水库心墙坝体材料混凝土三轴力学特征分析研究

美丽古丽，西尔艾力，李光雄

(1.新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

水工建筑中混凝土材料应用范围较广，在不同荷载工况中，混凝土材料的配合比或其他掺料差异均会对其力学稳定性能产生较大影响，故而探讨三轴力学特征受不同因素耦合影响效应具有重要作用[1-3]。目前，已有一些专家、学者利用颗粒流软件及其他数值仿真手段，研究了单、三轴试验条件下三轴力学特征变化，为室内试验研究提供了理论依据[4-6]。但限于数值计算的不确定性，利用工程现场原位试验，揭示原位岩石或混凝土力学性能，可为实际工程设计或材料认知提供重要参考[7-8]。利用室内试验手段，依据工程实际荷载工况，设计不同荷载实验条件，为探讨水工建筑实际力学状态提供实际准确解，极大提升水工建筑混凝土材料力学性能应用水平[9-11]。本文以三轴力学加载作为试验条件，设计不同水灰比、加载速率混凝土试验组，研究混凝土力学特征受之影响特性。

1 试验概况

本次混凝土材料是南疆地区某水库心墙坝体材料，其三轴试验采用液压试验机程序控制加载，可根据试样类型设计应变式或力控式加载形式，保证试样加载精确控制，力传感器最大可测量至1000 kN，变形传感器测量范围为-10～10 mm，另采用排油法可精确测定试样体积变形，为研究混凝土等岩石材料体积膨胀扩容等特性，三轴试验围压最大可达90 MPa，另可根据试验环境需要，设定不同试验温度，工作温度为-15～120 ℃，数据采集间隔为0.5 s，精度误差低于0.5%，并可实时查看试样加载过程中应力应变状态。本试验所采用的设备如图1所示。

图1 三轴试验仪器

三轴试验是以中间主应力与第三主应力相等的假设为前提进行，混凝土试样受力形态如图2所示。

图2 三轴试验条件下混凝土试样受力状态

为研究心墙坝体混凝土材料的最佳配合比，考虑材料水灰比参数对试样力学特征影响特性，设计不同水灰比组、不同围压组，探讨获得混凝土材料力学基本特性。所选水灰比参数分为0.35、0.40、0.45，且保证各组塌落度均满足本工程中设计要求。各围压组设定围压分别为0 MPa、2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa，加载方式为变形控制，速率均为0.002 mm/s。以目标配合比完成试样制作后，须在室内完成精加工，打磨各端面，保证符合岩石力学实验规范要求[12-13]，其中各试样径高尺寸分别为100 mm×200 mm；另确保各试样均在相同养护时间下进行初始裂隙愈合，确保试样初始裂隙状态近乎一致，减少由于制样而带来的损伤误差。另为模拟不同荷载变形速率影响下混凝土力学性能变化特征，以其中三个围压作为对比组，分别设计五个不同荷载变形速率0.0002 mm/s、0.002 mm/s、0.02 mm/s、0.2 mm/s、2 mm/s，具体各组实验配合比及试验围压如表1所示。

表1 各实验组围压及配合比

每个试样三轴力学试验均按照如下步骤进行：

(1)从养护箱内取出已养护好试样，完成相关物理参数测定，套上隔油膜后，放入三轴缸内，并安装好变形传感器等。

(2)首先加载围压至目标值，调整轴向荷载加载速率，开始试验，采集全过程试样应力应变特征，直至试样失稳破坏。

(3)卸除围压与轴压后，取出试样，更换其他试样，进行另一组对应的围压与加载速率三轴试验。

2 混凝土三轴力学特征

2.1 不同围压下力学特征

基于不同围压下混凝土试样力学破坏试验，获得了围压影响下混凝土试样三轴应力应变曲线，如图3所示。

图3 围压影响下混凝土试样三轴应力应变曲线

从图中可看出，围压愈大，加载过程中应力愈高，在应变0.03时，围压2 MPa时应力值为48.34 MPa，而围压增大至4 MPa、6 MPa、8 MPa后，相同条件下应力值相对前者分别增大了4.9%、18.3%、40.9%。另从应力应变曲线变化全过程可看出，当围压增大，混凝土试样脆性破坏特征显著减弱，峰值应力后应力下降幅度较低，围压8 MPa下峰值应力后应力下跌幅度仅为5.2%；分析认为，当围压增大，可极大限制宏观裂纹的发展，导致宏观裂纹无法在试样内部贯通形成，因而在峰值应力后期持续保持较大承载力，表现在峰值应力上即是处于较高水平。从变形特征来看，高围压下混凝土试样以塑性变形为主，线弹性变形占比较少，围压8 MPa下峰值应力点相对应应变值为0.0902，而围压为2 MPa、4 MPa、6 MPa时峰值应力点相应应变值分别为0.049、0.074、0.085，即峰值应力点应变值随围压增大而递增，围压增强了侧向束缚力，导致试样轴向变形较大。

图4为三个不同水灰比条件下混凝土试样峰值应力变化曲线。

图4 混凝土试样峰值应力变化曲线(加载速率0.02 mm/s)

从图中可看出，相同水灰比下围压愈高，则峰值应力愈大，水灰比0.35时围压8 MPa下的峰值应力是围压2 MPa下的1.6倍，而当水灰比增大至0.45时，两者之间差距为1.28倍，即水灰比增大可削弱围压对混凝土试样峰值应力的正向促进作用；笔者认为，水灰比增大，导致混凝土试样内部构成主体骨架的胶凝材料大大减少，进而试样开口式裂隙大量增多，使得各混凝土试样在围压侧向束缚效应下，更趋于一致性，即试样峰值应力幅度差异愈小。

2.2 水灰比影响下力学特征

为研究水灰比对混凝土试样力学特征影响特性，获得相同围压下不同水灰比的混凝土试样应力应变曲线，如图5所示。

图5 水灰比影响下混凝土试样三轴应力应变曲线(围压4 MPa)

从加载应力以及峰值应力变化特征可知，水灰比愈大，则混凝土试样峰值应力愈低，在围压同为4 MPa时，水灰比0.45下的峰值应力为34.1 MPa，而水灰比0.35、0.40参数下的混凝土试样峰值应力相比前者增大了88.8%、43.9%，即水灰比可抑制混凝土试样应力增长效应，更大的水灰比参数造成了水泥这类胶凝剂的减少，无法较好填充混凝土内部孔隙，极大减弱了试样承载力。从变形特征来看，水灰比愈小，则混凝土试样脆性破坏特征更明显。从应变量值来看，水灰比参数愈大，则混凝土材料变形能力愈强，其中水灰比0.45混凝土试样的峰值应力点相应的应变值为0.052，而水灰比0.35、0.40对应的应变值分别为0.087、0.110，分析认为水灰比愈大，不仅可抑制试样应力增长，且限制了混凝土试样变形的扩展；从水利工程应用角度考虑，应根据工程实际荷载状态，选择最佳水灰比参数，才可保证混凝土试样处于较为理想应力变形状态。

3 三轴加载速率对混凝土力学特征影响

不同加载变形速率对混凝土试样三轴力学特征具有较大影响，本文以不同三轴加载速率为试验研究条件，研究加载速率与三轴力学特征之间关系。

对混凝土试样应力应变影响情况见图6。

图6 加载速率影响下混凝土试样三轴应力应变曲线

由图6可看出，加载速率愈大，则三轴加载应力愈大，当处于相同应变0.06时，加载速率为0.0002 mm/s的混凝土试样应力为62.5 MPa，而加载速率为2 mm/s、0.2 mm/s、0.02 mm/s、0.002 mm/s时，相应的加载应力分别为前者的1.14倍、1.08倍、1.07倍、1.03倍；从加载应力差异来看，五个不同速率的混凝土试样均在加载应力56.5 MPa前基本保持一致，当加载应力超过该节点后，不同加载速率的试样力学特征差异才较显著。笔者认为，当加载速率较大时，混凝土试样内粗细骨料会逐步填充到细小裂纹中，进而导致受外荷载形成的次生裂纹快速被压密愈合，进而获得较强抵抗裂纹扩展的能力；而在相同围压相同配合比试验条件下，加载速率对试样裂纹的影响一般要在屈服阶段后才具有显著差异，主要由于在线弹性变形阶段，试样均具有相同围压束缚作用，各试样之间应力差异较小。另一方面，从加载速率对混凝土试样变形影响特征来看，各加载速率下混凝土试样的峰值应力点应变基本一致，均稳定在0.07，分析认为加载速率对混凝土试样变形影响较小，此与三轴围压的存在具有较大关系，当围压均为0 MPa时(图6(b))，即混凝土试样处于单轴压缩状态，变形与应力均受之影响，高加载速率下混凝土试样脆性变形破坏显著，加载速率0.002 mm/s试样的应力下降幅度不超过15%，由此表明，三轴加载速率对应力应变影响受围压束缚效应影响显著。

图7为相同围压条件下各水灰比组不同加载速率混凝土试样峰值应力之间关系。

图7 各水灰比组加载速率影响下混凝土峰值应力曲线(围压4 MPa)

从图中曲线变化可知，各水灰比组中加载速率对试样峰值应力影响变化均为一致，呈正向促进关系；但当水灰比处于较低水平时，各加载速率混凝土试样间峰值应力差异显著降低，在水灰比0.35试验组中，加载速率0.0002 mm/s相比速率2 mm/s、0.02 mm/s下分别降低了5.34%、4.4%，而当水灰比增大至0.45时，相应的幅度为51.4%、44.2%。在水灰比处于较低水平时，加载速率对试样承载力的影响显著削弱，反之则加载速率对试样承载力影响显著，表明水灰比对加载速率影响混凝土承载力具有正向协同一致性。

4 结 论

(1)围压愈高，则混凝土试样应力、应变均较大，相同加载应变下，围压4 MPa、6 MPa、8 MPa应力相比围压2 MPa时增大了4.9%、18.3%、40.9%，但高围压下峰值应力后期应力下降幅度较小。

(2)水灰比参数愈大，则混凝土试样峰值应力愈小，相同围压下水灰比0.35、0.40参数下的混凝土试样峰值应力相比水灰比0.45下增大了88.8%、43.9%；水灰比愈低，混凝土更趋于脆性破坏，应变愈大。

(3)三轴加载变形速率愈大，峰值应力愈高，特别在进入屈服变形阶段后力学特征具有显著差异，线弹性变形阶段保持应力变形一致，各加载速率下的三轴试验混凝土试样的峰值应力点应变均为0.07，但单轴条件下混凝土变形受加载速率影响显著。

(4)水灰比增大可削弱围压对混凝土峰值应力的正向促进作用；三轴加载速率对力学特性影响会受到围压束缚效应减弱；水灰比愈大，则不同加载变形速率间混凝土试验力学特征愈显著。