中间主应力对塑性混凝土变形性能的影响研究

朱鹏， 陈杰， 顾洋

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122；2.中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 510610；3.华北水利水电大学，郑州 450046）

0 引言

普通混凝土防渗墙在解决工程渗漏问题中发挥了重要作用。工程实践表明，由于其与周围岩土体变形性能相差较大，致使工程运行后易形成渗透隐患部位，有些工程甚至出现渗透破坏现象［1］。利用膨润土替代普通混凝土中大部分水泥制作的塑性混凝土防渗墙克服了刚性混凝土墙的缺点，且塑性混凝土具有弹性模量低、极限变形大、易于泵送且不需振捣、凝固时间长、水泥用量大幅减少等特性，塑性混凝土防渗墙在防渗工程中已经广泛使用。目前的研究成果还不能清楚地揭示塑性混凝土防渗墙实际受力变形特征及破坏机理，已有的研究侧重于其配合比的选定、单轴及常规三轴应力下的力学性能。在单轴及较低围压下，塑性混凝土主要产生脆性破坏，而在较高围压下，则主要产生延性破坏；围压对其轴向应变影响显著，在单轴压缩下立方体试件峰值应变约为1%，而在较高围压下有时可达4%［2-4］。单轴及常规三轴压缩下塑性混凝土轴向应力-应变关系也得到了研究［5-9］。文献［10］、［11］研究了真三轴应力下塑性混凝土强度和扩容。但是没有深入研究中间主应力对塑性混凝土轴向应力-应变曲线、体积变形及破坏特征的影响。为此，文中针对2组不同配合比的塑性混凝土，开展3～4种中间主应力的真三轴试验，研究中间主应力对塑性混凝土轴向应力-应变曲线、轴向应变-体积应变曲线及破坏特征的影响，重点研究中间主应力对塑性混凝土轴向大变形性能、体积扩容及破坏特征的影响。

1 试验设计和试验方法

1.1 试验设计

采用2组配合比制作150mm×150mm×150mm立方体塑性混凝土试件，编号分别为P5-1和P6-1。P5-1的配合比为水：水泥：膨润土：黏土：砂：碎石：减水剂=360：220：110：150：630：630：4.4，标准条件下养护28d后，测的试件单轴抗压强度为5.8MPa。P6-1的配合比为水：水泥：膨润土：黏土：砂：碎石：减水剂=360：240：100：175：615：615：4.8，标准条件下养护28d后，测的试件单轴抗压强度为6.7MPa。作为对比，塑性混凝土真三轴试验中最小主应力σ3分别为0.4MPa和0.8MPa，中间主应力σ2设置了3～4个级别，具体的配合比见和侧向压力值见表1。

表1 塑性混凝土配合比和真三轴试验侧向压力值

1.2 试验步骤

真三轴试验前对养护好的试件进行检查和分组，按照设计的应力水平开展试验。试验过程中先在3个方向施加最小主应力σ3，然后保持一个方向应力恒定，在其他两个方向增大设定的中间主应力值σ2，之后保持最小主应力和中间主应力不变，在最后一个方向施加荷载，直至试件发生破坏。试验过程中，通过电子位移传感器，实时量测试件在3个方向的变形，并对试件破坏后的形态进行描述。

2 试验结果分析

通过对试验结果进行分析，发现中间主应力对塑性混凝土的变形性能有较大的影响，下面分别从轴向应变、体应变和破坏特征进行说明。

2.1 中间主应力对轴向应变的影响

不同中间主应力作用下塑性混凝土的轴向应力-应变关系曲线如图1和图2所示。从图中可以看出，在相同的最小主应力下，随着中间主应力σ2的增大，2组不同配合比的试件的峰值强度和峰值应变均呈增大趋势，试件的应力应变曲线具有相似的特征。在最小主应力为0.4MPa时，应力应变曲线在峰值前近似为直线，且随着中间主应力的增大，切线模量有增大的趋势；但在最小主应力为0.8MPa时，2组试件在峰前均表现出较明显的压密阶段，且随着中间主应力的增大，压密阶段越加明显。

图1 P5-1塑性混凝土轴向应力-应变曲线

图2 P6-1塑性混凝土轴向应力-应变曲线

在试件达到峰值后，随着中间主应力的增大，试件存在从应变软化向应变硬化转变的现象，出现近似水平的阶段越来越明显。说明中间主应力的增大，限制了试件的侧向变形，提高了试件的延性特性。如P5-1塑性混凝土，当σ3=0.8MPa，随着σ2从0.8MPa增加至1.0、1.6、2.0MPa，其峰值强度和峰值应变均增加，近似水平的直线段长度也增加，如在最小和中间主应力为（0.8MPa、1.0MPa）和（0.8MPa、1.6MPa）下，其近似水平直线段的长度分别为4.4%和5.8%。

2.2 中间主应力对体积应变的影响

中间主应力对试件的体积应变也有较明显的影响，不同中间主应力作用下轴向应变-体应变曲线如图3和图4。从图中可以看出，试件轴向应变-体应变曲线具有相似的分布特征，曲线总体表现为3个阶段，初始上升段、近似直线上升段和曲线下降段，且曲线具有明显的峰值点。对于相同配合比的塑性混凝土，当σ3相同时，随着σ2的逐渐增大，轴向应变-体应变曲线发生显著变化，表现为曲线整体向上抬升，峰值点的轴向应变和体积应变增大，但上升段的曲线斜率变化很小，曲线形态基本相同，下降段曲线变得平缓。说明随着中间主应力的增大，试件整体的轴向应变和体积应变都增大，且增大的幅度近似相同。通过曲线先上升后下降的形态，说明侧向变形的规律，在加载初期，体积应变随着轴向应变的增大而增大，侧向变形对体积变形影响较小，侧向约束作用明显，但随着轴向变形的增大，在达到某时刻，体积应变反而出现减小，说明此时侧向变形显著的减小，试件整体的体应变出现，说明此时试样侧向约束作用降低。

图3 P5-1塑性混凝土轴向应变-体应变曲线

图4 P6-1塑性混凝土轴向应变-体应变曲线

2.3 中间主应力对体积变形模量的影响

两组塑性混凝土在不同侧压下的平均应力-体应变εv曲线σm=（σ1+σ2+σ3）/3见图5和图6。结果表明对于相同配合比的塑性混凝土，当最小主应力相同时，在不同中间主应力作用下，其平均应力-体应变曲线具有类似的分布特征，曲线可分为4个阶段，即初始上升段、近似直线上升段、曲线上升段和下降段。例如小主应力σ3为0.4MPa，中主应力σ2为0.6MPa的情况，在加载初期0A段，体应变平均应力随着体应变的增大逐渐增大，表现为初始上升趋势，随着平均应力的进一步增大，体积应变随着平均应力近似线性增长，表现为AB段，而在B点之后，体应变随着平均应力增长速度变缓，表现为BC段的曲线上升，在C点体应变达到最大值，之后体应变随着平均应力的减小而逐渐减小。从图中也可以看出，随着中间主应力的增大，平均应力-体应变曲线分布形态类似，直线上升段的斜率几乎不发生变化。即随着中间主应力增加，塑性混凝土体积弹性模量几乎不变，但平均应力和最大体积压缩应变增加，其抗裂能力增加。

图5 P5-1塑性混凝土平均应力-体应变曲线

图6 P6-1塑性混凝土平均应力-体应变曲线

2.4 中间主应力对破坏特征的影响

在中间主应力恒定的真三轴压缩试验条件下，塑性混凝土立方体试件典型变形破坏过程可分为2个阶段，即前期体积压缩和后期体积膨胀，并伴随竖向裂纹与剪切裂缝先后产生及发展。试验前期，轴向与侧向均受压产生压缩变形，试件体积减小；随着轴向持续加载，其轴向一直产生压缩变形，而侧向先压缩后膨胀，当侧向膨胀变形速率大于轴向变形速率时，试件体积压缩量最小，之后体积开始膨胀，这时出现几乎平行于最大主应力方向的裂纹，如图7（a）所示。随着轴向荷载继续增加，竖向裂纹数目和宽度逐渐增加，但达到一定阶段后，竖向裂纹发展逐渐减弱而剪切裂缝开始形成并不断发展，且剪切裂缝主要位于最小主应力的作用方向。当侧压相等时，4个侧面均出现剪切裂缝，随着中间主应力与最小主应力差值增大，剪切面向最小主应力作用下方向转移，且两者差值越大，该特征越明显，图7（b）为真三轴压缩下不同侧压下塑性混凝土的破坏特征。

图7 不同侧压下塑性混凝土的破坏特征

3 结语

通过开展两种配合塑性混凝土的真三轴试验，研究了中间主应力对塑性混凝土变形性能的影响，主要结论如下：

（1）在侧向压力恒定的真三轴压缩试验中，中间主应力对塑性混凝土轴向变形、体积变形和应力-应变曲线影响较为显著。在最小主应力恒定条件下，随着中间主应力的增加，塑性混凝土轴向峰值强度、峰值应变、体积最大压缩量和应力-应变曲线延性段的长度均有明显增加，增加了其延性变形能力和抗裂性能，但对峰值前的变形模量和体积变形模量影响较小。

（2）在侧向压力恒定的真三轴压缩试验下，塑性混凝土的变形破坏过程可分为前期体积压缩和后期体积膨胀两个阶段；中间主应力影响试件破坏的特征，其破坏面主要出现在最小主应力方向，且随着中间主应力与最小主应力差值增大，破坏特征就越明显。