甄文鑫，蔡浚璟，王煜東，葉瑞鵬，沈 璐

(大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

1 概 述

水工大體積結(jié)構(gòu)物常用于混凝土大壩、港口碼頭等結(jié)構(gòu)，采用大骨料混凝土，其最大骨料粒徑可達(dá)80～150 mm。水工混凝土由于試件尺寸較大，受到試驗(yàn)設(shè)備等條件的限制，目前國內(nèi)外普遍采用濕篩法[1-4]來研究水工混凝土的力學(xué)特性，即用孔徑為40 mm的篩子將粒徑大于40 mm的粗骨料濕篩掉，制作成小尺寸的標(biāo)準(zhǔn)試件，測定其靜態(tài)性能指標(biāo)，并將其等同于水工混凝土的性能指標(biāo)。大連理工大學(xué)[5-8]在液壓伺服靜態(tài)三軸試驗(yàn)機(jī)上對水工三級配混凝土和二級配濕篩混凝土試件進(jìn)行了力學(xué)性能差異研究；Carlos Serra[9-10]通過混凝土濕篩效應(yīng)試驗(yàn)來預(yù)測大骨料混凝土的力學(xué)性能，其預(yù)測結(jié)果與大壩的現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。盡管以往的研究多以濕篩效應(yīng)試驗(yàn)[11-15]研究為主，但是由于兩者組分上的差異，有必要研究濕篩效應(yīng)對大骨料混凝土的影響，為水工混凝土的力學(xué)特性研究提供借鑒。

鑒于以往多以試驗(yàn)研究為主，國內(nèi)外諸多學(xué)者采用細(xì)觀力學(xué)方法對混凝土的宏觀力學(xué)性能[16-18]開展數(shù)值模擬分析，建立隨機(jī)骨料模型，對砂漿和骨料賦予相應(yīng)的細(xì)觀參數(shù)，進(jìn)而模擬混凝土的宏觀力學(xué)性能及破壞形態(tài)。其中，模擬的關(guān)鍵在于如何確定細(xì)觀參數(shù)[19]。本文通過設(shè)置隨機(jī)骨料位置，基于顆粒流離散元PFC 2D軟件建立三級配及濕篩混凝土細(xì)觀數(shù)值模型，通過對三級配混凝土單軸壓縮反演得到的細(xì)觀參數(shù)，賦值給濕篩混凝土進(jìn)行單軸壓縮加載數(shù)值試驗(yàn)，并對三級配及濕篩混凝土力學(xué)性能及破壞形態(tài)開展研究。

2 混凝土數(shù)值試件的建立

2.1 隨機(jī)骨料的生成

三級配混凝土試件為250 mm×250 mm×250 mm立方體試塊，配合比見表1。

表1 三級配混凝土的配合比

根據(jù)體積分?jǐn)?shù)，5～20 mm范圍骨料用91個(gè)直徑12 mm的圓形顆粒代替、20～40 mm范圍骨料用14個(gè)直徑30 mm的顆粒代替、40～80 mm范圍骨料用5個(gè)直徑60 mm的顆粒代替。用MATLAB軟件生成的隨機(jī)骨料模型見圖1。根據(jù)文獻(xiàn)[14]濕篩二級配混凝土的制作方法，建立150 mm×150 mm的濕篩混凝土數(shù)值試件見圖2。

圖1 混凝土試件數(shù)值模型

2.2 三級配混凝土試件數(shù)值模型的建立

在PFC 2D中，混凝土數(shù)值模擬試件的生成過程為：首先在計(jì)算范圍內(nèi)生成250 mm的邊界墻體作為試件邊界，接著在邊界墻體范圍內(nèi)采用嘗試投放法生成較小的規(guī)則排列的球形顆粒模擬砂漿來填充試件；然后根據(jù)MATLAB軟件生成的隨機(jī)骨料位置，將3種粒徑的骨料范圍定義為圖形集，并將圖形集及骨料范圍外區(qū)域的球形顆粒分別定義為骨料組(組名為stone)和砂漿組(組名為sand)，并賦予相應(yīng)的參數(shù)。本文混凝土所用的接觸模型是線性平行黏接模型，本次模擬中球形顆粒半徑設(shè)置為2 mm，混凝土試件數(shù)值模型參見圖2。

圖2 150mm濕篩混凝土數(shù)值試件

2.3 細(xì)觀參數(shù)的確定

本文將顆粒間的接觸參數(shù)分為三部分：一部分是砂漿顆粒間的接觸參數(shù)；一部分是粗骨料顆粒間的接觸參數(shù)；還有一部分是砂漿顆粒與粗骨料顆粒間的接觸參數(shù)。本文通過將文獻(xiàn)[6]中三級配混凝土試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線反演得到混凝土數(shù)值試件的接觸參數(shù)，試驗(yàn)與數(shù)值模擬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3，各分組顆粒間的接觸參數(shù)設(shè)置見表2。

圖3 三級配混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 各分組顆粒之間的接觸參數(shù)

將生成的濕篩混凝土數(shù)值試件進(jìn)行單軸壓縮加載。試件的頂面和底面采用剛性墻模擬，均設(shè)置為光滑表面，其中頂面為加載墻。本文通過PFC軟件伺服機(jī)制控制加載墻的速度實(shí)現(xiàn)位移控制加載，三級配混凝土加載速率為0.17 m/s，試驗(yàn)后換算得到的實(shí)際應(yīng)變速率為9.43×10-5s-1，濕篩混凝土也采用相同加載方式，實(shí)際加載速率為9.25×10-5s-1，為擬靜態(tài)加載。加載結(jié)束后，保存加載過程中的典型破壞形態(tài)及輸出相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，在相同加載條件后得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4。

圖4 濕篩混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 濕篩效應(yīng)對裂縫數(shù)目的影響

圖5為三級配混凝土及濕篩混凝土最終破壞形態(tài)及裂隙分布圖。當(dāng)加載到1.5εc時(shí)，水工混凝土數(shù)值試件產(chǎn)生696條微小裂縫，150 mm濕篩混凝土數(shù)值試件產(chǎn)生608條微小裂縫。由于250 mm三級配混凝土數(shù)值試件與150 mm濕篩混凝土數(shù)值試件尺寸不同，進(jìn)而所含小球數(shù)目不同，在小球顆粒半徑及接觸細(xì)觀參數(shù)相同的情況下，小球顆粒越多，裂縫數(shù)目越多，所以不能直接比較三級配混凝土數(shù)值試件與150 mm濕篩混凝土數(shù)值試件的裂縫數(shù)目。通過計(jì)算裂縫數(shù)目和顆粒數(shù)目的比值得到水工混凝土數(shù)值試件比值為0.069 6，而濕篩混凝土數(shù)值試件比值為0.168 9，是水工混凝土數(shù)值試件的2.43倍。因此，就裂縫數(shù)目而言，150 mm濕篩混凝土數(shù)值試件裂縫數(shù)目遠(yuǎn)大于水工混凝土數(shù)值試件。這是因?yàn)樗せ炷翑?shù)值試件內(nèi)部的界面裂縫、孔隙等缺陷存在的機(jī)率大，同時(shí)粗骨料本身的裂隙缺陷也相對要大。故數(shù)值模擬后觀察發(fā)現(xiàn)，水工混凝土數(shù)值試件較多地出現(xiàn)斷裂和破碎現(xiàn)象，這與理論和模擬得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線是相符的，進(jìn)一步佐證了模擬結(jié)果良好。

圖5 3種混凝土數(shù)值試件最終破壞狀態(tài)

3.2 濕篩效應(yīng)對應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要參數(shù)指標(biāo)的影響

兩種混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要指標(biāo)參數(shù)見表3。從表3中可以看出，150 mm濕篩混凝土的峰值應(yīng)力為三級配混凝土峰值應(yīng)力的1.25倍；峰值處應(yīng)變?chǔ)與方面，濕篩混凝土為三級配混凝土的1.2倍；下降段斜率kp150 mm濕篩混凝土的遠(yuǎn)大于三級配混凝土的。通過指標(biāo)的比較分析可知，濕篩混凝土較大骨料混凝土具備更好的變形性能。在混凝土試件中，粗骨料一般能夠起到支撐骨架的作用，因此大骨料混凝土的峰值應(yīng)變要小于濕篩混凝土的峰值應(yīng)變，這與物理試驗(yàn)得到結(jié)果是基本一致的。

表3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要參數(shù)指標(biāo)比較

3.3 濕篩效應(yīng)對混凝土數(shù)值試件內(nèi)部接觸力的影響

混凝土顆粒之間的接觸力可以定量地反映出混凝土內(nèi)部的破壞狀態(tài)。不同混凝土數(shù)值試件在加載過程中顆粒間接觸力分布圖見圖6。

圖6 2種混凝土峰值應(yīng)力時(shí)刻接觸力分布圖

由圖6可以看出，濕篩混凝土數(shù)值試件接觸力的最大值為1.089 1E×107，三級配混凝土數(shù)值試件接觸力的最大值為9.748 7E×106。這與模擬得到的峰值應(yīng)力是相符的，即峰值應(yīng)力時(shí)刻濕篩混凝土數(shù)值試件接觸力最大值大于三級配混凝土數(shù)值試件接觸力最大值，而濕篩混凝土數(shù)值試件應(yīng)力值大于三級配混凝土數(shù)值試件應(yīng)力值。因此，可以通過研究骨料顆粒間接觸力最大值來研究不同最大骨料粒徑、試件尺寸對混凝土力學(xué)性能的影響。

4 結(jié) 論

1) 通過水工混凝土數(shù)值試件與濕篩混凝土數(shù)值試件在賦予相同細(xì)觀參數(shù)的情況下，對比其應(yīng)力-應(yīng)變曲線和細(xì)觀破壞特征。結(jié)果表明，150 mm濕篩混凝土數(shù)值試件的應(yīng)力峰值大于水工混凝土數(shù)值試件的應(yīng)力峰值，水工混凝土數(shù)值試件破壞更加嚴(yán)重。

2) 通過分析兩種混凝土數(shù)值試件的裂縫數(shù)目對混凝土強(qiáng)度的影響得出，150 mm濕篩混凝土數(shù)值試件的強(qiáng)度大于水工混凝土數(shù)值試件的強(qiáng)度。

3) 通過研究兩種混凝土數(shù)值試件在單軸壓縮過程中的最大接觸力對混凝土力學(xué)性能的影響，得出的結(jié)果與數(shù)值模擬得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相。