三轴作用下塑性混凝土应力应变特性试验.pdf
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1、第 3 7卷第 2期 2 0 1 5年 2月 人民黄河 YELLOW RI VER Vo 1 3 7 No 2 Fe b , 2 01 5 【 工程建 设管理 】 三轴作用下塑性混凝土应力应变特性试验 常芳芳 , 刘璐璐 , 宋 力 , ( 1 黄河水利科学研究院, 河南 郑州 4 5 0 0 0 3 ; 2 水利部堤防安全-9病害防治工程技术研究中心, 河南 郑州 4 5 0 0 0 3 ; 3 华北水利水电大学 土木与交通学院, 河南 郑州 4 5 0 0 1 1 ) 摘要 : 为了分析 塑性混凝土的应力应 变关系, 设计 了2组配合 比浇筑 1 8个圆柱体试件进行 三轴试验 , 得 到
2、了试件 的工 程应力应变曲线。通过分析工程应力应变曲线的特性修正了工程应力应变曲线, 并分析 了不同配合比下塑性混凝土峰 值应力、 割线模量与围压的相关关系。结果表 明: 围压作用下的应力应变曲线在弹性阶段后表现 出明显的应变硬化特 征 , 随着应力的不断增加, 应变增大, 待应变增加到 1 0 左右后, 应力基本保持不变, 即没有峰值应力, 并且应力应变曲 线几乎没有下降段; 通过面积修正法对试验数据进行修正, 修正后的应力应 变曲线比较符合实际; 提 出了三轴作用下应 力应变 曲线修正后上升段 曲线的本构关 系模型 , 拟合程 度达到 9 9 5 。 关键词 :围压 ;塑性 混凝 土 ;应
3、力应变 ;本构模 型 中图分类号:T V 4 3 1 ; T V 5 5 4 文献标志码: A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 5 0 2 0 3 5 塑性混凝土是用膨润土或黏土代替普通混凝土中 的部分水泥后按一定配比拌和凝结而成的一种介于土 与普通混凝土之间的柔性工程材料。塑性混凝土大多 用于大坝工程 、 大坝围堰工程、 大坝除险加固工程及结 构基础工程 中, 对于塑性混凝土 的研 究 , 国 内外 的学 者 主要研究 的是 单 向轴力作 用下 的基本 力学指 标 , 而在实际的塑性混凝土结构工程 中, 塑性混凝土防 渗
4、墙均受到周 围土体压力 , 这使得塑性混凝土处于三 轴应力状态。关于三轴应力状态下塑性混凝土强度和 变形 的研究不多 , 王 四巍 研究 了三轴应力下塑性混 凝土 的强度破 坏准则及塑性混凝 土应 力应变 曲线特 征 , 分析峰值前后两个 阶段塑性混凝土变形性质 , 研究 真三轴应力下塑性混凝土扩容现象 , 并进一步研究 常 规三轴应力下塑性混凝土 的本构关系等一 系列 问题 。 笔者研究 了三轴作用下试件的工程应力应变 曲线 的特 征 , 通过对工程应变的修正, 确定与实际相符 的试验数 据 , 并提 出上升段 曲线 的本构模型。 1 原材料配合比与试验方法 1 1 原材料与配合比 水泥采用
5、河南孟 电生产的 P O 3 2 5号普通硅酸 盐水泥 ; 细骨料为河砂 , 级配曲线位于 区, 属于中砂 ; 粗骨料为粒径 5 2 5 mm的石灰 岩碎石 , 级配连续 ; 水 采用 自来水 ; 膨润土采用四川乐山生产的钠质膨润土 。 塑性混凝土的配合比见表 1 。 表 1 塑性混凝 土的配合 比 1 2试验方法 按照上述 2组配合 比, 浇筑 3 0 0 m m( 直径 ) 7 0 0 m m( 高) 的圆柱体试件, 每组配合比均浇筑9个, 每组 试件 中 3个进行轴心抗压强度试验 , 另外 6个分别进 行围压为 0 、 0 2和 0 4的抗压强度试验 。 采用强制式搅拌机拌和 , 振捣棒
6、振捣成型 , 试模成 型静置 4 8 h后拆模 , 并移至标准养护室养 护, 养护至 2 8 d 龄期后进行试验。将养护好的试件在承台上安 放到位后 , 把橡皮膜 ( 防止水侵蚀试件 , 并且便于施加 围压 ) 绑扎在上下透 水承压板上 , 盖上 防护罩后 注水 施加 围压。随之以 0 2 m m mi n的加荷速度进行三轴 试验 ( 围压分别为 0 、 0 2 、 0 4 MP a ) , 并记 录轴 向压力 和轴向位移, 以峰值强度作为破坏标准。 2 试验结果分析 2 1 工程应力应变的曲线特征 由图 1 可以看出, 围压作用下塑性混凝土应力应 变曲线与无围压时应力应变 曲线不 同, 围压
7、作用下应 收稿 日期 : 2 0 1 4 0 9 1 1 基金项目: 中央级 公益性科研 院所基本科研 业务 费专项 ( HK Y J B Y W 一2 0 1 31 0 ) 。 作者简介: 常芳芳( 1 9 8 6 一) , 女 , 河北阜城人, 工程师, 主要从 事安全评价、 工程检测等方面的工作。 E ma i l :s s r f 55 7 q q t o m 】 3 3 人 民 黄 河2 0 1 5年第 2期 力应变 曲线在弹性阶段后表现 出明显 的应变硬化 特 征 , 随着应 力 的不 断增加 , 应 变增 大 , 待应变 增加 到 1 O 左右后 , 应力基本保持不变 , 即没有
8、峰值应力 , 并 且几乎 没有下 降段 ; 无 围压作用 下在试件 自身缺 陷 ( 振捣、 搬运等因素) 的影响下, 应力应变曲线在初始 加载段 出现了反弯点 , 应力最大值较普通混凝土的小 , 所对应的应变较普通混凝土的大, 而围压作用下的曲 线 因围压的存在可以消除一部分 由试件缺陷造成的影 响而避免了反弯点的出现 , 应力值相应 增加 , 应变变 小; 相同配合比下的塑性混凝土, 围压越高曲线的上升 段越陡越长 ; 不同配合 比下的塑性混凝土 , 在相同围压 作用下, 强度高的, 曲线的曲率比较小, 并且曲线的最 上部 比较平缓。 ( a )配 合比I 图 1应 力应 变 曲线 2 2
9、数据的修正 从图 1 得知围压作用下 曲线没有峰值应力和明显 的下降段 , 这与实际情况有些不符, 原 因是在试验的过 程 中随着应力的增 加试件 的面积发生着变化 , 而图 1 是根据工程应力和工程应变绘制 的曲线 , 其 中应力是 通过试验前 的面积计算的。借鉴岩盐的三轴数据处理 方式来处理塑性混凝土 的三轴试验数据 , 其对应的应 力可通过工程应变来修正 : O l u c= F1 ,A = 式 中: 为线性更正的轴力 ; F 为轴 向力 ; A 。 为未承 压样品的横截面积 ; 为工程应变。 修正后的曲线见图2 、 图3 。由修正后的应力应变 曲线图可以明显地得到峰值应力 , 并且曲线
10、 出现 了下 降段。对数据进行统计 , 结果表 明, 未修正的塑性混凝 土强度要 比修正后 的强度高 2 0 一3 0 。国内大多 数塑性混凝土三轴试验均采用修正前 的处理方法 , 这 就人为地把塑性混凝 土的强度提高了 , 造 成了很大的 误差 , 因此对试验数据进行修正是必要的。 1 3 4 应变 l ( b ) 围 压为 n 4 M P a 图 2 配合 比 I 修正后的应力应变 曲线 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 应变门 0 ( a )围压为 2 M P a ( b ) 围压为0 4N P a 图 3 配合比 修正后的应力应变 曲线 对修正后 的数据进行统计 , 得出不同
11、配合比、 围压 下的峰值应力值和割线模量值, 见表 2 。利用通过原 点和峰值点的割线模量来表征三轴应力下塑性混凝土 上升段的变形特征 J 。以3个试件测定值的算术平均 值作为该组试件的峰值应力值, 当3个测定值中的最 大或最小值有一个与中间值 的差值超出中间值的 1 5 时 , 则把最大及最小值一并舍去 , 取 中间值作为该 组试件的试验值。 表 2 试件的基本试验结果 对试验结果进行分析 , 得出以下结论 : 在相同配合 比下 , 围压为 0 2 MP a和围压为 0 4 MP a的试件峰值 应力为无 围压下的 1 5 2 0倍 , 围压为 0 4 MP a的试 件峰值应力是 围压为 0
12、2 MP a 试件峰值应力的 1 1 倍 左右 ; 而割线模量的离散性 比较大, 它与围压没有一定 的线性或非线性关系。 2 3 本构关系模型 本构关系模型是反映物质宏观性质的数学模 型。 之前 , 很多学者都研究 了塑性混凝 土单轴抗压强度应 力应变曲线的本构模型, 但对三轴作用下的应力应变 曲线模型研究得 比较少 。笔者经过对应力应变典型 曲 线的分析 , 提出了三轴作用下应力应变 曲线上升段的 本构关系模型 , 两者拟合程度达到 9 9 5 , 典 型拟合 曲线见图 4 。 图4 典型应力应变曲线 综上所述 , 应力应变 曲线上升段可表示为 人 民 黄 河2 0 1 5年第 2期 n k
13、 + ( 1 ) 式中: 为试件修正后的应力, M P a ; f c 为试件的峰值 抗压强度 , MP a , 可 近似认 为其为常数 ; 为试件测 得 的应变 , 量级 为 1 0 ; K和 n为反 映塑性混凝 土配合 比、 围压和浇筑质量的参数 , K值 随着围压 的增大而减 小 , K在 36间取值 , 凡在 1 3间取值 , 均无单位。 3 结论 通过三轴作用下的应力应变特性试验研究 , 分析 曲线的特征和试验数据得出以下结论 。 ( 1 ) 围压作用下的应力应变 曲线在弹性 阶段后表 现出明显的应变硬化特征, 随着应力的不断增加, 应变 增大 , 待应变增加到 1 0 左右后 ,
14、应力基本保持不变, 即没有峰值应力 , 并且应力应变曲线几乎没有下降段 。 ( 2 ) 以往采用工程应力应变 曲线 的做法人为地把 塑性混凝土 的强度提高 , 造成很大的误差 , 而通过面积 修正法对试验数据进行修正得到的试验结果比较符合 实际。 ( 3 ) 提出式 ( 1 ) 所示三轴作用下应力应变 曲线上 升段的本构关系模 型。 参考文献 : 1 2 3 4 5 宋力 , 常芳芳 塑性混凝土应力 一应变特性的试验研究 J 南水北调与水利科技 , 2 0 1 4, 1 2 ( 2 ) : 6 7 7 0 高丹盈, 王四巍, 宋帅奇, 等 塑性混凝土单向受压应力 一 应变关系的试验研究 J 水
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