三向应力状态下湿筛二级配大坝混凝土力学性能研究

2011-06-05赵艳华李光伟吴智敏

水利与建筑工程学报 2011年6期

周军,赵艳华,李光伟,马超,吴智敏

(1.大连理工大学土木工程学院,辽宁大连 116024;2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川成都 610072)

0 引言

从20世纪中期开始,国内外许多学者陆续开展了对混凝土多轴强度理论的研究[1-4],已经取得了大量的研究成果[5-8]。在实际工程中,水工混凝土因自身材料特点和所处环境影响,往往处于复杂的受力状态下,导致其力学性能同普通混凝土有着很大的差别,需要进行深入研究。对于混凝土多轴强度试验,由于混凝土材料离散、试件安装精度高、试验加载装置复杂等一系列因素,导致三轴拉压组合受力状态,特别是三轴拉-拉-拉受力状态下的试验难度增加。

本文采用尺寸为100mm×100mm×100mm的湿筛二级配混凝土小试件,通过一种新型的加载方式对试件施加拉力,进行了三轴压-压-压、拉-压-压及拉-拉-拉共25组混凝力学性能试验研究,并给出了湿筛二级配大坝混凝土的八面体应力空间统一破坏准则,为实际工程的结构设计及分析提供参考。

1 试验概况

1.1 试验装置

混凝土多轴加载试验,尤其是三轴受压试验,需要机器自身有较大刚度,同时能提供较大围压,对机器本身软件和硬件都有着较高要求。本次试验采用大连理工大学海岸和近海工程国家重点试验室的大型静、动三轴电液伺服试验系统[9]。系统各向最大压力为2500 kN,最大拉力为500 kN,可以实现各种应力比下的三向拉压组合加载试验。为了满足本次试验的拉压组合加载方案,对试验装置进行了调整,在3个方向分别设计了拉、压加载头,其尺寸均为95mm×95mm。

1.2 试件制备

本次试验采用的混凝土配合比与溪洛渡大坝相同,如表1所示。试件所用水泥为华新水泥股份有限公司生产的42.5级中热硅酸盐水泥,粉煤灰采用华珞Ⅰ级粉煤灰,砂子采用灰岩砂(粒径＜5mm),粗骨料为四级配玄武岩碎石,其中小石(5mm～20mm)、中石(20mm～40mm)、大石(40mm～80mm)、特大石(80mm～ 150mm)比例为 20∶20∶20∶35(质量比)。减水剂为ZB-1缓凝高效减水剂,引气剂为ZB-1G混凝土引气剂。

表1 混凝土配合比

湿筛试件采用200mm×200mm×200mm钢模成型。人工拌合混凝土,筛出粒径大于40mm的碎石,用振动台振捣密实。所有试件均为48 h后脱模,放置在室内浇水养护至28 d,其后在自然条件下养护至90 d龄期。考虑到机器加载量程,试验之前对试件进行了切割。用大型岩石切片机将试件切割为100mm×100mm×100mm的立方体试件。

1.3 试验过程

本次试验采用一种新型双钢板-塑料毛刷组合连接方式对试件施加拉力。试验前需对试件进行打磨处理,用角磨机打磨试件各加载面至平整。施加拉力面需打磨至露出粗骨料,以免加载过程中在表面砂浆薄弱层破坏。

为了保证塑料毛刷与混凝土试件表面的粘贴质量,受拉面粘贴毛刷前,先用无水酒精擦拭干净,再将粘结剂均匀涂抹在试件粘贴表面和塑料毛刷齿缝端部,其后将毛刷放在试件表面压实固定,3～5 min后,再将粘贴钢板与塑料毛刷底部平滑面粘贴好,放置在25℃～60℃环境中养护至胶结面完全固化后开始试验,如图1所示。

图1 双钢板-塑料毛刷连接方式

与传统拉伸方法[10-13]相比,双钢板-塑料毛刷组合连接方式具有以下优点:①在拉压组合加载试验中,塑料毛刷刷齿侧向刚度很小,对试件横向变形约束小,减小了受拉钢板对试件受压变形的约束作用,保证了传统试验方法中试件在真实受力状态下进行试验;②试验受压变形时,围压通过粘结剂传递给刷齿的力很小,减小了试验的系统误差;③试件加载完毕后可直接切除粘贴钢板上的塑料毛刷,回收粘贴钢板方便快捷,提高了试验效率。

试件的受压面在试验时需进行减摩处理,采用三层聚氟乙烯塑料片夹两层黄油作为减摩层。试件受拉面粘贴钢板通过四个螺母与传力钢板相连,传力钢板另一端与试验装置拉力球铰相连,在试验安装过程中,先装受拉向,通过调节球铰高度与螺母旋入深度进行试件竖直和水平方向位置的调整;受压向设置一个较小静载,通过反复预压调整位置实现该方向的对中。

正式加载采用荷载控制,加载速率0.5MPa/s,按三个方向预先设定加载比例同时施加荷载,直至试件破坏。由于混凝土多轴试验结果一般离散性比较大,本次试验每个应力比均采用了5个试件,以保证每组至少有3个有效试件。本文规定,三个方向主应力为 σ1≥σ2≥σ3且受拉为正,受压为负。

2 试验结果及分析

2.1 试件破坏形态

湿筛二级配混凝土试件在三轴压应力状态下,如图2所示,当 σ1,σ2较小的时候,试件的变形相对较小,主要在两对侧面上有竖向近乎平行的细小裂缝分布,属于柱状破坏;当 σ1,σ2增大的时候,阻止了片状破坏的发生,但因为最小和最大主应力相差较大,相应的最大剪应力值较大,最终会发生平行于σ2轴的斜裂缝面。在三轴拉压压应力状态下主要发生拉断破坏,其破坏形态与裂缝形态与单拉受力状态下破坏形态相似,试件的裂缝及断口位置与拉应力方向基本垂直,试件是在拉应变达到极限拉应变从而开裂的,如图3所示。

在三向受拉应力状态下,试件的断裂面与拉方向成一定角度,从图4可以看出,断裂面成锥形向内。

图2 三轴压-压-压应力状态下试件破坏形态

图3 三轴拉-压-压应力状态下试件破坏形态

图4 三轴拉-拉-拉应力状态下试件破坏形态

2.2 试验结果

依据前文叙述试验方法测得湿筛二级配混凝土试件在三轴压-压-压、三轴拉-压-压及三轴拉-拉-拉作用下破坏时对应应力均值列于表2,其中离散较大的数据在计算均值时已剔除。

2.3 强度分析

从表2可以看出,在三轴压-压-压状态下,湿筛二级配混凝土的强度大于单轴压强度,且随着围压的增加,混凝土的抗压强度快速增加,在 σ1/σ2=0.05时,主压应力方向的破坏强度为单轴压的1.87倍,当 σ1/σ2=0.15时,主压应力的破坏强度增大到了4.42倍,这对实际工程是有利的。对于三轴拉-压-压受力状态,由于拉应力的存在,混凝土强度显著降低,在任一拉压压应力比作用下,三个主应力方向能承受的最大拉、压应力均小于试件的单轴抗压、抗拉强度,且极限压应力随着拉应力的增大而减小。第二主应力对三轴拉、压强度也有一定影响,在实际工程中可根据实际情况进行考虑。

表2 三轴应力状态下试件极限强度平均值

在三轴受拉状态下,目前普遍认为三轴抗拉强度略小于单轴抗拉强度,且与应力比无关。从表中可以看出,本次试验中,在不同应力比作用下的三轴受拉状态,其峰值抗拉强度均小于单轴抗拉强度ft,但同应力比变化关系不是很明显,根据本次试验,可近似认为水工混凝土三轴等拉强度fttt=0.75ft。

3 八面体应力空间破坏准则

衡量一个混凝土破坏准则的优劣,主要是对比准则拉压子午线与混凝土强度的符合程度,在现行各破坏准则中,Ottosen破坏准则[14]对混凝土强度特点有较好的反映,本文破坏准则拉压子午线以Ottosen准则为基础,考虑到水工混凝土同普通混凝土性能的差异,对其进行了修正。选定的破坏准则拉压子午线表达式形式如下:

其中:fc是单轴抗压强度,a,λ1,c1,λ2,c2是待定参数,通过混凝土包络面特征和试验数据来确定。σoct是八面体正应力,τot,τoc分别是拉压子午线上的八面体剪应力,可根据下式计算:

混凝土三向等拉时,即τot,τoc=0时,拉压子午线与静水压力轴相交于一点,根据表2试验数据,取c1=c2=0.057。

取单压(θ=60°),三轴压(σ1=σ2＞ σ3,θ=60°),三轴拉 -压 -压(σ1＞σ2=σ3,θ=0°)这三种应力状态特征点根据式(3)、(4)计算出 σoct和σoc(t)代入式(1)、(2)求得 σ =-0.201,λ1=-1.6447,λ2=-0.7333。

经过分析对比,发现过-王五参数准则[15]中偏平面表达形式与本文数据更加吻合,本文偏平面方程取为以下形式:

其中0°≤θ≤60°。经过反复试算,在多轴拉-压-压应力状态下取x=1.0,y=2.0,能更好地符合试验数据。

最终得到湿筛二级配大坝混凝土八面体应力空间统一破坏准则如下:

图5～图9为试验数据同破坏准则的对比,各应力比下试验数值同破坏准则基本相符。

4 结语

本文结合溪洛渡大坝实际工程,通过不同的应力状态下,以设定的应力比对湿筛二级配混凝土立方体试件进行了多轴应力状态下强度性能试验研究,得出了如下主要结论:

图5 拉压子午线

图6 三轴拉-压-压(σ2/σ3=1,σ1/σ3=-1～ -0.1)

图7 三轴拉-压-压(σ1/σ3=-0.1)

图8 三轴拉-压-压(σ1/σ3=-0.2)

(1)对前人的试验方案进行了改进,提出了双钢板-塑料毛刷组合连接方式,保证了混凝土处于真实的受力状态,减小了多向拉压组合受力状态下钢板对试件约束作用,提高了试验精度;同时新型连接方式更加便捷,缩短了钢板的周转周期,提高了试验效率。

图9 三轴拉-压-压(σ1/σ3=-0.3)

(2)湿筛混凝土试件在三轴压力作用下,随着压应力增加,混凝土抗压强度快速增长,当 σ1/σ2较小时,发生柱状压坏;当σ1/σ2≥0.1时,由于侧向压应力约束变形,发生斜剪破坏;在三轴拉压压作用下,均发生了拉断脆性破坏,各向峰值应力均小于单轴抗拉抗压强度,中间主应力也存在一定影响,在实际工程中,需要重视拉压组合受力给结构带来的不利影响。

(3)在三向拉应力作用下,峰值拉应力近似为0.75ft,这与普通混凝土有一定的差别,在实际工程中三向拉的状态出现几率很小,但也应考虑。

(4)通过对试验结果的分析,提出了湿筛二级配混凝土在三轴拉压组合状态下八面体应力空间统一的破坏准则,该准则形式简单,计算方便,与试验结果吻合良好,对水工大体积混凝土按多轴强度进行设计提供了一定参考。

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