基于PFC 3D的某水利工程中混凝土冻融损伤破坏试验研究

田 丰

(新疆水利水电勘测设计研究院检测试验研究中心，新疆 昌吉 831100 )

在水利工程中混凝土材料很难不应用到，所建水利设施寿命在一定程度上取决于所用混凝土材料性能，水利设施受到冻融循环、雨水侵蚀等长此以往的破坏，对内部混凝土性能均是较大的伤害，特别是在我国西北、东北等气候寒冷地区，研究混凝土冻融循环性能对开展水利工程选材具有重要帮助[1-3]。国外已有诸多学者[4-6]基于室内试验与理论推导等手段，开展了混凝土冻融循环研究。国内一些水利工程师[7-9]基于数值模拟手段，引入岩石力学损伤分析理论，探讨了混凝土冻融循环损伤演化特征。还有一些学者[10-12]利用先进的试验系统设计冻融循环实验方案，开展破坏力学、细观等理论与试验相结合的研究。利用PFC 3D颗粒流软件，不同于其他数值软件，混凝土这种材料非常契合PFC 3D的研究对象特征[13-14]，开展多次冻融循环次数的损伤破坏实验研究，为认识水利工程中混凝土材料冻融性能提供一定参考。

1 冻融损伤混凝土模型建立

寒区水利工程中混凝土常常会受到冻融侵蚀，导致混凝土从表到里逐渐失去保护层，强度或其他抗渗特性均会受到一定损害，为此，本文在利用PFC 3D研究冻融损伤混凝土时，以混凝土为层状结构考虑，分为损伤层与无损伤层，如图1所示构造。并依据前人文献知，冻融损伤层厚度与冻融循环次数关系如公式(1)：

d=1.742×10-5N3-0.004N2+0.322N+0.179

(1)

式中：d为冻融损伤层厚度，mm；N为冻融循环次数。

图1 冻融损伤混凝土几何示意图

利用PFC 3D建立损伤层模型与未损伤层模型，如图2所示，不论是未损伤层亦或是损伤层，混凝土其所用材料属性参数均是一致，例如水泥砂浆胶结面材料弹性模量均为40 GPa，但是冻融损伤层由于冻融作用，胶结面上初始弹性模量为40 GPa，在其后冻融循环次数中，会逐渐降低，例如冻融循环50次，弹性模量为30 GPa。

图2 损伤层模型与未损伤层模型

图3(a)为冻融循环下混凝土应力应变。从图中可看出，峰值强度与冻融循环次数成反比，循环次数为0时，峰值强度为35 MPa，而冻融循环次数达到150次时，其峰值应力相比前者降低了20%，为28 MPa。另一方面，峰值应力点处应变值随冻融循环次数增多而逐渐增大，在循环25次时，峰值应力点应变为0.13%，而经过150次循环后，峰值点应变值增大了23.1%，达0.16%。分析出现该现象是由于冻融循环次数增多，试样内部矿物颗粒遭到多次破坏再结晶，颗粒间黏结性能大大降低，承受单轴抗压强度故逐渐减小；但冻融循环次数增大，一定程度会促使矿物颗粒塑性能力增强，混凝土软化特性加强，反映在变形上则是峰值点应变值逐渐增大。

图3(b)～(d)为冻融循环次数与泊松比关系，从图中亦可发现，弹性阶段泊松比与冻融循环次数亦成反比，循环次数25次泊松比值为0.166，而150次循环次数下泊松比值相比降低了3.6%，为0.160，但整个破坏过程中泊松比变化趋势不受冻融循环次数影响。

图3 试样破坏力学特征曲线

2 单轴细观破坏模拟研究

2.1 冻融损伤单轴破坏分析

为分析方便，本文以混凝土试样单轴破坏过程中的峰值强度点A、应变达0.3%点B、峰后达1/2峰值应力点C为对象，分析冻融循环下试样的变形以及裂纹演化过程。

图4给出了不同冻融循环次数下特征点处位移值变化曲线，从图中可知，在各应力或应变特征点处，对应的位移均随冻融循环次数增多而增大，在应变0.3%B点冻融循环次数0次下位移为0.724 mm，而在循环次数150次时，位移值增大了3.5%，为0.749 mm，且在冻融循环次数75次、100次时，两者之间位移值基本一致，表明应变0.3%B点处位移随冻融循环次数增大，变化量较低，受冻融循环次数影响较弱。不同于B点，峰后1/2峰值应力点位移值随冻融循环次数变化显著，冻融循环0次时位移值为0.918 mm，而次数为25次时相比增长了7.8%，为0.990 mm，冻融循环次数愈多，位移增长幅度愈明显。从位移分布云图亦可看出(图5)，点B位移值端部最大位移在冻融循环次数为75次，与150次时并无太显著差别，且B点时试样整体位移分布亦近乎一致。

图4 不同冻融循环次数下特征点处位移值变化曲线

图5 特征点应力分布云图

图6为特征点处应力值与冻融循环次数关系曲线，图7为特征点处应力分布图。从图中可看出，A点与C点应力值基本均随冻融循环次数增多而逐渐降低，循环次数0次时C点荷载为16.6 kN，而在循环次数为125次、150次时，分别降低了3.6%、7.2%；但特征点B应力值变化并不呈现趋势一致性，而是随着循环次数增多出现波动性变化。从分布形态亦可看出，应力分布总是趋向于端部处，导致冻融循环次数增多，一定程度会削弱端部晶体矿物颗粒间的整体承载能力，进而呈现特征点A处应力逐渐下降。

图6 特征点处应力值与冻融循环次数关系曲线

图7 不同冻融循环次数下特征点处应力分布

2.2 细观特征

图8为不同冻融循环次数下各特征点处产生的裂纹数。从图中可看出，在点A与点C处裂纹总数在各循环次数下几乎并未有显著一致性变化，而是随冻融循环次数增多，呈波动性变化，点A循环次数0次时总裂纹数量为7587，而在循环次数25次与50次时，总裂纹数量几乎一致，另在点C处亦是如此。分析出现这种现象与A点、C点处选取有关，A点与C点均是由各冻融循环次数下的应力值控制确定的点，而不是应变控制，当采用应力控制时，试样裂纹的产生与应力增长有关，应力点不变，进而该点裂纹数量亦不会发生太大变化，此从室内岩石力学试验亦可得知，当采用力控加载时，岩石应力增长稳定，但破坏剧烈。当由应变控制时，即B点，该点处裂纹数量与冻融循环次数成反比变化特征，混凝土试样区域软化，抑制了裂纹的产生及贯通，故而不论是张拉裂纹亦或是剪切裂纹数量，均呈下降态势。从混凝土试样破坏整体裂纹分布亦可看出，不论是特征点A、B亦或是点C，在各冻融循环次数下均是剪切裂纹数量高于张拉裂纹，由此说明，在经冻融循环后混凝土单轴破坏还是以剪切破坏为主，即破坏内因由抗剪能力差引起。

图8 不同冻融循环次数下特征点处产生裂纹数

图9 混凝土内部破裂形态

针对混凝土此类材料，其裂纹的贯通主要在峰值应力后出现，故本文给出点B、点C处混凝土内部破裂形态，如图9所示。从图中可看出，点B处冻融循环次数0次、75次试样内部出现显著贯通性裂纹，而在冻融循环150次时，试样仅局部出现裂纹，整体处于稳定状态。分析此是由于点B为由应变控制确定，当冻融循环次数较少时，峰值点对应的应变值亦较小，而为达到点B的应变值，试样内部需发生更大的变形，故造成试样裂纹贯通上下端部，而冻融循环次数多时，峰值点对应的应变较大，而点B确定的应变值靠近峰值点，故而出现的裂纹还未及贯通。点C处不论是冻融循环次数0亦或是150，内部裂纹发育充分，均产生了贯通性破坏裂纹，不同于点B处，点C处为峰后阶段1/2的峰值应力，即裂纹均是在峰值应力后期产生，内部本身就已充满较多裂隙，峰后逐渐联通，并在点C处贯通成大裂纹，颗粒破碎性显著，进而导致试样失稳破坏。

3 结 论

针对某水利工程中所用混凝土材料，引入PFC 3D颗粒离散元分析方法，建立冻融损伤混凝土模型，研究了不同冻融循环次数下单轴破坏特征，得到了以下结论：

(1)研究了峰值强度、弹性阶段泊松比与冻融循环次数成反比，但峰值点处应变值成正比，冻融循环次数150次相比0次峰值应力降低了20%，峰值点处应变值增大了23.1%，达0.16%。

(2)获得了峰值应力点A、应变0.3%点B、峰后1/2峰值应力点C处应力与变形特征，点B处位移受冻融循环次数影响较弱，点C处位移随循环次数增长较明显；点A与点C应力随循环次数逐渐降低，点B应力变化并无趋势一致性。

(3)分析了典型特征点裂纹变化，点A与点C产生裂纹总数随循环次数无一致性规律，点B处裂纹总数随冻融循环次数逐渐减少，三个特征点均是剪切裂纹数量高于张拉裂纹；点B处循环0次、75次出现贯通性裂纹，循环150次时，仅局部出现裂纹，点C为峰后阶段，在各循环次数下均出现有贯通性破坏裂纹。