀝青混凝土的細(xì)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(jìn)行了單軸壓縮數(shù)值模擬試驗(yàn)，分析了凍融損傷對混凝土試樣的細(xì)觀特性的影響。

綜上分析可知，在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，以遼寧某在建寫字樓項(xiàng)目深基礎(chǔ)為工程背景，采用顆粒流數(shù)值模擬方法對該項(xiàng)目深基礎(chǔ)混凝土進(jìn)行數(shù)值模擬研究，通過設(shè)置不同圍壓來模擬不同深度地層的復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境。從細(xì)觀角度對復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下混凝土的應(yīng)力關(guān)系、破壞模式做進(jìn)一步研究，為高層建筑深基礎(chǔ)混凝土提供可靠的理論依據(jù)。

1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

為獲得較為準(zhǔn)確的細(xì)觀參數(shù)，在進(jìn)行數(shù)值模擬之前應(yīng)先制備與實(shí)際工程相同的水泥混凝土。為模擬深基礎(chǔ)混凝土所受的復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境，需對混凝土試件進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，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(gòu)造應(yīng)力。因此，粗集料尺寸應(yīng)適當(dāng)縮小。結(jié)合遼寧某在建寫字樓項(xiàng)目，根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，計(jì)算滿足深基礎(chǔ)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?dāng)嚢杈鶆?，最終制得直徑50 mm、高100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件。混凝土三軸試驗(yàn)在MTS815.02 多功能伺服試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行。根據(jù)基礎(chǔ)埋置深度，設(shè)置圍壓分別為2 MPa、4 MPa、6 MPa 和8 MPa。

2 數(shù)值模型建立

利用PFC3D 對混凝土進(jìn)行三軸壓縮模擬時(shí)，峰值強(qiáng)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(xù)及變形協(xié)調(diào)方程，因此采用PFC3D 對混凝土進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)?zāi)M是切實(shí)可行的。PFC 數(shù)值模擬試驗(yàn)流程為：生成試樣→參數(shù)賦值→預(yù)壓→伺服機(jī)制施加圍壓→進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)。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(jié)模型。

圖1 為顆粒流三軸壓縮試驗(yàn)?zāi)Ｐ停渲许斆妗⒌酌鎵w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(nèi)試驗(yàn)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(jié)材料，粒徑范圍為（0.5～0.55）mm，三種粒徑顆粒個(gè)數(shù)分別為6835、4101 和2374 個(gè)。試驗(yàn)過程中圓柱墻體則通過伺服機(jī)制對試樣施加恒定圍壓，當(dāng)圍壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)，通過上下加載板對試樣施加軸壓直至試樣失穩(wěn)破壞。

圖1 混凝土三軸壓縮試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2 為不同圍壓下，深基礎(chǔ)混凝土試樣的常規(guī)三軸壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線。由圖2 可知，混凝土試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線具有與巖石類材料相似的特征，可分為4 個(gè)變形階段，即彈性階段、塑性屈服階段、峰后應(yīng)力跌落階段和殘余階段。當(dāng)圍壓較低時(shí)，試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度后迅速跌落，峰后曲線較為“陡峭”，當(dāng)圍壓較高時(shí)，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(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐摹Ｇ覐膱D2 中還可以明顯看出，圍壓的增大使得試樣的峰值強(qiáng)度逐漸提升。

表1 為不同圍壓下的混凝土的三軸壓縮數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果。從表1 可以看出，隨著圍壓的逐漸增大，試樣的峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)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(xué)參數(shù)具有顯著的提升作用，且圍壓對峰值強(qiáng)度影響最大，其次為峰值應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1 混凝土數(shù)值試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)表1 繪制各力學(xué)參數(shù)隨圍壓的分布曲線如圖3 所示，采用Origin 軟件對各力學(xué)參數(shù)進(jìn)行最小二乘擬合發(fā)現(xiàn)，混凝土試樣的峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變及彈性模量均與圍壓之間滿足線性函數(shù)關(guān)系，三者與圍壓之間的擬合相關(guān)系數(shù)均在0.95 以上，表明三者與圍壓之間具有良好的相關(guān)性。

4 結(jié)束語

（1）基于PFC3D 建立了滿足工程實(shí)際的混凝土三軸試驗(yàn)數(shù)值試樣，通過參數(shù)標(biāo)定找到了滿足混凝土數(shù)值試驗(yàn)細(xì)觀參數(shù)。

圖3 混凝土試樣的宏觀力學(xué)參數(shù)與圍壓之間的關(guān)系

（2）隨著圍壓的逐漸增大，深基礎(chǔ)混凝土試樣的峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)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(qiáng)度提升了53.42%，峰值應(yīng)變提升了29.90%，彈性模量提升了21.01%。圍壓對峰值強(qiáng)度的影響更強(qiáng)。

（3）采用Origin 軟件擬合發(fā)現(xiàn)，峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)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(guān)系數(shù)均在0.95 以上，表明三者與圍壓之間具有良好的線性相關(guān)性。