真三轴应力下塑性混凝土的变形与强度.pdf
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1、 1 茴 年 月 , _ -_ r -, 文 章 编 号 : 一 一 真三轴应力下塑性混凝土的变形与强度 王 四巍 , 张晨 , 李常虎 ( 1 华北水利水 电大学 岩土工程与水工结构研究院, 河南 郑州 ; 中国电力建设集团有 限公司 西北勘测设计研究 院有限公司 , 陕西 西安 摘 要 :通过 侧压 恒 定和侧 向位 移近 似恒 定 的 2类 真 三 轴压 缩 试 验 , 研 究 了三 向应 力下 塑 性混 凝 土 的变形 、 破 坏和 强度 在 侧 压恒 定的 真三 轴试 验条件 下 , 塑性 混凝 土侧 压 从 至设 定 值 过 程 中产 生 了压缩 变形 , 此后 , 侧 向应 力和
2、 应 变 均保 持 稳 定 , 侧 向 由压 缩 变 形转 变为 膨 胀 变 形 , 但 侧 向应 力大 小稳 定 , 塑性 混凝 土 强度 与侧 向应 力大 小密切 相 关 ; 在 侧 向位 移 近似 恒 定 的 真三 轴 试验 条 件 下 , 侧 压随着轴压增加而增大, 强度可达单轴强度 9 倍 以上 塑性混凝土在真三轴压缩作 用下的变形过程 为 : 在轴向应力一 应变曲线上 , 轴向压缩初期至直线上升段 , 侧向在侧压作用下产生变形 , 约束 阻止 了膨 胀 变形 的过 早 出现 , 延 迟 了膨 胀 变形 的产 生 , 提 高 了 最 大体 积 压 缩 值 , 增 强 了试件 的 抗
3、裂 性 能 , 提 高 了轴 向抗压 缩 变形 能力 , 增 大 了强度 ; 当轴 向压 缩达 到 一 定 程度 时 , 侧 向 变形 由压 缩 转 变 为膨 胀 , 体积很 快 压缩 至 最小 , 抗 压 强度也很 快达到 峰 值 ; 之后 , 轴 向 变形加 速 发展 , 膨胀 变形 由于 侧向约束而发展较慢, 轴向应力缓慢下降 在单轴作 用下, 峰值后轴向压 缩加速发展 , 膨胀 变形 由 于无 约束 而快 速发展 , 轴 向应 力 快速 下降 关 键 词 :塑性 混凝 土 ;真 三轴 试验 ;变形 ;应 力 应 变曲线 ;强度 中 图分 类 号 : T 文献 标志码 : : 1 3 一
4、 2 1 1 , 1 , 2 ( , , , ; , , , , : 一 , 一 , 1 。 一 : , , , 一 , , , , , 1 1 收稿 日期 : 一 ;修订 日期 : 一 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目 ; 河南省基础与前沿技术研究计划项 目 ; 河南省高等学校青年 骨干教师 计划资助项 目( 第一作者 : 王 四巍( 1 9 7 8 一) , 男 , 河南商水人 , 华北水利 水电大学副教授 , 硕士生导师 , 博士 一 : 建筑材料学报 第 1 9卷 Ke y wo r ds :p l a s t i c c o n c r e t e ;t r ue t r
5、i ax i a l t e s t ;d e f or ma t i o n;s t r e s s s t r a i n c u r ve;s t r e ng t h 塑性 混凝 土 由膨 润 土 ( 黏 土 ) 、 水 泥 、 水 、 石 子 和 砂子等原材料经搅拌、 浇筑与凝结而成 , 是一种强度 介 于土 与普 通混 凝 土 之 间 的 柔性 工 程 材 料 , 具 有 极 限变形大、 弹性模量小 、 强度较高和渗透系数小等特 点 在塑 性混凝 土 中 , 由于用 膨润 土 ( 黏土 ) 替代 大 部 分水 泥 , 且施 工 中不需振 捣 , 因此 降低 了工 程造 价 较 低
6、目前 , 塑性 混凝 土 已在 防渗工 程 中得到 了 广泛 应 用l 1 , 但对其理论研究仍不完善、 不系统 以塑性混 凝土受压性能研究为例 , 国内外主要进行 了塑性混 凝土单轴抗压性能 、 常规三轴和真三轴压缩试验条 件下应力一 应变一 强度特征 的相关研究 , 分段拟合 了 塑 性混 凝 土 在 单轴 压 缩 条件 下 应 力一 应 变 曲线 的上 升段和下降段L 5 , 且其力学性能受水泥及膨润土掺 量影响较大 ; 分析了常规三轴应力下的应力一 应变 曲 线 , 拟合 了本 构 关 系 , 建 立 了塑形 混 凝 土强 度 准 则_ 2 ; 根据真三轴试 验结果 , 得 到了八 面
7、体破坏 准则的参数口 与单轴受压下相比, 真三轴压缩应 力 下塑 性混凝 土 变 形 性 能发 生 了显 著 变 化 , 需 要 从 强 度特 性 和 变 形 性 能 等 方 面 分 析 其 复 杂 的 力 学 性 状 , 因此, 本文采用侧压恒定和侧向位移近似恒定的 2类真三轴试验, 研究真三轴应力下塑性混凝土 的 大变形 和强 度 特征 1 试验设计和试验材 料 试验设计 了 P 5 1和 P 6 - 1共 2组配合 比的塑性 混凝土( 见表 1 ) , 其 2 8 d立方体单轴抗压强度分别 为 5 8 , 6 7 MP a 真三轴试验采用 2类加载模式 : 第 1 类加载模 式侧压保持恒
8、定 ( 简称第 1类真三轴试 验) , 第 2类加载模式保 持侧 向位移近似恒定( 简称 第 2 类真三轴试验) 在第 1类真三轴试验 中, 先 同 时施加三向应力 , 当侧 向应力达到设计值后 , 保持其 恒定 , 然后逐级增加轴压 ; 第 2类真三轴试验 中, 侧 向位移保持近似恒定 , 连续 增加轴压 对 P 5 1塑性 混 凝 土进行 第 1类和第 2类真 三轴 试 验 , 对 P 6 1 塑 性混凝土进行第 1类真三轴试验 2类试验的侧压 设置见表 1 , 其 中 。 , 分别表示第 2 , 3主应力 , 结 果分析 时以实 测值 为准 真 三轴试 验采 用尺 寸为 1 5 O mm
9、1 5 0 mm1 5 0 mm 的 塑性 混 凝 土立 方 体 表 1 塑性混凝 土配合 比和真 三轴试验侧压设置 Ta b l e 1 M i x p r o p e r t i o n o f p l a s t i c c o n c r e t e a n d l a t e r a l p r e s s u r e o f t r u e t r i a x i a l t e s t 试件 , 龄期一般为 6 0 d 1 1 试验 材料 采 用 郑 州市 龙 岗水泥 厂 生 产 的强 度 等级 为 4 2 5的普通硅酸盐水泥; 黏土取 自河南省三 门峡市 窄口水库除险加 固料场
10、, 经磨细、 过筛加工后 以干粉 形 式掺 入 ; 砂 子 为河砂 ; 粗 骨 料为 5 2 O mm 连续 级 配的碎石 ; 膨润土为信阳市广润膨润土有 限公 司生 产 的钙基膨润土; 外加剂选用河南建苑混凝土外加 剂有限公司生产 的建 4 减水剂 1 2试验 方法 第 1 类 真三轴试 验采 用 L Y C型拉压 真三 轴 仪, 其单 轴 最大 压 力 为 4 5 0 k N, 单 轴最 大 拉 力 为 7 5 k N, 荷载精度误差5 , 可进行单轴拉压 、 三轴 不等压 的拉压试验 试验前 , 将立方体试件放人压力 室 , 上部放置荷载传感器 , 在东西南北及上部加载端 压力触头上安装
11、 5 个平行加载方向的电子位移计来 测试试件的变形 真三轴试验时, 先把表盘压力调整 到设 定 要求 , 打开 压 力 控制 开 关 , 观 察 应 力 变化 , 待 应力 稳定后 采 集应力 和 应变数 据 重复 上述 步 骤 , 直 至试件破坏 试验采用分级加载 , 每级油压 0 2 MP a 或 0 4 MP a 第 2类真三轴试验时 , 试件 四周用钢板及箍筋 固定 , 使得轴向加压过程 中侧 向位移近似保持恒定 , 利用传力杆传递轴 向荷载, 利用电子位移计测试轴 向及 侧 向钢板 的变 形 2 试验 结果分析 2 1 第 1类真 三 轴试 验 条 件 下 塑 性 混 凝 土 变形
12、和 强度 在侧向应力 , 。 分别为 0 4 , 0 8 MP a时的第 第 4期 王四巍 , 等 ; 真三轴应力下塑性混凝 土的变形 与强度 1类真 三轴 试 验 下 , 塑性 混 凝 土 P 5 1典 型 的第 1主 应力一 应变 _ l 曲线和第 1主应力一 体应 变( 一 e ) 曲线如图 1 所示 图 1 塑性混凝土 P 5 1在侧压下的应力一 应变 曲线 Fi g 1 S t r e s s s t r a i n c u r v e s o f P5 1 u n d e r l a t e r a l p r e s s u r e s ( O 4。 0 8 MPa ) 由图 1
13、可见, 在第 1类真三轴试验下 , 塑性混凝 土第 1主应力一 应变曲线具有初始加载段 ( 0 A) 、 直线 上升段( A B) 、 曲线上升段( B C D, 其中 B C段为稳定破 裂段, C D 为非稳 定破 裂段) 、 峰值 点 ( D) 和下 降段 ( D E ) 等 其与单向受压轴向应力一 应变曲线的上升段 形态总体类似, 但峰值后形态有显著差异 第 1 类真三 轴试验下 , 其第 1 主应力一 应变曲线上特征点的应力值 和应变值大幅度增加, 相应的初始加载段和直线上升 段的长度变长, 峰值强度和峰值应变显著提高, 下降段 应变继续增加, 应力缓慢下降; 而单向受压轴向应力 应变
14、曲线的下降段应变加速发展 , 应力急剧下降 由图 1中侧 向应力一 应变曲线可知, 曲线先上升 后保 持 水平 , 即侧 向应 力从 0增 加 到设计 值 时 , 产 生 压缩变形( O M 和 0X) ; 之后侧 向应力大小恒定 , 随 着轴 向应变继续增加 , 侧 向由压缩应变转变为膨胀 应 变 ( MN 和 Xy) 侧 向应变随轴向应变变化的详细过程见图 2 由图 2 可见 , 侧 向应变一 轴 向应变曲线可分为上 升段 、 近似水 平 段 ( M 和 xK) 和 下 降段 ( J N 和 Ky) , 即侧 向变形先压缩、 中期恒定、 后期膨胀 真三 轴作 用下 , 初始 期 侧 向 由
15、于 侧 压作 用 而 出现 明显 压 缩变 形 , 2个 方 向 的 压 缩 应 变 分 别 为 0 8 和 3 7 ; 而单轴作用下, 几乎无侧向变形 真三轴作用 下 , 近 似水 平段 ( MJ和 XK) 明显 变 长 , 即轴 向应 变 从 0 7 增加至 1 6 过程中, 侧向应变保持近似恒 定 ; 单轴 压缩下 , 轴 向应 变从 0增加 至 0 9 过程 中, 侧向应变近似为 0 , 表明侧 向应力 阻止 了在较大 轴向压缩下产生 的膨胀变形 , 延迟 了膨胀变形 的产 Axi a l s t r a i n 图 2 塑性混凝土 P 5 1的轴 向应变一 侧 向( 体) 应变 曲线
16、 F i g 2 Ax i a l s t r a i n - l a t e r ( b u l k )s t r a i n c u r v e s o f P 5 1 生 , 使得试件 的轴 向抗压缩能力进一步增大, 提高了 其强度 但一定的侧 向应力阻止膨胀变形产生 的能 力有 限, 当轴 向应变达到一定程度 时, 膨胀变形开始 出现, 试件对侧向约束膨胀作功 试件出现膨胀变形 之后 , 体积压缩很快达到最大值( G点) , 即体积扩容 点 , 在 真 三 轴 作 用 下 , 试 件 最 大 压 缩 体 应 变 为 6 4 , 而单轴压缩下为 1 I 真三轴作用下 , 下降 段( KY
17、和 J N) 的斜率明显变小 , 表明侧 向约束限制 了试件膨胀变形 的快速发展 ; 而单轴作用下试件 的 膨胀变形可 自由发展 在第 1 类真三轴试验下 , 体应变一 轴 向应变 曲线 与单轴试验曲线类似 , 但其最大体积压缩值明显增 大 , 即试件体积压缩最大值增大 , 提高了试件 出现裂 纹的应 力水 平 , 延迟 了裂纹 产 生, 增 强 了其抗 裂 性能 当 塑 性 混 凝 土 P 5 1 一 侧 的 应 力 设 定 为 0 8 O MP a, 另 侧 的实 测应 力 从 0 6 1 MP a增 至 0 8 5 , 1 0 7 , 1 6 0 , 2 1 0 MP a 时 , 其第
18、1主应力一 应变 曲线的初始加载段 和直线上升段 的长度 均有所增 加 , 峰值应力和峰值应变同步增长 , 峰值后水平段 的 长度也增加 , 但 总体分布形态类似 , 见 图 3 ( 图 中侧 压为设计值) 由图 3可见 : 当一侧应力固定 , 另一侧 应力增加时, 阻止了该方向下膨胀变形过早产生 , 延 缓 了膨 胀变形 的出现 , 增加 了轴 向抗压 缩 能力 , 增 强 了其抗裂能力; 峰值后该方 向下膨胀变形受到较大 应力 限制 , 其膨胀变形发展速率降低 虽然峰值后轴 向应变加速发展 , 但是峰值应力仍可保持 破坏时轴 向应变 由单轴压缩下 的 0 5 1 5 0, 4增至侧压恒 定
19、的真三轴试 验下 的 2 0 5 0 塑性 混凝 土 P 6 1在侧 向应 力恒定的真三轴应力下也表现 出类 似的性质 , 见图 4 9 6 罔皇苗一 善 e_l 盘。 等广 I 砖 , s o 扫 琏巩例 科 报 第 1 9巷 图 3 塑性混凝土 P 5 1在不 同侧压下 的应力一 应 变曲线 F i g 3 S t r e s s s t r a i n c u r v e s o f P5 1 u n d e r di f f e r e nt l a t e r a l p r e s s ur e s 0 2 4 6 S t r a i n 图 4 塑性混凝土 P 6 1 在不 同侧
20、压下 的应力一 应 变曲线 Fi g 4 St r e s s s t r a i n c ur v e s o f P6 1 u nde r d i f f e r e n t l a t e r a l p r e s s u r e s 在第 l类真 三轴试验下 , 塑性 混凝土 P 5 1和 P 6 1 在 应力 和 。变 化 情 况 下 的强 度 见 表 2 由表 2可见 : 对于相同配合 比的塑性混凝土 , 在相 同 第 3主应力下 , 随着第 2主应力 的增大 , 塑性混凝 土 第 1主应力呈增加趋势 ; 在相 同的第 2 , 第 3主应力 下 , 塑性混凝土单轴强度越高 , 其
21、真三轴应力下的第 1 主应力增加值越大, 但强度增加 比例降低 如 P 5 1 在 设 计 值 。 一 0 4 0 MP a , 从 0 8 6 MP a增 至 1 2 9 MP a 时 , 1 从 1 2 7 5 MP a增至 1 3 8 8 MP a , 分 别为单 轴强度 的 1 5 5和 1 6 9倍 ; P 6 1在设 计值 一0 4 0 MP a , 从 0 8 6 MP a增 至 1 2 5 MP a时 , 口 从 1 4 3 7 MP a 增至 1 5 2 2 MP a , 分别为单轴强度 的 1 6 1和 1 7 O倍 根据试验结果 , 塑性混凝土强度准则 可用空间 八面体应
22、力表达 表 2塑性混凝土第 1类真 三轴试验结果 Ta b l e 2 Re s u l t s o f pl a s t i c c o n c r e t e i n l o a di n g mo d e I 2 2 第 2类真 三轴 试验 下 塑性 混凝 土变形 和 强度 第 2 类真三轴试验下 , 塑性混凝土应力一 应变 曲 线见图 5 ( 图中曲线只记 录了最大压力约为 6 8 0 k N, 轴向应力约为 3 O 2 MP a时的情况) 由图 5可见 : 塑性 混凝 土轴 向应 力 一 应 变 曲线 可 以分 为 3段 一 一 压密 段 ( 0 lA) , 2段 直 线 上 升 段
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- 真三轴 应力 塑性 混凝土 变形 强度
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