复杂应力状态下孔隙水压力对混凝土抗压强度的影响.pdf
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1、第 1 8卷第 1 期 2 0 1 5年 2月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI L DI NG MATERI ALS V0 L 1 8 , No I F e b , 2 0 1 5 文 章 编 号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 5 ) 0 1 0 0 2 4 0 8 复杂应 力状态下孔隙水压 力对 混凝 土抗压 强度 的影 响 白卫峰 。 , 解 伟 , 管俊峰 , 崔 莹。 ( 1 华北水利水电大学 水利学院,河南 郑州 4 5 0 0 1 1 ;2 大连理工大学 海岸和近海工程 国家重点实验室 , 辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 ;3 黄河勘测规划设
2、计有限公司 , 河南 郑州 4 5 0 0 0 3 ) 摘要 : 将 Te r z a g h i ( 太沙基) 有效应力原理 引入到饱和混凝土力学性质 的研 究中, 探 讨复杂 受力环 境下孔隙水压力对混凝土抗压强度的影响机制 , 建立 了符合混凝土材料 自身微结构特点的有效应 力原理表达式, 推导 出三向一般应力状 态下的孔 隙水压力 系数公式 , 用其预测不同围压 下混凝土 的抗 压 强度 , 并在 应 力空 间压子 午 面 内定 量描述 干 燥 混凝 土及 饱 和 混凝 土 基体 真 实应 力加 栽路 径 的变化 , 所得到的趋势与试验结果相吻合 研究表明: 孔 隙水压 力的存在改 变
3、了混凝土基体真 实应 力在应 力 空 间的加栽过 程 , 从 而改 变 了混凝 土材 料 应 力 达 到峰 值 时所 对 应 的抗 压 强度 ; 与 干燥 混 凝土相 比, 准静态工况下饱和混凝土在各种应 力状 态下的抗压 强度均有所降低 , 且受初始静水压 力、 孔 隙率及加载路径的影响 从基体真 实应力的角度揭示 了复杂应 力状 态下孔 隙水压力对饱和 混凝 土抗压 强度 的影 响机 理 关键词:有效应力; 饱和混凝土;孔隙率;孔隙水压力;抗压强度 中图分 类号 : T V1 4 8 文 献标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 - 9
4、 6 2 9 2 O 1 5 0 1 。 0 0 5 I nf l u e n c e o f Po r e W a t e r Pr e s s u r e o n Co mp r e s s i v e S t r e ng t h o f Co nc r e t e u n de r Co mp l i c a t e d S t r e s s S t a t e s B AI We i f e n g 。 XI E We i , GU AN J u n f e n g , C UI Y i n g 。 ( 1 S c h o o l o f W a t e r Co n s e r
5、v a n c y,No r t h Ch i n a Un i v e r s i t y o f W a t e r Re s o u r c e s a n d E l e c t r i c P o we r ,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1,C h i n a ;2 S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Co a s t a l a n d Of f s h o r e E n g i n e e r i n g,Da l i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y
6、 , Da l i a n 1 1 6 0 2 4 ,Ch i n a ;3 Ye l l o w Riv e r En g i n e e r i n g Co n s u l t i n g Co ,Lt d ,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 3,Ch i n a ) Ab s t r a c t :Te r z a g h i S e f f e c t i v e s t r e s s p r i n c i p l e wa s i n t r o d u c e d t o t h e s t u d y o f t h e me c h a n i c
7、a l p r o p e r t i e s o f s a t ur a t e d c o n c r e t e,a nd t he i nf l ue nc e me c ha n i s m of wa t e r pr e s s u r e i n po r e on t he s t r e ng t h of c o nc r e t e un de r c ompl i c a t e d s t r e s s s t a t e s wa s i nv e s t i g a t e d The e x pr e s s i o n o f e f f e c t i
8、 v e s t r e s s pr i n c i pl e a pp l i c ab l e t o s a t u r a t e d c o n c r e t e wa s e s t a b l i s h e d Th e t h e o r e t i c a l e q u a t i o n f o r t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n p o r e p r e s s u r e i n e r e me nt a n d pr i n c i pa l s t r e s s i nc r e m e nt u
9、nde r g e n e r a l t hr e e - d i r e c t i o na l s t r e s s c o nd i t i o n i s pr o po s e dBy t h i s mo d e l ,t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e u n d e r d i f f e r e n t c o n f i n i n g p r e s s u r e s i s p r e d i c t e d ,a n d t h e v a r i a t i o n o
10、 f t he ma t r i x S t r u e s t r e s s l o a d i n g pa t h be t we e n t he s a t u r a t e d a nd d r y c on c r e t e wa s q ua n t i t a t i v e l y d e s c r i b e d i n t h e c o mp r e s s i v e me r i d i a n p l a n e s o f t h e p r i n c i p a l s t r e s s s p a c e P r e d i c t e d t
11、 r e n d s a r e i n g o o d a g r e e me nt wi t h t he e x pe r i m e nt a l r e s ul t s The r e s ul t s i nd i c a t e t h a t t he e xi s t e nc e of wa t e r pr e s s ur e i n p o r e c h an g e s t h e l o a d i n g p a t h o f t h e ma t r i x S t r u e s t r e s s i n t h e p r i n c i p a
12、 l s t r e s s s p a c e Th e r e f o r e ,t h e c o mp r e s s i v e 收稿 日期 : 2 0 1 3 0 8 1 2 ;修订 日期 : 2 0 1 3 1 0 2 6 基金项 目; 国家 自然科 学基金 资助项 目( 5 1 0 0 9 0 2 0 , 5 1 2 0 9 0 9 4 , 5 1 4 0 8 2 2 3 , 5 1 1 0 9 0 8 1 , 5 1 3 0 9 1 O 1 ) ; 大连理工 大学海岸 和近海工程 国家重点实 验室开放基金资助项 目( L P I 4 0 1 ) 第一作者 : 白卫峰 ( 1
13、9 8 2 一) , 男 , 河南鹤壁人 , 华 北水利水 电大学讲师 , 博士 E ma i l : y f 9 9 0 6 1 6 3 c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 自卫峰 , 等 : 复杂应力状态下孔 隙水 压力对混凝土抗压强度 的影 响 s t r e n g t h wh e n t h e s t r e s s s t a t e o f t h e c o n c r e t e r e a c h e s i t s l i mi t i s e n h a n c e d Th e c o mp r e s s i
14、v e s t r e n g t h s o f s a t u r a t e d c on c r e t e i n di f f e r e nt s t r e s s s t a t e s un de r q ua s i - s t a t i c l oa d i ng c a s e s a r e de c r e a s e d wi t h t he d r y s a m p l e s ,wh i c h i s i n f l u e n c e d b y t h e i n i t i a l h y d r o s t a t i c s t r e s
15、 s ,p o r e r a t i o a n d l o a d i n g p a t h Th e i n f l u e n c e me c h a n i s m o f t h e wa t e r p r e s s u r e i n p o r e o n t h e s t r e n g t h o f c o n c r e t e c a n b e i n t e r p r e t e d f r o m t h e v i e wp o i n t o f ma t r i x S t r u e s t r e s s Ke y wo r d s :e
16、f f e c t i v e s t r e s s ;s a t u r a t e d c o n c r e t e ;p o r o s i t y;p o r e wa t e r p r e s s u r e ;c o mp r e s s i v e s t r e n g t h 大量混凝 土结构如大 坝 、 桥 墩 、 近海 结构物 以 及海上采 油平 台等 经常处 在水 环境 中工 作 , 水 的 存在导致 混凝 土材料 力学 性能 发生 显著 变化 混 凝土是一种主要 由嵌埋于水 泥浆 中不 同粒径 的骨 料颗粒组成 的复合 材料 , 具有复 杂的微观结构口 : 水泥
17、浆具有高孔隙率( 约 3 O ( 体积分数 , 下 同) ) , 普通混凝 土的孔 隙率一般不低于 8 1 0 2 , 骨 料和砂浆界 面间存 在大 量 的微 裂 纹 , 在外 界水 压 力作用下 由孔 隙水填充 在水 环境 中, 根据混凝 土 内孔隙水 是 否与 外界 联通 , 李 庆斌 等 将 混凝 土 渗 流 力 ( 即孔 隙 水 压 力 ) 划 分 为 贯 通 孔 隙 水 压 力 和 封闭孔 隙水压 力两 部分 其 中后者 与试 件 的体 积 压缩有关 , 可 由孔隙弹性变形 近似估算 实验 室条 件 下 , 大 量 试 验 4 采 用 施 加 机 械 压 力 的 方 式 , 研 究不
18、同湿度情况下“ 封 闭孔 隙水 压力” 对混凝土 力 学性能的影 响 , 并得到一致结论 : 随着 混凝土 内部 湿度的增加 , 混 凝土 的抗拉 强度 和抗 压强 度均 降 低 ; 饱 和 混 凝 土 的 强 度 比干 燥 混 凝 土 的 略 低 , 且 高 水灰 比混 凝土 强度 弱化更 为显 著 ; 在混 凝 土强度 峰值前孔 隙水压力近似线性增长 前人 的研究多为试验基础上 的定性描述 , 缺乏 系统理论研究和强度变化机理上的探讨 王海龙、 自 卫峰等 采用断裂力学及细观夹杂理论 , 通过探讨 普通 混凝 土 中裂 纹 的萌生 、 扩 展直 至破 坏 的机 理 , 研 究了单轴压缩情况
19、下孔隙水压力对混凝土强度 的影 响 文献 1 O 研究了围压作用下裂纹 中 自由水对混 凝土 材料 静 、 动力 宏 观力 学性 能 的影 响机 理 T e r z a g h i ( 太沙基) 在研究饱 和土体力学性 能时首 次提出 有效 应力 的概念 1 有 效应 力 是 研 究 多孔 隙介 质 力 学性质的一个有效工具 , 目前 在工程地质 、 岩土 力 学、 石油科学等领域都有广泛应用_ 1 本文借鉴土力学中太沙基饱和土体有效应力原 理 1 , 同时考虑混凝土材料 自身微结构 特点, 提出 了 相应的有效应力表达式; 推导了三向应力状态下孔隙 水压力增量与主应力增量的关系公式 , 得到
20、孔隙水压 力系数的表达式 通过对理论值和试验结果的比较分 析, 从基体真实应力的角度定量解释了复杂受力工况 下 孔隙水 压力对混凝 土力学性 能 的影 响 1 饱 和混凝土孔隙水压 力 本文所提及的应力和孔隙水压力均以受压为正 1 1 饱 和 土体 有效 应力原 理 太沙基提出了饱和土体 的有效应力原理 , 阐明 了松散颗粒土体 与连续 固体材料 的区别 , 从而奠定 了现代土力学变形和强度计算 的基础 图 1为饱和 土体有效应力原理示意图 I s o l a t e d P o r e wa t e r b S oft p a r t i c l e 图 1 饱和土体有效应力原理示意 图 F
21、i g 1 Sk e t c h of e f f e c t i v e s t r e s s p r i nc i p l e o f s a t ur a t e d s o i l 在图 1中取截 面积为 A 的饱和土体截面为研 究对象 , 并假定该截面沿着土颗粒间接触面截取 由 土体平衡条件可得 : 一 + 甜 1 一 A s ) ( 1 ) 式中 : A 为截 面上 土颗粒 间的接触面积 ; 为总应 力 ; 为土颗粒间接触面上作用的法 向应力; 为孔 隙水压力 对 于松 散颗粒 土 体 , 可 进 一 步假 设 一 0 ,由 此得 到有 效 应力原 理 的基本 公 式 : 一 +
22、 ( 2 ) 式中: 为太沙基定义的有效应力 , 即土颗粒间接触 应力在截面积 A上的平均应力 式( 2 ) 表 明饱和土体 承受 的总应力 由固 、 液 两 相共 同承担 一些学者根据 土体类型 的不 同, 在孔 隙水压力项前乘 以一修 正系数对太沙基 方程作 了 修 正 1 2饱 和混凝 土 的有效 应 力原理 与松散颗粒土体不同, 混凝土为连续固体材料 , 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 建筑材料学报 第 1 8卷 其内部随机分布着大量 不规则 的微裂纹和微孔洞 宏观上 , 这些微 裂纹和微孔洞在受力初期可认 为是 均匀分布在基体内的, 饱和情况下
23、 由孔隙水填充 本 文 针对饱 和 混凝 土 材 料 自身微 结 构 特 点 , 建 立 相 应 的有效 应力 公式 圆柱 形 的理 想饱 和混 凝 土 模 型 如 图 2所示 I s o l a t e d 图 2 饱和混凝土有效应力原理示意 图 F i g 2 S k e t c h o f e f f e c t i v e s t r e s s p r i n c i p l e o f s a t u r a t e d c o n c r e t e 由图 2可见 , 饱和混凝土 由无缺陷的混凝土基 体和球形孔隙组成 忽略孔隙尺寸和形状 的影响, 假 设孔隙均匀分布在基体内, 由
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