循环孔隙水压力下混凝土力学特性研究.pdf

第 3 3卷 第 1 期 2 0 1 6年 1月 长江科学院 院报 J o u r n a l o f Ya n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c Re s e a r c h I n s ti t u t e V0 1 33 No 1 J a n 2 0 1 6 do i ： 1 0 1 1 98 8 c k y y b 201 4 068 0 循环孔隙水压力下混凝土力学特性研究 黄仕超 ， 彭刚 。 梁辉 ， 田为 ( 1 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心， 湖北 宜昌4 4 3 0 0 2 ； 2 三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌4 4 3 0 0 2 ) 摘要： 为研究不同孔隙水压循环次数 、 不同加载速率下的混凝土的力学性能， 对直径为 3 0 0 m m， 高度为 6 0 0 m m 的混凝土试件进行 0 ， 1 0 ， 5 0 ， 1 0 0 ， 2 0 0次循环孔 隙水 压的预处理( 孔 隙水压 的上 限为 3 MP a ， 下限为 1 MP a ) ， 然后在 3 MP a的围压下进行4种应变速率( 1 O ， 1 0 ， 1 0 一， 1 0 I 2 s ) 下的常三轴 ( = )抗压性能试验。结果表 明： 随着应变速率的不断增加 ， 混凝土的峰值应力增大， 峰值应变整体上呈增大的趋势； 随着循环孔隙水压次数的 不断增加， 混凝土的峰值应力呈阶段性变化 ， 1 0 0次之前呈增大趋势， 1 0 0次之后呈减小趋势， 峰值应变无明显规律 性变化 ， 弹性模量呈减小趋势 。 关键词： 混凝土 ； 循环孔隙水压力； 峰值应力 ； 应变速率； 弹性模量 中图分类号 ： T V 4 3 1 文献标 志码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 1 - 5 4 8 5 ( 2 0 1 6 ) 0 1 0 1 3 4 0 5 1 研究背景 关于 自然状态以及干态混凝土的力学性能的研 究已经取得了较为丰富的成果 ， 而对于湿态混凝土 动态特 性 的研究 还存在 欠缺 。随着 研究 的深 入 ， B u t l e r ( 1 9 8 1 ) l J 将影响混凝土的孔隙水压力分成主 动孔隙水压力 、 被动孔隙水压力及 中性孔隙水压力 ， 并 阐明造成混凝土发生破裂的原因为主动孔 隙水压 力使材料产生 的拉应变； R o s s i ( 1 9 9 1 ) 考虑 了混凝 土的孔 隙、 微裂纹、 界面裂缝以及它们之间连通程度 的影响； O s h i t a 等( 2 0 0 0 ) 通过试验研究 ， 发现混凝 土的孔 隙水压力最大值发生在屈服应变外 ， 或者说 发生在平均应力最大值所对应的应变处 ； Y a ma n等 ( 2 0 0 2 ) 研究了孔隙率及孔隙中含水量对混凝土 力学性能的影响。国内也有许多学者对水环境下的 混凝土进行了研究 ， 如闫东明等 ( 2 0 0 5 ) 的直接拉 伸试验表明， 当含水量从0 3 1 增至4 8 时 ， 混凝土 的拟静态强度从 2 2 1 MP a 降低 至1 3 0 MP a ， 降低 幅 度为4 1 2 ； 王海龙等 ( 2 0 0 6 ) 认为混凝土 中孔 隙 水压力减小了阻碍混凝 土开裂 的摩阻力 ， 相当于楔 体的“ 楔入” 作用 ， 加速 了混凝土 的损伤和微裂纹的 扩展 ， 与干态混凝土相 比， 湿态混凝土的开裂应力和 抗压强度都有所降低 。上述对水环境混凝土力学性 能的研究大多处于准静态下， 而且关 于这方面的研 究也不是很深入 ， 本文详细分析循环孔 隙水压力下 混凝土动态强度、 变形 、 弹性模量等力学特性 ， 得出 了一些可供借鉴的结论。 2 循 环 孔 隙水 压 力 下 混 凝 土 抗压 性 能试验 2 1 试验设备 试验所用设备 为 1 0 MN大型多功能液压伺 服 三轴仪 。利用试验系统配置的围压桶对混凝土试件 进行加压处理 ， 可加载 的最大围压和最大孔隙水 压 力值均为 3 0 MP a 。加载框架用于对试件进行轴 向 加载 ， 竖 向最大动、 静力加载值分别为 5 0 0 0 k N和 1 0 0 0 0 k N。为了对试件的变形进行有效测量 ， 围压 桶中还配备了由三峡大学 自行设计的高压水环境内 试件变形测量装置。进行 围压及孔隙水压试验时 ， 通过电脑系统全程控制 ， 利用加压 阀系统给围压桶 加水 和加 压 。 2 2 试件 制 备 本试验所采用的试件为 3 0 0 m mX 6 0 0 m m的标 准圆柱体混凝土试件。试件采用钢模进行浇筑 ， 成 型后在室温下静置 2 4 h后拆模并编号 ， 按一定顺序 收稿日 期： 2 0 1 4 0 8 - 0 8 ； 修回日 期： 2 0 1 4 0 9 0 5 囊 金 项目 ： 国 家自 然 科摹基金 项目 ( 5 1 2 7 9 0 9 2 ) ； 三 峡大学 研究生科 研创新基金( C X 2 0 1 4 0 1 0 ) ； 湖北 省协同 创新中心 研究 生自 主 探索基金； 三峡 作者简介 ：套 茬 薹 1基9 8 9 冈 人 ， 硕 士 研 究 生 ， 主 要 研 究 方 向 为 建 筑 与 土 木 工 程 、 混 凝 土 材 料 动 力 特 性 及 结 构 抗 震 ， ( 电 话 ) 作 者 简 介 ：黄 仕 超 ( 一 ) ，男 ，湖 北 黄 冈 人 ， 硕 士 研 究 生 ， 主 要 研 究 方 向 为 建 筑 与 土 木 工 程 、 混 凝 土 材 料 动 力 特 性 及 结 构 抗 震 ， ( 电 估 J 1 3 0 9 8 4 0 7 2 0 6 ( 电子信箱) 2 7 1 6 1 3 0 4 0 q q c o m。 通讯作者 ： 彭刚 ( 1 9 6 3 _ ， 。 ，。酒 南 岳阳 人，教 授，博 士 生 导 师，研 究 方 向 为 混 凝 土 材 料 动 力 特 性 及 结 构 抗 震， ( 电 话) 1 3 9 7 2 6 0 4 4 3 3 ( 电 子 信 箱) g p e n g 1 5 8 1 2 6c o mo 第 1期 黄仕超 等 循环孔 隙水压力下混凝土 力学特 性研究 1 3 5 整齐摆放 ， 在 自然条件下养护 2 8 d 。本文采用 的是 宜 昌花林水泥有限公 司生产 的强度等级为4 2 5 的普 通硅酸盐水泥 ， 采用饮用 自来水进行搅拌 。混凝 土 配合 比如表 1 所示。 ( 5 )卸载及后续处理。试件破坏后 ， 停止加载并 以恒定位移控制将 围压桶下降到初始位置， 对破坏后 的试件进行拍照处理并完成试件残渣的清理工作 。 表 混凝土每立方米材料用量 3 T 混凝土基本 力学性 能分析a b l e M a t e r iai u s a g e i n c o n c r e te p e r c u b i c m e t e r k 1 g ， F 5 上岱 J 丁 I- L H 巳 J I， I 2 3 试验步骤 ( 1 )将混凝土试件置于 围压桶上部平台上 ， 擦 净围压桶内壁及 橡胶 圈并抹油 以增 加桶壁 的润滑 性 ， 防止桶盖与底座合拢 时刮花 内壁。吊装 围压桶 就位后 ， 将其箍紧， 关 闭出水 阀， 打开进水 阀及 2个 高压阀， 围压桶上部排水管与大气压连通 ， 往 围压桶 中充水 ； 待水充满后关 闭围压桶上的排水 口， 打开电 脑及围压控制软件 ， 连接 E D C驱动程序 ， E D C 2指向 围压 ， 以围位移控制方式通过加压阀给试件施加 围 压 ， 待接近所设围压值时转换控制方式 ， 以围压进行 控制 ， 达到围压值 3 MP a 后 ， 保持恒压 5 h左右。 ( 2 )采用 “ 围压控制” 方式控 制孔隙水压力进 行上 、 下限加卸载。待围位移不再发生较大变化时 ， 以 3 MP a m i n的速率从上 限值 3 M P a开始卸载 到 下限值 1 M P a ， 保持 3 0 m i n ， 再以 3 MP a m i n的速率 从下限值开始加载到上限值 3 MP a 。 ( 3 )设定 软件循 环 控制 程 序 ， 不 间断重 复 步 骤( 2 ) 中设置 ， 直至完成试验预定 的循环次数 。 循环处理过程中 ， 利用计算机 中的控制软件进 行围压的加卸载控制 ， 直至到达预定 的循环次数 ， 循环控制界面。需要注 意的是， 由于实验室的 磊 三 设备不具备测定混凝土 11 5 内部的孔隙水压大小 的 条件 ， 本试 验 以混 凝土 外围水压稳定后的大小 间接表征其内部的孔隙 水压力大小。 O 1 2 3 4 6 7 9 1 U 时间m 图 1 孑 L 隙水压 力循环 控制界面 Fi g 1 Co n t r o l i n t e r f a c e o f c yc l i c po r e wat e r pr e s s ur e ( 4 )正式加载。由于进行不 同加载速率加载时 所需伺服油源不同， 加载之前要确认油源开关是否切 换。进行加载速率为 1 O s和 1 0 s的试验时 ， 采 用辅助伺 服油源 ； 进行加 载速率 为 1 0 s和 1 0 s 的试验时， 采用主伺服油源。一切准备好之后 ， 给试 件预加 3 0 k N的初始静荷载 ， 然后 以位移控制方式 ， 按设定的加载速率对试件进行加载直至试件破坏， 加 载过程 中保证围压 3 MP a 恒定不变。 3 1 强度分 析 历经不 同孔 隙水压循环次数后 的混凝土在 4种 不 同应变速率 ( 1 O ， 1 0 ， 1 0 一， l 0 s ) 下 的峰值应 力及变化趋势如表 2及图 2 、 图 3所示 。 表 2 历经 循环作用后的混凝土峰值应力值 Ta b l e 2 P e a k s t r e s s o f c o n c r e t e u n d e r d i ffe r e n t c y c l e s of po r e wat e r pr e s s ur e 循环次 次 堂 l 图 2不 同孔隙水压循环 次数下混凝土峰值应 力 与应变速率 的关 系 Fi g 2 Re l a t i o n s be t we e n c onc r e t e S pe a k s t r e ss a nd s t r a i n r at e und e r di r e nt c y c l e s o f p o r e wa t e r pr e s s nr e 循环次数 次 图 3不同应变速率下峰值 应力与孔隙水压循环次数 的关 系 F i g 3 Re l a t i o n s b e t we e n p e a k s t r e s s a n d c y c l e s o f p or e wa ter pr e s s ur e unde r m髓e r e nt s t r a i n r a t e s 由表 2及图 2可以看出， 随着应变速率的增加 ， 历经不同次数孔隙水压循环后的混凝土抗压峰值应 力增大。取 1 0 s 为准静态应变速率 ， 历经 0 ， 1 0 ， 5 0次循环作用后 ， 随加载速率增加 ， 混凝土 峰值应 力的增加程度可 由表 2计算得到 ， 经研究发现混凝 土抗压强度 的增加幅度与应变速率的对数之间接近 线性关系。由表 2和图 3可以得到 ， 随着孔隙水压 循环次数的增加 ， 峰值应力表现出阶段 l生的变化 ： 当 循环次数不大于 1 0 0次时 ， 峰值应力呈增大的趋势； 当循环次数达到 1 0 0次时， 峰值应力开始减小。 3 2 变 形 分析 试验 中， 历经不同孔隙水压循环次数后 的混凝土 在 4种不同应变速率 ( 1 0 ， 1 O ， 1 0 一， l O s ) 下的峰 值应变及变化趋势如表 3及图4 、 图 5 所示。 1 3 6 长江 科学 院院报 表 3 历 经循环作 用后 混凝土的峰值应变值 Ta b l e 3 P e a k s t r a i n o f c o n c r e t e u n d e r d i ffe r e n t c y c l e s of po r e wat e r pr e s s ur e s 循环次 数 次 1 O - 5 s 墼 旦 l O - 型 4 塑 s 坠 l 堑 O- 3 墼 s 暨 1 O j_ - 2 一 s 图 4不同孔隙水压循环 图 5 不 同应变 速率下混凝 次数下混凝土峰值应变 土峰值应 变与孔隙水压 与应变速率 的关 系 循环次数的关 系 Fi g 4 Re l a tion s be t we e n Fi g 5 Re l a t i o ns be t we e n c o nc r e t e S p e ak s t r ain a nd c o nc r e t e S pe ak s t r ai n a nd s t r ain r a t e unde r di ffe r e n t c yc l e s of po r e wa t e r c y c l e s of po r e wat er pr e s s ur e u nde r di ffe r e nt pr e s s ur e s t r ain r a t e s 由表 3和图 4可以看出， 随加载速率的增加 ， 峰 值应变表现出一定的离散性 ， 但整体上有明显增大 的趋势 ； 由图 5可知 ， 随着孔隙水压循 环次数 的增 加 ， 混凝土的峰值应变呈现 出波动的性质 ， 没有 明显 的规律。 3 3弹性 模量 分析 弹性模量是混凝 土材料本构特性的重要参数 ， 采用式( 1 ) 对应力一 应变全曲线进行计算 ， 得到历经 不同孔 隙水压循环次数后 的混凝土在 4种不 同应变 速率 ( 1 0 一， 1 0 一， 1 O ， 1 0 s ) 下的弹性模量值及变 化趋势 ， 如表 4及图 6 、 图 7 所示。 E=( ( r n 4 5一( r o 3 5 ) ( 0 4 5一 o 3 5 ) 。 ( 1 ) 式 中： E为弹性模量 ； n 3 ， 。 分别为峰值应力的 3 5 ， 4 5 ； 0 3 5， 分别 为 ， 0 4 5 对应的峰 值应变 。 表 4 历经循环作 用后 混凝土的弹性模 量值 Ta bl e 4 M o dul us o f e l a s t i c i t y of c o nc r e t e un de r d i ffe r e nt c yc l e s of po r e wat e r p r e s s ur e 循 环 次 数 次 墼 塑 重 豢 舌 塑 兰 萼 凳 l g s 图 6 不 同孑 L 隙水 压循环 次数下混凝土弹性模量 与应变速率 的关 系 F i g 6 Re l a t i o n s b e t we e n c o n c r e t e S m o d u l u s o f e l a s t i c i t y an d s t r ain r a t e u n d e r d i 慨 r e nt c y c l e s o f por e wa t e r pr e s s u r e 循环次数M次 图 7 不 同应变速率 下混凝 土弹性模量与水压循环 次数 的关 系 Fi g 7 Re l ation s be t we e n c o n c r e t e S m o d u l u s o f e l as tic i t y a nd c yc l e s of po r e wa t e r pr e s s ur e u nde r di fie r e nt s t r a i n r a t e s 由表 4和图 6可以看 出， 混凝土 的弹性模量 随 加载速率的增加表现出较大的离散性 ， 当加载速率 不大于 1 O s 时 ， 弹性模量增 大 ； 当加 载速率达到 l 0 s 时， 弹性模量开始减小 。由表 4和图 7可 以 看出 ， 混凝土的弹性模量 随孔 隙水压 循环 次数 的 增加， 呈减小的趋势， 其 量 变化 规律可 用下 式进行 拟合 ， 拟 合 曲线 见 图 8 。 拟合公式如下 ： 一 r 9 、 图 8 弹性模量与孔 隙水压 式 中 ：E 。 0 次 孔 F 嚣次 数F itt的 拟in g c u r v e线s 0 f 循环 下混凝 土 的弹性模 e l a s t i c m o d u l u s a n d 量； 为孔隙水压循环次 Y c J o f p o r e 数； A为拟合参数。 w a p r e “ r e 由表 5和图 8可知， 混凝土的弹性模量与循环次 数的关系曲线拟合较好 ， 相关系数在 0 8 7以上 ， 拟合 公式( 2 ) 可以较好地反映两者之间的变化规律。 表 5 弹性模量拟合参数 Tab l e 5 Fi t t i ng par a m e t e r o f modu l us o f e l a s t i c i t y 4 破坏机制分析 4 1破 坏形 态 在本试验中， 由于未对试件进行密封处理 ， 所施 加的围压使试件强度增强 的幅度有限， 三轴压缩情 况下 ， 试件的破坏形态与单轴压缩试验中的破坏形 态 比较类似 ， 如图 9和图 1 0所示 ， 主要表现为多个 共轭斜面剪切破坏和斜剪破坏 2种形态 。试件破坏 形态表现为锥形或倒锥形 ， 因为试件在受压的过程 中， 传力板的刚度和与其接触 的混凝土试件的刚度 l 3 8 长 江科 学院院报 2 0 1 6生 时 ， 混凝土的峰值应力随循环次数的增大而增大 ； 当 循环次数超 1 0 0次时混凝土的峰值应力随循环次数 的增大而减小 。 ( 2 )随着应变速率 的不断增加 ， 混凝 土的峰值 应变整体上呈现出增 大的趋势 ； 随着孔隙水压循环 次数的增加 ， 混凝土的峰值应变表现出波动的趋势。 ( 3 )随着应变速率的不断增加 ， 混凝土的弹性 模量没有明显的规律 ； 随着孔隙水压循环次数的增 加 ， 混凝土的弹性模量减小 ， 并在此基础上构建 了两 者之间的拟合公式 ， 结果表明两者的相关程度较 高。 参考文献： 1 2 3 B UT L E R J E T h e I n fl u e n c e o f P o r e P r e s s u r e u p o n Co n c r e t e J Ma g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 8 1 ，3 3 ( 1 1 4 ) ： 3 1 7 ROS S I PI nfl u e n c e o f Cr a c k i ng i n t he Pr e s e n c e o f Fr e e Wa t e r o n t h e Me c h a n i c a l B e h a v i o r o f C o n c r e t e J Ma g a z i n c o f Co n c r e t e Re s e a r c h， 1 9 9 1 ， 4 3 ： 5 3 5 7 O S HI T A H T ANA B EMo d e l i n g o f W a t e r Mi g r a t i o n M e c h a n i c a l Pr o p e r t i e s o f Co n c r e P h e n o me n o n i n C o n c r e t e a s H o m o g e n e o u s Ma t e ri a l J J o u r n a l o f E n g i n e e ri n g Me c h a n i c s ， 2 0 0 0 ， 1 2 6 ( 6 ) ： 5 6 5 5 7 2 YAMAN I O HEAR N N AK T AN H MA c t i v e a n d N o n a c t i v e P c r o s i t y i n C o n c r e t e P a r t I：E x p e ri me n t a l Ev i d e n e e J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 2 ， 3 5 ： 1 0 2 1 0 9 Y AMAN 1 0 AKT AN H M ， HE ARN N Ac t i v e a n d No n a c t i v e Po r o s i t y i n C o n c r e t e P a r t ：E v a l u a t i o n o f E x i s t - i n g M o d e l s J M a t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 2 ， 3 5 ： 1 1 0 11 6 闫东明， 林皋， 王哲 ， 等 不同环境下混凝土动态 直接拉伸特性研究 J 大连理工大学学报， 2 0 0 5 ， 4 5( 3 )： 4 1 6 - 4 2 1 王海龙 ， 李庆斌 孔隙水对湿态混凝土抗压强度的影 响 J 工程力学 ， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 1 0 ) ： 1 4 1 1 4 4 黄桥平 基于 S t e f a n效应的混凝土随机细观黏性损伤 模型 J 结构工程师， 2 0 1 3 ， 2 9 ( 4 ) ： 3 1 3 7 u n d e r Cy c l i c Po r e ( 编辑： 黄玲) W a t e r Pr e s s u r e HUA NG S h i c h a o I - ， P EN G Ga n g ， L I ANG Hu i ， T I AN We i ， ( 1 C o l l a b o r a t i v e I n n o v a t i o n C e n t e r o f G e o l o g i c a l H a z a r d s a n d E c o l o g i c a l E n v i r o n me n t i n Th r e e Go r g e s Ar e a i n Hu b e i Pr o v i n c e， Yi c h a ng 4 43 0 0 2， Ch i n a； 2 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g&A r c h i t e c t u r e ， T h r e e G o r g e s U n i v e r s i t y ， Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2 ， C h i n a ) Abs t r a c t： Th e c o n c r e t e s pe c i me n s wi t h d i a me t e r o f 3 0 0mm ， he i g h t o f 6 0 0 mm ，we r e p r e p r o c e s s e d un d e r 0 c y c l e， 1 0 c y c l e s ， 5 0 c y c l e s ， 1 0 0 c y c l e s ， 2 0 0 c y c l e s o f p o r e w a t e r p r e s s u r e ( u p p e r l i m i t o f p o r e w a t e r p r e s s u r e f o r 3 MP a ， t h e l o w e r l i mi t for 1 MP a ) I n o r d e r t o s t u d y me c h a n i c a l p r o p e r t i e s 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 y c l e s o f p o r e w a t e r p r e s s u r e s a n d d i f f e r e n t s t r a i n r a t e s ， w e c a r r i e d o u t c o n v e n t i o n a l t r i a x i a l ( 2 - - O 3 盯 1 )c o m p r e s s i v e t e s t s for t h e s e s p e c i me n s u n d e r f o u r s t r a i n r a t e s ( 1 0 一 s ， 1 0 一 s ， 1 0 一 s ， 1 0 一 s ) w i t h c o n f i n i n g p r e s s u r e o f 3 MP a T h e r e s u l t s s h o w t h a t 1 )w i t h t h e i n c r e a s i n g s t r a i n r a t e ， t h e p e a k s t r e s s o f c o n c r e t e i n c r e a s e s a n d t h e p e a k s t r a i n s h o w s i n c r e a s i n g t r e n d 2 )B e f o r e 1 0 0 c y c l e s o f p o r e w a t e r p r e s s u r e ， t h e p e a k s t r e s s g r a d u a l l y i n c r e a s e ， b u t a f t e r t h a t t h e p e a k s t r e s s t e nd s t o d e c r e a s e，S O t h e p e a k s t r e s s o f c o nc r e t e c ha n g e s b y p ha s e wi t h t h e i n c r e a s i n g c y c l e s o f po r e wa t e r p r e s s u r e Va ria t i o n o f p e a k s t r a i n i s i r r e g u l a r ，wh e r e a s e l a s t i c mo d u l u s t e n d s t o d e c r e a s e wi t h t h e i n c r e a s i n g c y c l e s o f p o r e wa t e r p r e s s ur e Ke y wo r d s： c o n c r e t e； c y c l i c p o r e wa t e r p r e s s u r e； pe a k s t r e s s； s t r a i n r a t e； e l a s t i c mo d ul us