水利工程論文-雙軸受壓應(yīng)力作用下碾壓混凝土特性的試驗(yàn)研究.doc

水利工程論文-雙軸受壓應(yīng)力作用下碾壓混凝土特性的試驗(yàn)研究摘要：本文對雙軸受壓應(yīng)力作用下的碾壓混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究了碾壓混凝土的雙軸受壓強(qiáng)度、變形及破壞準(zhǔn)則，給出了Druckerprager準(zhǔn)則中a和k值，并與普通混凝土進(jìn)行了比較，得出了幾點(diǎn)有意義的結(jié)論。關(guān)鍵詞：碾壓混凝土雙軸受壓破壞準(zhǔn)則高碾壓混凝土壩應(yīng)力狀態(tài)很復(fù)雜1，壩體混凝土絕大部分是處于三向及雙向受壓應(yīng)力狀態(tài)下，國內(nèi)外多軸應(yīng)力作用下普通混凝土強(qiáng)度研究已表明2，普通混凝土雙軸受壓應(yīng)力下的強(qiáng)度是單軸受壓混凝土強(qiáng)度的1.251.60倍，三軸受壓強(qiáng)度是單軸受壓強(qiáng)度的34倍以上。因此，人們已認(rèn)識到以單軸強(qiáng)度為依據(jù)的設(shè)計(jì)是不合理的。本文在對碾壓混凝土進(jìn)行雙軸受壓試驗(yàn)基礎(chǔ)上，探討復(fù)雜應(yīng)力作用下碾壓混凝土的強(qiáng)度、變形和破壞準(zhǔn)則。1試驗(yàn)設(shè)計(jì)1.1試件尺寸及材料配比為了便于同普通混凝土單軸和雙軸強(qiáng)度比較，試件采用邊長為150mm的立方體，是普通混凝土試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試件。膠凝材料采用425普通硅酸鹽水泥與荊門熱電廠的粉煤灰，骨料采用河砂與卵石，減水劑采用木質(zhì)磺酸鈣。為便于比較，試驗(yàn)中選用兩種配比的試件，具體混凝土配合比見表1.每種配比各制作了25個(gè)試件，3個(gè)用以測定28d齡期的抗壓強(qiáng)度，3個(gè)用以測定試驗(yàn)齡期的抗壓強(qiáng)度。雙軸受壓試驗(yàn)(包括單軸受壓試驗(yàn))的兩向應(yīng)力比2/有0(單軸受壓)、0.25、0.50、0.75和1.00共5種。每種應(yīng)力比下的強(qiáng)度和應(yīng)變測值均取34個(gè)試件的平均測值。表1碾壓混凝土配合比(單位：kg)類別水膠比水泥粉煤灰外加劑水河砂卵石A0.705.5411.850.03112.1176.85150.26B0.806.568.600.03112.1177.96153.191.2試件加載方法與測試方法試件各齡期的立方體抗壓強(qiáng)度測定在原葛洲壩水電工程學(xué)院建材實(shí)驗(yàn)室的萬能試驗(yàn)機(jī)上按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行。試件的雙軸受壓試驗(yàn)(包括單軸受壓試驗(yàn))在中南水電勘測設(shè)計(jì)研究院宜昌分院實(shí)驗(yàn)室的雙軸壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。該雙軸壓力機(jī)主要由剛度很大的平面鋼質(zhì)矩形框架與兩個(gè)帶油壓表的30t油壓千斤頂組成。試驗(yàn)時(shí)，試件置于鋼框的一個(gè)下角的內(nèi)測，如圖1所示。試件與加壓板之間墊有一塊150mm145mm10mm的鋼墊板。試件的每個(gè)受壓面上都墊有兩層塑料布，其間涂有油脂以消除加壓面摩擦。兩個(gè)千斤頂分別在水平方向與豎向?qū)υ嚰訅?，由各自的壓力表控制各自的壓力值。圖1試件加載示意每個(gè)千斤頂活塞頂部加壓板上對稱地裝有兩個(gè)位移傳感器，以測定試件變形。荷載大約分10級，每級都記錄荷載與變形值。對于單向壓力試驗(yàn)，只用豎置千斤頂加載；對于雙向受壓試驗(yàn)，兩個(gè)方向的千斤頂同時(shí)按預(yù)先確定的兩軸應(yīng)力比分級加載，直至試件破壞為止。2試驗(yàn)結(jié)果2.1碾壓混凝土的雙軸受壓強(qiáng)度將5種應(yīng)力比的試驗(yàn)結(jié)果繪于圖2.以1表示碾壓混凝土雙軸受壓應(yīng)力中的第一主應(yīng)力，以2表示碾壓混凝土雙軸受壓應(yīng)力中的第二主應(yīng)力，圖中0為碾壓混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度。由圖2可以看出，當(dāng)2/1=0(單軸)時(shí)，1/0=1，此時(shí)為單軸抗壓強(qiáng)度；當(dāng)2/1=0.25時(shí)，1/0=1.3，這說明雙軸受壓強(qiáng)度是單軸受壓強(qiáng)度的1.3倍；當(dāng)2/1=0.5時(shí)，1/0=1.5；當(dāng)2/1=0.75時(shí)，1/0=1.6，此時(shí)的雙軸受壓強(qiáng)度為單軸受壓強(qiáng)度的1.6倍。因此，雙軸受壓下碾壓混凝土強(qiáng)度普遍高于單軸受壓時(shí)的碾壓混凝土強(qiáng)度，即雙軸受壓強(qiáng)度一般是單軸受壓強(qiáng)度的1.21.5倍，當(dāng)2/1=0.75時(shí)，雙軸受壓強(qiáng)度達(dá)到最大，達(dá)1.6倍單軸抗壓強(qiáng)度。圖2碾壓混凝土雙軸受壓強(qiáng)度曲線為便于分析說明，將圖2破壞點(diǎn)趨勢進(jìn)行分析，通過曲線回歸分析后，可用如下公式進(jìn)行描述：(1)式中：為雙軸受壓碾壓混凝土應(yīng)力比；0為碾壓混凝土單軸受壓強(qiáng)度；10為雙軸受壓碾壓混凝土的強(qiáng)度。當(dāng)已知處于雙軸受壓碾壓混凝土的受力比(=2/1)時(shí)，就可將此值代入式(1)中求出雙軸受壓碾壓混凝土的強(qiáng)度。按此式計(jì)算精度在5%以內(nèi)。2.2碾壓混凝土的雙軸受壓變形根據(jù)應(yīng)變測量結(jié)果，以1表示雙軸受壓時(shí)1方向的壓應(yīng)變，2表示雙軸受壓時(shí)2方向的壓應(yīng)變，0表示單軸受壓時(shí)的壓應(yīng)變。圖3碾壓混凝土雙軸受壓變形曲線以1/0為橫坐標(biāo)，2/0為縱坐標(biāo)，將雙軸受壓碾壓混凝土的變形繪于圖3中。從圖3可以看出，雙軸受壓時(shí)碾壓混凝土的極限應(yīng)變值大大高于單軸受壓時(shí)的極限應(yīng)變值，并隨著應(yīng)力比的增大而增大。當(dāng)=0.25時(shí)，1/0=2.5，即雙軸受壓變形是單軸受壓變形的2.5倍；當(dāng)應(yīng)力比增大時(shí)，雙軸受壓變形增加更大。當(dāng)應(yīng)力比達(dá)到1時(shí)，雙軸受壓變形增加達(dá)到最大，此時(shí)為3.54倍的單軸受壓變形。因此，碾壓混凝土的雙軸受壓變形是單軸受壓的24倍。并且，雙軸受壓時(shí)，極限變形量提高幅度比強(qiáng)度的提高要大得多，表現(xiàn)出較多的延性，即塑性變形特征。根據(jù)圖3中的試驗(yàn)點(diǎn)，通過曲線回歸分析，碾壓混凝土的雙軸受壓變形可由下式計(jì)算。(2)式中：10為雙軸受壓極限變形；0為單軸受壓極限變形。當(dāng)已知處于雙軸受壓碾壓混凝土的應(yīng)力比=2/1時(shí)，就可計(jì)算出碾壓混凝土的極限應(yīng)變值。按此式計(jì)算精度在8%以內(nèi)。2.3碾壓混凝土的破壞型式碾壓混凝土雙軸受壓=0.50時(shí)，1方向的應(yīng)力與應(yīng)變變化如圖4所示。圖中1為第一主應(yīng)力方向應(yīng)力，10為第一主應(yīng)力方向的強(qiáng)度，1為第一主應(yīng)力方向的應(yīng)變(主應(yīng)變)，10為第一主應(yīng)力方向的極限應(yīng)變值。分析圖4可以看出，當(dāng)碾壓混凝土雙軸受壓應(yīng)力較低時(shí)，試件主要產(chǎn)生彈性變形，應(yīng)力應(yīng)變基本成直線關(guān)系，此時(shí)荷載約占破壞荷載的30%左右。隨著壓應(yīng)力的增大，應(yīng)力應(yīng)變曲線向應(yīng)變軸彎曲，應(yīng)變增長快于應(yīng)力增長。同樣應(yīng)力水平下，雙軸受壓應(yīng)變是單軸受壓的2倍左右。這主要表現(xiàn)為雙軸受壓試件內(nèi)部裂縫與塑性變形發(fā)展較大，這一過程直至破壞荷載的80%左右。隨著荷載的進(jìn)一步加大，試件表面出現(xiàn)了裂縫，但并不馬上破壞，而是形成許多內(nèi)部裂縫后，在與高應(yīng)力方向成某一角處形成的裂縫處發(fā)生破壞，這表明了雙軸受壓應(yīng)力下碾壓混凝土的塑性破壞特性。3碾壓混凝土的破壞準(zhǔn)則圖4雙軸受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系許多研究者，如Tasuji,Kupfer,Rosenthal,Gluchlick等3，對混凝土多軸強(qiáng)度研究表明，多軸混凝土的破壞分兩種類型，一種是脆性破壞，另一種是塑性破壞。對于單軸受力、雙軸壓拉、雙軸受拉、三軸壓壓拉等應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土屬于脆性破壞；對于雙軸受壓及三軸受壓等應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土則屬于塑性破壞。本試驗(yàn)中，碾壓混凝土雙軸受壓破壞也證實(shí)了這點(diǎn)。對于塑性破壞的混凝土來說，應(yīng)用較多的是DruckerPrager準(zhǔn)則(以下簡稱D-P準(zhǔn)則).D-P準(zhǔn)則的表達(dá)式為：(3)式中：I1=1+2+3；J2=1/2(1-2)2+(2-3)2+(3-1)2；a、kD-P準(zhǔn)則參數(shù)。該準(zhǔn)則是為了修正MohrCoulomb屈服準(zhǔn)則，由Drucker和Prager提出，其實(shí)質(zhì)是在Misses準(zhǔn)則基礎(chǔ)上增加了平均應(yīng)力(靜水壓力)的影響，這里，眾多的研究者認(rèn)為，平均應(yīng)力對多軸混凝土的破壞起到重要作用，準(zhǔn)則中應(yīng)考慮，如圖5所示。該模型因?yàn)閷?dǎo)數(shù)在破壞面上處處連續(xù)，處理比較容易，比較符合混凝土和巖土材料的破壞性質(zhì)，在混凝土和巖土工程中得到了廣泛的采用。D-P準(zhǔn)則中需要確定的參數(shù)有兩個(gè)，即a和k值。為了獲得D-P準(zhǔn)則中的參數(shù)a、k值，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出D-P準(zhǔn)則中的I1和值，并繪于圖6中，通過線性回歸得如下公式：0.39I1+=2.1(4)式中：=0.39，k=2.1.式(4)則為雙軸受壓力下碾壓混凝土的破壞準(zhǔn)則。圖5D-P準(zhǔn)則的空間描述圖6I1和值的關(guān)系對于雙軸應(yīng)力場條件下，3=0，DruckerPrager破壞曲面在3=0的平面(1，2)上的圖形是橢圓形。將(4)式表達(dá)的關(guān)系曲線在2平面上表示(見圖7)，并與圖2的試驗(yàn)點(diǎn)比較，從圖7可以看出，在12平面內(nèi)，試驗(yàn)點(diǎn)與DP準(zhǔn)則吻合很好。因此，D-P準(zhǔn)則較好地反映了雙軸應(yīng)力作用下混凝土的強(qiáng)度規(guī)律。為了便于分析，我們將幾位學(xué)者所做的普通混凝土的雙軸受壓強(qiáng)度試驗(yàn)點(diǎn)也繪于圖7中。從圖7可以看出，本試驗(yàn)的碾壓混凝土雙軸受壓強(qiáng)度至少不低于其他學(xué)者所做的普通混凝土的相應(yīng)雙軸受壓強(qiáng)度。4結(jié)論圖7D-P準(zhǔn)則的平面圖形(1)碾壓混凝土的雙軸受壓強(qiáng)度比其單軸受壓強(qiáng)度要高，雙軸受壓強(qiáng)度一般是單軸受壓強(qiáng)度的1.21.6倍。=2/1=1時(shí)，提高得最多，達(dá)1.6倍。這些規(guī)律與普通混凝土的規(guī)律基本一致。碾壓混凝土的雙軸受壓強(qiáng)度值不亞于普通混凝土的相應(yīng)值。(2)碾壓混凝土在雙軸受壓時(shí)的延性，顯著高于它在單軸受壓時(shí)的延性。并且增加的延性比增加的強(qiáng)度大得多。破壞時(shí)，雙軸壓力比越接近1，延性越大，破壞時(shí)呈現(xiàn)出較大的塑性。(3)本文得出的強(qiáng)度公式(1)到變形公式(2)，可以在已知兩向應(yīng)力比和單軸強(qiáng)度、變形的條件下，分別求出其極限強(qiáng)度與極限變形，該成果可供碾壓混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)參考。(4)碾壓混凝土在雙軸受壓應(yīng)力作用下的試驗(yàn)研究表明，低應(yīng)力下碾壓混凝土呈現(xiàn)彈塑性變形特征，高應(yīng)力下碾壓混凝土呈現(xiàn)塑性變形特征，即塑性破壞