三轴作用下塑性混凝土应力应变特性试验.pdf

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 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 Ⅱ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 3—1 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 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 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 Ⅱ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 ． 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 + ( 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 3—6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 ， 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 ] ． 水利学报， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 1 ) ： 8 2—8 7 ． P AS HAN G P i s h e h Y ， MI R Mo h a mma d Ho s s e i n i S M． S t r e s s—S t r a i n Be h a v i o r o f Pl as t i c Co nc r e t e Us i ng Mo n o t o n i c T r i a x i al C o mp r e s s i o n T e s t s[ J ] ．J o u r n a l o f C e n t r a l S o u t h U — n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 2 0 1 2， 1 9 ( 4 ) ： 1 1 2 5—1 1 3 1 ． 王四巍． 单轴和三轴应力下塑性混凝土性能研究[ D] ． 郑 州 ： 郑州大学， 2 0 1 0 ． 王冠， 谢凌志， 侯正猛， 等． 岩盐三轴压缩试验方法及数据处 理方式的对比研究[ J ] ． 岩土力学， 2 0 1 4 ， 3 5 ( 2 ) ： 4 2 9— 4 3 4 ． St ud y o n S t r e s s— — S t r a i n Ch a r a c t e r i s t i c s o f Pl a s t i c Co n c r e t e Und e r Tr i a x i a l CHANG Fa n g f a ng 。U U L u l u ．S ONG L i ’ ( 1 ． Y e l l o w R i v e r I n s t i t u t e o f H y d r a u l i c R e s e a r c h ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 3 ，C h i n a ； 2． Re s e a r c h Ce n t e r o n Le v e e S a f e t y a n d Di s a s t e r Pr e v e n t i o n o f Mi ni s t r y o f W a t e r Re s o u r c e s，Zh e n g z h o u 4 50 0 03 ， Chi n a； 3 ． S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d C o r r m a u n i c a t i o n ， N o r t h C h i n a U n i v e r s i t y o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d E l e c t r i c P o w e r ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t：Fo r t he r e l a t i o n s hi p o f t h e s t r e s s—s t r a i n o f p l a s t i c c o n c r e t e，we c a s t e d e i g h t e e n s pe c i me ns t o d o t h e c o mp r e s s i v e s t r e ng t h t e s t an — d e r t r i a x i a l ，a n d t h e n g o t t h e e n g i n e e rin g s t r e s s—s t r a i n c u r v e s o f t h e s p e c i me n s ． T h r o u g h t h e a n a l y s i s o f t h e c h a r a c t e ri s t i c s o f e n g i n e e ri n g s t r e s s —s t r a i n c u r v e s ， w e a n al y z e d t h e e n gi n e e ri n g c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e s t r e s s —s t r a i n c u rve s ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c u r v e s w h i c h i n t h e e l a s t i c s t a g e h a v e s t r a i n h a r d e n i n g c h a r a c t e ri s t i c s u n d e r t ria x i al ，an d n o p e a k s t r e s s a n d t h e d e c l i n e ；we c o r r e c t t h e d a t e b y a r e a ，t h e r e s u l t s o f s t r e s s—s t r a i n c u r v e s aft e r c o r r e c t i n g a c c o r d wi t h a c t u a1．A t l a s t ，we p u t f o r w a r d t h e c o n s t i t u t i v e mo d e l o f t h e ris i n g an d t h e fi t t i n g d e g r e e r e a c h e s 9 9 ． 5 ％ ． Ke y wor ds：c o n f i ni ng p r e s s u r e；p l a s t i c c o n c r e t e；s t r e s s—s t r a i n；c o n s t i t u t i v e mo d e l ( 上接第 1 3 2页) 【 责任编辑张华岩】 I n flue nc e o f Po l y pr o p y l e ne Fi b e r s o n M e c ha n i c a l Pr o p e r t i e 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n g t h a n d t h e r e s t ri c t i v e e x p a n s i o n r a t e o f t h e s h ri n k a g e c o mp e n s a t i n g c o n c r e t e a n d n o rm al c o n c r e t e ，t h e n t h e s e d a t a s h o w t h a t t h e o p t i mal d o s a g e o f p o l y p r o p y l e n e fi b e rs i s 1 ． 5 7 5 k g ／ m w h i c h c a n ma x i mi z e t h e e x p a n s i o n r a t e a n d t h e s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h o f s h ri n k ag e c o mp e n s a t i n g c o n c r e t e ．F r o m t h e a b o v e d a t a w e c a n s e e t h a t a l o n g wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e d o s a g e o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r s ， t h e s h ri n k age c o mp e n s a t i n g c o n c r e t e g s t r e n g t h a n d t h e r e s t ric t i v e e x p a n s i o n r a t e f i r s t l y i n c r e a s e t h e n d e c r e a s e ． Ke y wo r d s ：p o l y p r o p y l e n e fi b e rs；s h rin k a g e—c o mp e n s a t i n g c o n c r e t e ；l i mi t i n g e x p a n s i o n r a t e ；s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n gth ；d o s a g e 【 责任编辑张华岩】 l 3 5