膠凝砂礫石材料宏細(xì)觀參數(shù)及破壞模式研究

黃虎, 李坡, 霍文龍, 張獻(xiàn)才

(華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045)

膠凝砂礫石 (Cemented Sand and Gravel,CSG)材料是將水、膠凝材料、河床砂礫石或開挖廢棄料等當(dāng)?shù)夭牧习匆欢ū壤旌?然后拌合后得到的一種新型筑壩材料。隨著2004年我國首例CSG圍堰的建成應(yīng)用,CSG材料在水利工程中的應(yīng)用也逐漸推廣。賈金生等[1]于2009年提出了膠結(jié)顆粒料壩和“宜材適構(gòu)”的新型筑壩理念,并推動國際大壩委員會設(shè)立了膠結(jié)顆粒料壩專業(yè)委員會,編制了膠結(jié)顆粒料壩水利行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2014年,我國第一座永久性CSG壩工程——山西守口堡水庫CSG壩開工建設(shè)。隨著CSG壩理論研究的深入,我國的CSG壩正由臨時(shí)工程向永久工程、低壩向高壩過渡。

目前,國內(nèi)外在CSG材料的靜力學(xué)特性方面取得了大量有價(jià)值的研究成果。2003年,BATMAZ S[2]結(jié)合土耳其Cindere壩進(jìn)行了CSG料的強(qiáng)度試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)膠凝摻量為70 kg/m3時(shí),90 d齡期CSG料的強(qiáng)度可達(dá)5 MPa以上,可滿足高100 m大壩的強(qiáng)度要求。ADL M R[3]通過對膠凝砂礫石材料進(jìn)行不同圍壓下的三軸不排水試驗(yàn)得出:在高圍壓和低膠凝材料時(shí),試件出現(xiàn)明顯的膨脹;隨著膠凝材料含量的增加,摩擦角的變化不大,但黏聚力變化明顯。賈金生等[4]通過試驗(yàn)對福建街面水電站下游圍堰工程的筑壩材料進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,當(dāng)?shù)靥烊簧暗[石摻入水泥和粉煤灰各40 kg/m3后,180 d齡期CSG材料的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到C7.5,滿足圍堰的安全穩(wěn)定要求。2007年,孫明權(quán)等[5]對不同膠凝摻量的CSG材料進(jìn)行了三軸剪切排水試驗(yàn),結(jié)果表明,CSG材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯的非線性特征及軟化特征。通過對立方體試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[6],在靜力荷載作用下,CSG材料的破壞主要是膠結(jié)面的破壞,最終的破壞是由于膠結(jié)體的斷裂導(dǎo)致材料成為散粒體,而粗骨料本身并未發(fā)生任何形式的破損,從宏觀上表現(xiàn)為試件的剪切斷裂和壓碎。蔡新等[7]通過大型三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),膠凝堆石料的剪脹性明顯,在不同圍壓下,材料的破壞形式也存在不同,圍壓越小,剪脹越明顯;低圍壓下膠凝堆石料的骨料不會破碎,骨料間的黏結(jié)力喪失后,在剪切力的作用下骨料容易滾動和翻轉(zhuǎn),試件表現(xiàn)為較明顯的先縮后脹;高圍壓下的膠凝堆石料的骨料容易破碎,也可能滑動、擠壓或者填充孔隙,翻轉(zhuǎn)和滾動較少。雖然國內(nèi)外在CSG料力學(xué)特性方面取得了大量有價(jià)值的研究成果,但主要是對室內(nèi)試驗(yàn)宏觀現(xiàn)象的總結(jié),關(guān)于其細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)的研究還鮮有提及,對材料的破壞機(jī)理還有待進(jìn)一步研究,進(jìn)行CSG材料的細(xì)觀試驗(yàn)研究是未來的研究方向[8]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,采用宏觀與細(xì)觀相結(jié)合的方法,在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)宏觀力學(xué)性能探尋細(xì)觀參數(shù)的變化規(guī)律,得出適合CSG材料的細(xì)觀參數(shù),通過研究揭示CSG材料的細(xì)觀破壞模式,為深入研究CSG材料的力學(xué)特性和破壞機(jī)理、建立基于細(xì)觀的數(shù)值分析模型提供參考和借鑒。

1 試驗(yàn)方案

1.1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1.1 試件制備

根據(jù)膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則(SL 678—2014),膠凝材料用量不宜低于80 kg/m3,其中水泥熟料用量不宜低于32 kg/m3,水膠比宜控制在0.7～1.3,CSG中砂率宜在18%～35%[9]。限于篇幅限制,結(jié)合已有研究成果[10-12],本文僅對一種配合比方案進(jìn)行試驗(yàn)分析。膠凝材料采用普通硅酸鹽水泥(P·O42.5)和干排F類Ⅱ級粉煤灰,含量分別為40 kg/m3和50 kg/m3;砂率為0.2;水膠比為1∶1;砂礫石材料為汝州市天然河床的開挖料,經(jīng)人工篩分為粒徑5～20 mm、20～40 mm的二級配天然骨料。試件為φ150 mm×300 mm的圓柱體,試件的制備采用機(jī)械和人工相結(jié)合的拌和方式,裝入鋼模具內(nèi)，常溫下放置48 h,拆模后將其置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d。

1.1.2 試驗(yàn)加載

室內(nèi)試驗(yàn)在WAW-1000型微機(jī)控制電液伺服試驗(yàn)機(jī)上完成。加載速率為1 mm/min,試件破壞后停止加載,試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)中記錄應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。

1.2 數(shù)值模擬試驗(yàn)

1.2.1 平行黏結(jié)模型

數(shù)值試驗(yàn)通過離散元軟件PFC2D來完成。為較好地模擬CSG材料中骨料間的相互作用,顆粒間的相互作用采用平行黏結(jié)模型模擬[13],如圖1所示。圖1中：A、B為兩個接觸顆粒;xi[A]、xi[B]和xi[C]分別為顆粒A、B及黏結(jié)部分的中心坐標(biāo);R為黏結(jié)半徑;L為黏結(jié)厚度;作用于顆粒A和B上的附加荷載會分配給接觸彈簧和平行黏結(jié)彈簧,從而實(shí)現(xiàn)力和力矩的傳遞。雖然該模型不能完全模擬實(shí)際材料中的膠結(jié)量,但力學(xué)分析得到的膠結(jié)性狀改變的結(jié)果在一定程度上反映了膠結(jié)砂礫石的力學(xué)響應(yīng)趨勢。

圖1 平行黏結(jié)模型

1.2.2 數(shù)值模型

為保證數(shù)值模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性,數(shù)值模型試件與室內(nèi)試驗(yàn)試件保持一致,模型均高300 mm,寬150 mm。根據(jù)材料選用的砂、礫石的級配方案,試件為φ150 mm×300 mm的圓柱體;試件內(nèi)骨料粒徑為5～40 mm,且形狀復(fù)雜不均。通過數(shù)值模型建立完全符合骨料形狀的顆粒流模型是不現(xiàn)實(shí)的。根據(jù)文獻(xiàn)[14]的結(jié)論,當(dāng)模型高度與顆粒平均半徑的比值H/r≥125時(shí),顆粒的大小不會對各項(xiàng)宏觀參數(shù)造成影響。本文試驗(yàn)中骨料顆粒的平均半徑為2.25 mm,H/r=133>125,故不必考慮骨料顆粒大小對各項(xiàng)宏觀參數(shù)的影響。在建立數(shù)值模型時(shí),預(yù)先設(shè)定顆粒的最小半徑為0.5 mm,最大半徑為4 mm,然后隨機(jī)生成骨料顆粒,并控制最大半徑顆粒的數(shù)量。采用重力沉積法實(shí)現(xiàn)試樣的制備,在“U”型區(qū)域內(nèi)生成松散顆粒,施加重力,顆粒開始沉積;沉積完成后,設(shè)置顆粒ball的密度、局部阻尼,運(yùn)算至收斂,則完成了試件數(shù)值模型的建立,如圖2所示。數(shù)值模型的底部和頂部均設(shè)置為“wall”,為剛性板邊界;底部“wall”采用全約束;頂部“wall”施加應(yīng)變控制荷載。整個數(shù)值模擬試驗(yàn)通過伺服調(diào)節(jié)法控制模型的加載過程來完成。

圖2 數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2 宏、細(xì)觀參數(shù)間的定量關(guān)系分析

2.1 平行黏結(jié)法向剛度對宏觀參數(shù)的影響

圖3 不同時(shí)，試件的宏觀參數(shù)響應(yīng)關(guān)系

式中:σd的單位為MPa;E的單位為108Pa。

圖4 不同時(shí)，試件的破壞形式

2.2 平行黏結(jié)切向剛度對宏觀參數(shù)的影響

圖5 不同時(shí)，試件的宏觀參數(shù)響應(yīng)關(guān)系

式中E的單位為108Pa。

圖6 不同時(shí)，試件的破壞形式

2.3 接觸黏結(jié)法向剛度kn對宏觀參數(shù)的影響

不同kn下試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,峰值應(yīng)力σd和彈性模量E與kn的關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可知,隨著kn的增大,試件達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)對應(yīng)的應(yīng)變逐漸減小;峰值應(yīng)力后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本相似;σd表現(xiàn)出一定的離散性,整體上呈現(xiàn)減小的趨勢,但變化范圍很小,可以認(rèn)為kn在一定范圍內(nèi)的變化對σd的影響較小;E隨著kn的增大呈線性增加,其與kn的關(guān)系式為：

E=1.083+0.876kn(R2=0.983)。

式中E的單位為108Pa。

圖7 不同kn時(shí)，試件的宏觀參數(shù)響應(yīng)關(guān)系

不同kn時(shí)試件的破壞形式如圖8所示。由圖8可知:kn=5×108Pa時(shí),試件上貫通性共軛裂縫不對稱,在對角線裂縫一側(cè)有平行于試件的次生裂縫帶;隨著kn的增大,試件的貫通性共軛裂縫又表現(xiàn)為對稱分布,破壞帶逐漸加寬,破壞面交叉處次生裂紋增加,破壞交叉處的顆粒呈散粒體,以剪切破壞產(chǎn)生的裂紋為主。總體來看,kn對試件的破壞形式有一定影響。

圖8 不同kn時(shí)，試件的破壞形式

2.4 接觸黏結(jié)切向剛度ks對宏觀參數(shù)的影響

不同ks時(shí)試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,σd和E與ks的關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9 不同ks時(shí)，試件的宏觀參數(shù)響應(yīng)關(guān)系

由圖9可知:ks越大,試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線上直線上升段的斜率越大,即彈性模量越大,應(yīng)力峰值也越大,且其對應(yīng)的應(yīng)變值相應(yīng)逐漸增大;應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的下降段基本相似;σd隨ks的增大而增大,其變化范圍為2.7～3.22 MPa。E隨ks的增大呈線性增長,其與ks關(guān)系式為：

E=1.332+0.6ks(R2=0.980)。

式中E的單位為108Pa。

不同ks時(shí),試件的破壞形式如圖10所示。由圖10可以看出:當(dāng)ks=5×107Pa時(shí),貫通破壞面位于試件第一條對角線的方向;隨著ks的增大,試件發(fā)生沿兩對角線方向的共軛型破壞,沿對角線方向出現(xiàn)了平行破裂帶,交叉破壞處有少量次生裂縫;當(dāng)ks=12×107Pa時(shí),主貫通破壞面又以第一條對角線方向?yàn)橹?共軛型破壞不明顯,第二條對角線方向的裂縫未貫通?？傮w來看,ks值對試件破壞模式的影響較大。

圖10 不同ks時(shí)，試件的破壞形式

2.5 摩擦系數(shù)f對宏觀參數(shù)的影響

對于CSG材料,試件出現(xiàn)裂紋后,骨料之間的摩擦對試件的力學(xué)響應(yīng)存在較大的影響。不同f時(shí)，試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、峰值應(yīng)力σd和彈性模量E與f之間的關(guān)系曲線如圖11所示。

由圖11(a)可知:在應(yīng)力達(dá)到峰值前,隨著f的增大,試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段逐漸變陡,峰值應(yīng)力σd逐漸增大,但峰值應(yīng)力σd對應(yīng)的應(yīng)變則較為接近;當(dāng)f較小時(shí),試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段較平緩,隨著f的增大,下降段逐漸變陡,表明f對材料的軟化特性有很大的影響。

通過多組試驗(yàn)分析了摩擦系數(shù)f對試樣宏觀力學(xué)的敏感性,發(fā)現(xiàn)峰值應(yīng)力σd和彈性模量E與f之間均表現(xiàn)為指數(shù)函數(shù)關(guān)系,如圖11(b)所示,其關(guān)系式為:

式中:σd的單位為MPa;E的單位為108Pa。

不同f時(shí),試件的破壞模式如圖12所示。由圖12可知:當(dāng)f=0.3時(shí),試件左側(cè)局部剪脹明顯,造成三角形脫落塊體,形成非對稱性破壞;當(dāng)f=0.6、0.9、1.8時(shí),試樣均沿第一條對角線方向出現(xiàn)單一貫通破裂面,且f越大,第二條對角線方向上的裂縫越多,但破壞面不貫通;當(dāng)f=2.4時(shí),試件又表現(xiàn)為共軛型貫通破壞?？傮w來看,摩擦系數(shù)f對破壞面的影響較大,隨著f的增大,試樣由沿一個對角線方向產(chǎn)生貫通破壞向共軛型破壞轉(zhuǎn)變。

圖11 不同f時(shí)，試件的宏觀參數(shù)響應(yīng)關(guān)系

2.6 平行黏結(jié)黏聚力對宏觀參數(shù)的影響

式中σd的單位為MPa。

圖13 不同時(shí)，試件的宏觀參數(shù)響應(yīng)關(guān)系

圖14 不同時(shí)，試件的破壞形式

2.7 平行黏結(jié)抗拉強(qiáng)度對宏觀參數(shù)的影響

圖15 不同時(shí),試件的宏觀參數(shù)響應(yīng)關(guān)系

圖16 不同時(shí),試件的破壞形式

3 宏、細(xì)觀參數(shù)關(guān)系的建立

3.1 顆粒流細(xì)觀參數(shù)確定

由于顆粒流模型中細(xì)觀參數(shù)交叉影響的不確定性,根據(jù)以上建立的宏、細(xì)觀參數(shù)間的量化關(guān)系,可為合理選取CSG材料的細(xì)觀參數(shù)提供規(guī)律性的指導(dǎo);再結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,采用正交設(shè)計(jì)的方法[15],尋找CSG材料細(xì)觀參數(shù)的最優(yōu)組合。具體步驟為:①以材料的彈性模量E、峰值應(yīng)力σd、應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及破壞形式作為正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的衡量指標(biāo);②選定7種細(xì)觀參數(shù)作為基本因素,在一定的細(xì)觀參數(shù)區(qū)間,將每種因素設(shè)定為8種取值水平,確定7因素8水平的因素水平表;③依據(jù)正交設(shè)計(jì)原理,以7種指標(biāo)結(jié)合的形式來描述試驗(yàn)結(jié)果,通過評價(jià)各因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響,進(jìn)而確定合理的細(xì)觀參數(shù)組合。最終確定試驗(yàn)的細(xì)觀參數(shù)見表1。

表1 CSG材料的細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定值

3.2 宏、細(xì)觀力學(xué)特征驗(yàn)證

根據(jù)顆粒流數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)的宏觀力學(xué)特性,對試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、強(qiáng)度參數(shù)和破壞形式進(jìn)行對比分析。

3.2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

數(shù)值模擬試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)的試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖17所示。室內(nèi)試驗(yàn)所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為4部分,即:初始壓密段(OA)、直線上升段(AB)、屈服段(BC)和軟化階段 (CD)。OA段為試件內(nèi)部空隙的閉合過程,呈非線性上升趨勢;AB段時(shí)，材料表現(xiàn)為線彈性;B點(diǎn)以后,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈非線性增長,材料進(jìn)入屈服階段;當(dāng)達(dá)到應(yīng)力峰值即C點(diǎn)后,應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始下降,即試件表現(xiàn)出軟化特性[6,10,16]。

圖17 室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬試驗(yàn)中 試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

由數(shù)值模擬試驗(yàn)所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,可分為3個階段,即線性上升段(OA′)、非線性上升段(A′B′)和下降段(B′C′)。與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相比,數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果顯示無壓密階段,這與數(shù)值模型的生成有密切關(guān)系:為了保證在重力作用下顆粒間能夠均勻接觸,在數(shù)值模型生成過程中進(jìn)行了重生成壓密,施加了內(nèi)部壓力,導(dǎo)致模型內(nèi)部顆粒處于緊密狀態(tài)。

若忽略應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始階段,由圖17可以看出,2種試驗(yàn)方式下所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(特別是數(shù)值擬合曲線)具有很大的相似度,尤其是屈服點(diǎn)(B點(diǎn))以后的曲線分布形式幾乎相同。

3.2.2 強(qiáng)度參數(shù)

不考慮室內(nèi)試驗(yàn)壓密階段的影響,材料的彈性模量可利用試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線的直線段來計(jì)算。室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)和數(shù)值試驗(yàn)得到的宏觀參數(shù)見表2。與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相比,數(shù)值試驗(yàn)中彈性模量E的相對誤差為3.2%,峰值強(qiáng)度的相對誤差為0.7%?？傮w來看,數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果的誤差還是比較小的,可認(rèn)為確定的細(xì)觀參數(shù)是可信的。

表2 室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)的結(jié)果對比

3.2.3 破壞形式

室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)時(shí),試件的破壞形式如圖18所示。從室內(nèi)試驗(yàn)試件的最終破壞形式看,試件呈共軛型破壞,將試件表面已開裂和脫離的部分清除后,試件上下兩端呈錐形(圖18(d));從整個破壞過程來看,試件表面的第一條可見裂縫出現(xiàn)在靠近頂部的外側(cè),裂縫短而細(xì)(圖18(a));隨著荷載的增加,試件開始向周圍膨脹,表面豎向裂縫逐漸增多(圖18(b)),隨著豎向裂縫間的貫通,沿45°和135°方向的兩條主裂縫出現(xiàn),在剪脹作用的影響下,外側(cè)開始脫落(圖18(c)),試件整體出現(xiàn)剪脹破壞。

數(shù)值試驗(yàn)時(shí),試件的破壞形式如圖19所示。其最終破壞形式也為共軛型破壞,且兩端呈錐型,兩條破裂面的角度分別在45°和135°左右(圖19(l)),與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果近似;破壞面主要由壓剪破壞形成。從整個過程來看,試件的第一個裂紋出現(xiàn)在頂部的邊緣處(圖19(a));隨著荷載的增加,內(nèi)部的第一個裂紋出現(xiàn)在試件的中間(圖19(c)),隨后開始沿第一條對角線方向向上、下兩端擴(kuò)散,同時(shí)頂部和底部的裂紋沿第一條對角線和第二條對角線方向向試件中間擴(kuò)散(圖19(h));最后多個裂紋連通形成貫通裂縫,形成共軛型破壞,試件上下兩端呈錐型。數(shù)值試驗(yàn)時(shí),試件的裂縫主要位于試件內(nèi)部,外部無裂縫出現(xiàn)。由于試件的破壞是從內(nèi)部開始的,試件在受力過程中表現(xiàn)出剪脹特性。

對比分析上述兩種不同試驗(yàn)結(jié)果可知,根據(jù)試件的剪脹性表現(xiàn),從裂紋的萌生、擴(kuò)展以及最終連通形成裂縫的破壞形式來看,用于數(shù)值試驗(yàn)?zāi)M的細(xì)觀參數(shù)取值是可靠的。

4 CSG材料細(xì)觀破壞研究

室內(nèi)試驗(yàn)研究僅能從宏觀表象上解釋CSG材料的宏觀力學(xué)特性,要想真正揭示CSG材料的受力機(jī)理和破壞過程,通過宏觀、細(xì)觀多尺度相結(jié)合的方式是一種有效的手段,更有利于從本質(zhì)上認(rèn)識CSG材料的力學(xué)特性。本部分通過對CSG料的細(xì)觀變形破壞機(jī)制進(jìn)行數(shù)值模擬,闡述其細(xì)觀破壞過程。

圖19為CSG試件在單軸壓縮條件下細(xì)觀開裂過程中的典型截圖及對應(yīng)的應(yīng)力-時(shí)間步關(guān)系。

圖19 試件破壞演變過程

圖19中：在應(yīng)力達(dá)到峰值之前,當(dāng)時(shí)間步t=3 886 760時(shí),試樣頂部A區(qū)出現(xiàn)第一個裂紋,位于顆粒一側(cè)。隨著加載的進(jìn)行,當(dāng)t=4 722 760時(shí),第一個裂紋處的顆粒四周均出現(xiàn)不同的裂紋,該顆粒與周圍顆粒間的黏結(jié)鍵全部斷裂,與相鄰顆粒失去了黏結(jié)作用,應(yīng)力曲線上出現(xiàn)了小幅應(yīng)力降。第二個裂紋區(qū)B位于試件中間,此時(shí)t=5 809 760,A區(qū)的裂紋沿第一條對角線方向向下擴(kuò)展。當(dāng)t=6 088 760時(shí),B區(qū)的裂紋沿第一條對角線方向向上擴(kuò)展,A區(qū)的裂紋繼續(xù)向下擴(kuò)展,A區(qū)和B區(qū)的裂紋相向發(fā)展,裂紋呈間斷性分布,此時(shí)試件頂部左側(cè)C區(qū)和中部右下角D區(qū)均出現(xiàn)第一個裂紋。當(dāng)t=6 537 760時(shí),A區(qū)和B區(qū)的裂紋繼續(xù)增多并相向發(fā)展,裂紋呈間斷性分布。當(dāng)t=6 926 760時(shí),試樣底部左下角E區(qū)出現(xiàn)多個裂紋并形成第一條裂縫,裂縫細(xì)而短,此時(shí)試件應(yīng)力達(dá)到峰值。當(dāng)t=7 614 760時(shí),C區(qū)和D區(qū)的裂紋向中部B區(qū)擴(kuò)散,裂紋分布為間斷性,試件底部右下角F區(qū)出現(xiàn)多個裂紋。峰值過后,當(dāng)t=7 859 760時(shí),B區(qū)與A區(qū)、D區(qū)的裂紋連通形成裂縫,且B區(qū)裂縫沿第一條對角線方向向下發(fā)展,形成沿第一條對角線方向的主裂縫,但該主裂縫并未貫通整個試件,試件仍具有一定的承載能力,同時(shí)出現(xiàn)大幅度應(yīng)力降。當(dāng)t=8 455 760時(shí),第一條對角線方向主裂縫兩側(cè)出現(xiàn)次生裂縫,長度不大或呈離散形分布,同時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力降。此后的一段時(shí)間內(nèi),試件內(nèi)部裂縫的發(fā)展以B區(qū)周邊的次生裂紋為主,主要集中在靠近C區(qū)和E區(qū)的區(qū)域。當(dāng)t=9 547 760時(shí),沿第一條對角線的主裂縫基本貫通,主裂縫表層粗糙,且裂縫寬度不均,上部和下部較寬,中間偏窄。當(dāng)t=11 793 760時(shí),沿第一條對角線方向的主裂縫完全貫通,裂縫寬度增大,同時(shí)沿第二條對角線方向裂縫基本形成,試件應(yīng)力快速減小,出現(xiàn)較大的應(yīng)力降。當(dāng)t=13 443 760時(shí),由于第一條對角線方向主裂縫表面粗糙,靠著顆粒間的摩擦,試件仍具有一定的抗壓能力,但隨著試件的膨脹變形增大,試件開始向兩側(cè)快速膨脹,從而導(dǎo)致第二條對角線方向的裂縫逐漸增加,但裂縫寬度較小(為張拉裂縫),并由B區(qū)向C區(qū)和F區(qū)擴(kuò)展。當(dāng)B區(qū)與C區(qū)和F區(qū)的分散裂縫連通后,試件呈共軛型破壞,試件兩側(cè)的塊體脫落,試件呈雙錐型。從試件破壞的模擬過程看,試件的破壞主要是由于顆粒間黏結(jié)鍵的破壞引起的。同時(shí),室內(nèi)試驗(yàn)也說明了這一點(diǎn),試件破壞時(shí)骨料并未破壞,而是膠凝材料和骨料間發(fā)生分離造成了試件破壞[6,17]。由此可見,試件的強(qiáng)度決定于膠凝材料的多少和包裹度。

整個加載過程中，試件的應(yīng)力及裂紋數(shù)量分布如圖20所示。由圖20可知,應(yīng)力-時(shí)間步曲線的應(yīng)力峰前階段可分為直線上升段和非線性上升段兩部分。a點(diǎn)之前,試件內(nèi)無裂紋出現(xiàn)。a點(diǎn)時(shí),試件內(nèi)出現(xiàn)第一個裂紋。b點(diǎn)時(shí),少量顆粒周邊裂紋完全開展,此后應(yīng)力曲線呈非線性上升趨勢。a點(diǎn)和b點(diǎn)均出現(xiàn)較小的應(yīng)力降,但并未影響試件的整體受力。隨著應(yīng)力的增加,在點(diǎn)c、d、e時(shí)刻,應(yīng)力變化不大,但裂紋數(shù)量增幅較大,導(dǎo)致峰前損傷突出。當(dāng)應(yīng)力接近峰值應(yīng)力(f點(diǎn))時(shí),曲線上的應(yīng)力降出現(xiàn)頻繁,裂紋逐漸增多,且分布離散。應(yīng)力峰值后的h點(diǎn),出現(xiàn)大幅度應(yīng)力降,裂紋數(shù)在短時(shí)間內(nèi)快速增加,并開始貫通成大裂縫,主破裂帶雛型出現(xiàn)。從裂紋數(shù)量的分布來看,在達(dá)到應(yīng)力峰值之前,試件內(nèi)部裂紋數(shù)量較少;在應(yīng)力峰值附近,裂紋數(shù)量基本呈等速增長(d點(diǎn)至g點(diǎn));應(yīng)力峰值以后,隨著每一次應(yīng)力降的出現(xiàn),裂紋數(shù)量出現(xiàn)大幅突增(h、i、j點(diǎn)),裂紋增長速率增大;在應(yīng)力峰值后的h點(diǎn)至k點(diǎn)之間,產(chǎn)生裂紋的數(shù)量占整個試驗(yàn)過程裂紋總量的75%左右。大量裂紋產(chǎn)生并貫通是試件出現(xiàn)整體破壞的前提,同時(shí),裂紋的逐漸增多使試件內(nèi)部的有效受力面積減小,試件表現(xiàn)出軟化特性。

圖20 應(yīng)力及裂紋數(shù)量分布關(guān)系

5 結(jié)論

本文采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方式,建立特定配合比下CSG材料的宏觀力學(xué)指標(biāo)與細(xì)觀參數(shù)之間的定量關(guān)系,確定了反映CSG材料宏觀力學(xué)特性的細(xì)觀參數(shù),并對CSG材料的破壞機(jī)理進(jìn)行了研究,得出以下結(jié)論。

2)在壓縮過程中,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到試件的彈性極限強(qiáng)度后,伴隨著應(yīng)力降,試件內(nèi)部出現(xiàn)局部連通的小裂縫;此后應(yīng)力降出現(xiàn)頻繁,裂紋逐漸增多,在應(yīng)力峰值之前,試件中部出現(xiàn)裂紋,呈離散型分布,并成為裂紋的主分布區(qū);在應(yīng)力峰值以后,伴隨著較大應(yīng)力降出現(xiàn)的瞬間,第一條主裂縫方向的小裂縫連通形成貫通面,隨后,在壓剪作用下,伴隨著第二條主裂縫的產(chǎn)生,試件表現(xiàn)出明顯的剪脹特征。

3)分析室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬試驗(yàn),試件最終發(fā)生共軛型破壞。室內(nèi)試驗(yàn)從宏觀表象上反映了試件的破壞過程,顆粒流模擬方法從細(xì)觀的角度反映了材料的內(nèi)在受力機(jī)理和破壞過程,更能從本質(zhì)上揭示材料的損傷發(fā)展過程和力學(xué)特性,對深入認(rèn)識CSG材料具有重要意義。