真三軸試驗(yàn)下真實(shí)應(yīng)變對(duì)塑性混凝土應(yīng)力－應(yīng)變特性的影響

梁鳳凱，梁奉可，梁奉恩

塑性混凝土是用黏土和膨潤(rùn)土等膠凝材料取代普通混凝土中的部分水泥而形成的一種新型柔性工程材料。有時(shí)也加入粉煤灰、外加劑等來改善塑性混凝土的物理力學(xué)性能、工作性能以及節(jié)約水泥降低成本。國(guó)內(nèi)外大量研究學(xué)者與工程人員經(jīng)過長(zhǎng)期的研究試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)塑性混凝土與普通混凝土相比具有如下許多優(yōu)點(diǎn)［1－3］：

（1）塑性混凝土彈性模量低，有較低的模強(qiáng)比（即初始彈性模量與單軸抗壓強(qiáng)度的比值，值越小越好），且可人為控制。塑性混凝土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。

（2）適應(yīng)變形能力強(qiáng)。塑性混凝土極限應(yīng)變高，在無側(cè)限條件下一般超過1．00%，普通混凝土峰值應(yīng)變一般處于0．08% ～0．30%之間，尤其在側(cè)限條件下極限應(yīng)變超過12%。

（3）抗?jié)B性能好［4－6］，有很好的和易性及良好的抗震性能，不用振搗就可以自密實(shí)，自流平，易于泵送；初凝和終凝時(shí)間都比普通混凝土?xí)r間長(zhǎng)，易于操作。

（4）塑性混凝土處于三向受力狀態(tài)下，其峰值強(qiáng)度會(huì)比單軸抗壓強(qiáng)度有很大的提高，這就意味著塑性混凝土地下連續(xù)墻隨著周圍巖土體對(duì)其壓力的增加，墻體的安全性能反而能提高。

綜上所述，在病險(xiǎn)水庫的除險(xiǎn)加固工程上，塑性混凝土具有比剛性混凝土更好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值［7－9］。

但對(duì)于塑性混凝土的性能研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要集中基于小應(yīng)變假定的基礎(chǔ)上分析單軸或三軸試驗(yàn)下塑性混凝土的力學(xué)性能。如李清富等［8－10］研究了塑性混凝土彈性模量測(cè)定過程中采用不同的測(cè)定標(biāo)距對(duì)其值準(zhǔn)確度的影響。高丹盈等［11－12］以及王四巍等［13－14］對(duì)塑性混凝土進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)時(shí)卸載曲線總是滯后于加載曲線，加載曲線和卸載曲線形成了封閉的塑性滯回環(huán)；試塊在真三軸應(yīng)力下，出現(xiàn)體積擴(kuò)容現(xiàn)象。

塑性混凝土極限應(yīng)變較大，一般超過1．00%，壓縮后試樣橫截面積變化非常大，因此在后期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中必須考慮試樣橫截面積變化對(duì)強(qiáng)度的影響，所以小應(yīng)變假定已經(jīng)不再適用，這里借用王冠等［15］處理大變形鹽巖的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方法，即使用應(yīng)變的真實(shí)定義—科學(xué)應(yīng)變來處理塑性混凝土的真三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

1．1 原材料和配合比

試驗(yàn)原材料主要有水泥、砂、石、膨潤(rùn)土。水泥為強(qiáng)度等級(jí)為42．5的袋裝普通硅酸鹽水泥；中砂，細(xì)度模數(shù)2．9，級(jí)配區(qū)為Ⅱ區(qū)，石顆粒級(jí)配符合5 mm～20 mm標(biāo)準(zhǔn)要求，其他檢測(cè)項(xiàng)都符合JBJ 52—2006規(guī)范［16］要求；河南省信陽市生產(chǎn)的鈣基膨潤(rùn)土。塑性混凝土配合比見表1。

表1 4組塑性混凝土配合比 單位：kg／m3

1．2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，圍壓（MPa）環(huán)境設(shè)置為12種不同狀態(tài)，分別是（0．4，0．4）、（0．4，0．6）、（0．4，0．8）、（0．4，1．0）、（0．4，1．2）；（0．6，0．6）、（0．6，0．8）、（0．6，1．0）、（0．6，1．2）；（0．8，0．8）、（0．8，1．0）、（0．8，1．2），采用分級(jí)加載，每級(jí)加載0．2 MPa。結(jié)合4種不同膨潤(rùn)土摻量的配合比，共完成144個(gè)試件的試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用LY－C型拉壓真三軸儀。將塑性混凝土試樣放入三軸儀指定位置后，在除了承壓端的其它5個(gè)加壓端柱頭上各安裝1個(gè)平行加載方向的YHD－50型位移計(jì)，量測(cè)試件的變形，應(yīng)力由安裝在油缸和加載柱頭之間的荷載傳感器測(cè)量，并都連接到DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)計(jì)算機(jī)上同步采集數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2．1 采用真實(shí)應(yīng)變進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

式中：l0為未受壓的試驗(yàn)樣品初始長(zhǎng)度；Δl為測(cè)量的試驗(yàn)樣品的軸向平均變形值；εln為對(duì)數(shù)應(yīng)變值；l為已受壓的試驗(yàn)樣品的當(dāng)前長(zhǎng)度l＝l0－Δl。σln為對(duì)數(shù)更正的軸壓；F1為軸向力；A0為未承壓樣品的橫截面積；由于變形（Δl）改變了巖樣的橫截面積A′；εt為工程應(yīng)變值。

2．2 對(duì)塑性混凝土的峰值強(qiáng)度影響

由表2可以看出，小應(yīng)變假定下峰值強(qiáng)度比真實(shí)應(yīng)變峰值強(qiáng)度普遍降低，峰值強(qiáng)度降低幅度在5%與10%之間，可以看出真實(shí)應(yīng)變強(qiáng)度與圍壓環(huán)境的關(guān)系相似于小應(yīng)變假定的強(qiáng)度關(guān)系。對(duì)于同一配合比的塑性混凝土，當(dāng)最小主應(yīng)力相同時(shí)，塑性混凝土的真實(shí)應(yīng)變峰值強(qiáng)度隨中間主應(yīng)力的增大而增大，但增幅越來越小。例如，在最小主應(yīng)力為0．4 MPa時(shí)，隨著中間主應(yīng)力從 0．6 MPa增至 0．8 MPa、1．0 MPa和 1．2 MPa時(shí)，修正峰值強(qiáng)度從 11．65 MPa增至 13．16 MPa、13．69 MPa 和 14．05 MPa，增幅分別為12．96%、4．03%和 2．63%。當(dāng)最小主應(yīng)力為 0．6 MPa，中間主應(yīng)力由 0．8 MPa 增至 1．0 MPa 和 1．2 MPa時(shí)，真實(shí)應(yīng)變峰值強(qiáng)度由12．41 MPa增至13．3 MPa和 13．52 MPa，增幅分別是 7．17%和 1．65%。

分析其它3 個(gè)配合比（PC10、PC20、PC30）的塑性混凝土峰值強(qiáng)度與圍壓環(huán)境的相對(duì)變化關(guān)系，可以得出同配合比PC00下塑性混凝土峰值強(qiáng)度的變化規(guī)律一致，即當(dāng)最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力相同時(shí)，塑性混凝土小應(yīng)變假定（真實(shí)應(yīng)變）峰值強(qiáng)度隨圍壓的增大而增大；當(dāng)最小主應(yīng)力相同時(shí)，塑性混凝土的小應(yīng)變假定（真實(shí)應(yīng)變）峰值強(qiáng)度隨中間主應(yīng)力的增大而增大，但增幅越來越小。

2．3 對(duì)塑性混凝土峰值后曲線特征的影響

由圖1可以看出配合比PC00的塑性混凝土真三軸應(yīng)力下峰值后曲線特征，即真實(shí)應(yīng)變修正后對(duì)峰值后曲線特征幾乎沒有影響，修正前后的峰值后曲線都呈現(xiàn)出近似塑化或理想塑化特征，即曲線沒有明顯的下降段，也沒有明顯的拐點(diǎn)，故不能看出明顯的峰值點(diǎn)，同小應(yīng)變假定下塑性混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變峰值后曲線特征一致。

表2 塑性混凝土（配合比PC00）峰值強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果

圖1 配合比PC00試件小應(yīng)變假定和真實(shí)應(yīng)變峰值后曲線特征對(duì)比

圖2 配合比PC10試件小應(yīng)變假定和真實(shí)應(yīng)變峰值后曲線特征對(duì)比

圖3 配合比PC20試件小應(yīng)變假定和真實(shí)應(yīng)變峰值后曲線特征對(duì)比

由圖2～圖4可以看出，在真三軸壓縮試驗(yàn)條件下，小應(yīng)變假定和真實(shí)應(yīng)變條件下峰值前曲線都具有初始加載段、直線上升段、曲線上升段，但小應(yīng)變假定塑性混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線峰后特征同配合比PC00的曲線特征相同，都呈現(xiàn)出近似塑化或理想塑化特征，即曲線沒有明顯的下降段，也沒有明顯的拐點(diǎn)，故不能看出明顯的峰值點(diǎn)。但真實(shí)應(yīng)變對(duì)峰值后應(yīng)力－應(yīng)變曲線特征影響較大，第一點(diǎn)，塑性混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線峰值點(diǎn)突出明顯；第二點(diǎn)，峰值后曲線表現(xiàn)為應(yīng)變繼續(xù)快速增加的同時(shí)應(yīng)力不再是緩慢降低，應(yīng)力修正后增加了應(yīng)力的降低速度，即峰值點(diǎn)后曲線出現(xiàn)明顯下降段，不再是小應(yīng)變假定下呈現(xiàn)出的近似塑化或理想塑化特征。

圖4 配合比PC30試件小應(yīng)變假定和真實(shí)應(yīng)變峰值后曲線特征對(duì)比

3 對(duì)上述現(xiàn)象進(jìn)行定性分析

配合比PC00的塑性混凝土中膨潤(rùn)土含量為零，其性能更趨向于普通（剛性）混凝土性能。這一批次的混凝土試樣極限應(yīng)變較小，受壓條件下橫截面積變化極小，采用科學(xué)應(yīng)變計(jì)算方法換算后橫截面積數(shù)值變化不大，故真實(shí)應(yīng)變修正對(duì)軸向應(yīng)力的影響不大。

對(duì)于配合比PC10、PC20和PC30的三個(gè)批次塑性混凝土，膨潤(rùn)土摻量分別含有10%、20%和30%。塑性混凝土試樣在有側(cè)限條件下極限應(yīng)變可達(dá)12%，壓縮過程中橫截面積大小改變程度比普通混凝土較大，考慮橫截面積變化對(duì)強(qiáng)度的影響，采用科學(xué)應(yīng)變計(jì)算方法求軸向應(yīng)變及其對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力，軸向荷載大小不變時(shí)，軸向應(yīng)力隨橫截面積的增大而減小。因此未修正的峰后曲線特征（峰值點(diǎn)不明顯，沒有明顯下降段）屬于假性特征，修正后的應(yīng)力－應(yīng)變曲線特征（有明顯峰值點(diǎn)，有明顯曲線下降段）更能真實(shí)準(zhǔn)確的反映出塑性混凝土材料在圍壓應(yīng)力環(huán)境下的變形性能。

4 結(jié) 論

（1）真實(shí)峰值強(qiáng)度普遍降低，峰值強(qiáng)度降低幅度在5%與10%之間，但峰值強(qiáng)度與圍壓環(huán)境的相對(duì)變化關(guān)系不變，即當(dāng)最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力相同時(shí)，塑性混凝土峰值強(qiáng)度隨圍壓的增大而增大；當(dāng)最小主應(yīng)力相同時(shí)，塑性混凝土的峰值強(qiáng)度隨中間主應(yīng)力的增大而增大，但增幅越來越小。

（2）當(dāng)膨潤(rùn)土摻量為零時(shí)，小應(yīng)變假定和真實(shí)應(yīng)變下塑性混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變曲線特征一致，即曲線沒有明顯的下降段，也沒有明顯的拐點(diǎn)，故不能看出明顯的峰值點(diǎn)。

（3）當(dāng)膨潤(rùn)土摻量不為零時(shí)，真實(shí)應(yīng)變下塑性混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線峰值點(diǎn)突出明顯，峰值后曲線表現(xiàn)為應(yīng)變繼續(xù)快速增加的同時(shí)應(yīng)力不再是緩慢降低，即峰值點(diǎn)后曲線出現(xiàn)明顯下降段，不再是小應(yīng)變假定下呈現(xiàn)出的近似塑化或理想塑化特征。

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