多轴应力下塑性混凝土峰值后变形特征.pdf

第 1 7卷第 4期 2 O 1 4年 8月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG MATERI AL S Vo1 1 7， NO 4 Au g。 2 01 4 文章编号： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 6 5 4 0 5 多轴应 力下塑性混凝 土峰值后 变形特征 王 四 巍 ， 王 忠福 ， 潘 旭 威 ， ( 1 华北水利水电大学 岩土工程与水工结构研究院 ， 高丹盈 河南 郑 州 4 5 0 0 4 5 ； 2 郑 州大学 土 木工 程学 院 ， 河 南 郑州 4 5 0 0 0 2 ) 摘 要 ：通过 单轴压 缩试 验 以及 侧压 恒定 和侧 向位 移 恒 定 的 2类 真 三轴 压 缩试 验 ， 研 究 了塑性 混 凝 土峰 值后 变形特 征 结果表 明： 塑性 混凝土峰 值后 变形特 征 与试 验 的侧 限 条件 密切相 关 塑性 混凝 土在单 轴 受压 情 况下 ， 峰 值后 变形 呈现软化 特征 ； 在 侧 压恒 定 的真 三轴 压 缩 试验 下， 峰 值后 变形 呈 现理 想塑化 或近似 塑化特 征 ， 试件 的破 坏 主要 表 现 为 双 向剪 切破 坏 ， 且破 坏方 向与 最 小主 应 力 方 向一致 ； 在侧 向位 移恒 定的真 三轴压 缩试验 下 ， 峰 值 后 变形 呈现 硬 化特 征 ， 试 件 的破 坏 主要 表 现 为 轴 向过 大 的压缩 变形 当变形参数 D。 0时 ， 峰 值后 变形表 现 为硬 化 ； 当0 1 D。 0时 ， 峰 值 后 变形表 现 为理想 塑化或 近似 塑化 ； 当 D 一0 1时， 峰 值后 变形 表现 为软化 关键词 ：塑性 混凝 土 ； 峰 值后 变形 ；多轴应 力 ；变形参 数 中 图分 类号 ： T V1 4 8 ； O6 1 4 文献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 4 0 4 0 1 7 Po s t Pe a k De f o r ma t i o n Cha 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 u n d e r M u l t i a x i a l St r e s s S t a t e WANG S i we i ， WANG Zh o n g fu ， PAN Xu we i ， GAO Da n y i n g ( 1 I n s t i t u t e o f Ge o t e c hn i c a l Eng i n e e r i n g a n d Hy dr a ul i c St r u c t ur e En gi ne e r i ng，Nor t h Chi na Un i v e r s i t y of W a t e r Cons e r va n c y a nd H y dr o e l e c t r i c Po we r，Zhe n gz h o u 4 50 04 5，Ch i n a； 2 Sc h oo l of Ci vi l En gi ne e r i ng，Zhe ng z ho u Uni ve r s i t y，Zh e ng z h ou 45 00 02，Chi na ) Ab s t r a c t ：Po s t p e a k d e f or m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f p l a s t i c c o nc r e t e we r e s t u di e d u s i ng u ni a x i a l a n d t r ue t r i a xi a l c ompr e s s i o n t e s t s The r e s u l t s s ho w t h a t po s t p e a k de f o r m a t i o n c ha r a c t e r i s t i c s a r e gr e a t l y i n f l ue nc e d by c on f i n i ng c o nd i t i on s Po s t p e a k d e f or ma t i on o f p l a s t i c c o nc r e t e be c ome s s o f t e n e d u nd e r u ni a x i a l s t r e s s s t a t e I t wi l l be i de a l l y p l a s t i c o r a pp r ox i ma t e l y pl a s t i c un de r t r u e t r i a x i a l s t r e s s s t a t e wi t h c o ns t a nt c on f i n i ng p r e s s u r e，a n d ha r d e n e d u nd e r t r u e t r i a x i a l c ompr e s s i o n s t a t e wi t h c ons t a nt l a t e r a l d i s pl a c e me n t Th e p a r a me t e r of D2 c a n di s t i n gu i s h po s t p e a k d e f o r m a t i o n c ha r a c t e r i s t i c s o f p l a s t i c c o nc r e t e Po s t p e a k de f or ma t i on wi l l be h a r d e n e d wh e n D2 i s po s i t i v e，a nd i de a l l y p l a s t i c or a p pr o xi ma t e l y pl a s t i c whe n D2 i s f r o m 一 0 1 t o 0， a n d s o f t e n e d whe n D2 i s l e s s t ha n 一 0 1 Ke y wo r d s：pl a s t i c c o nc r e t e ；p os t pe a k de f o r ma t i o n；m u l t i a x i a l s t r e s s ；d e f o r ma t i o n pa r a me t e r 长期 以来 ， 刚性 混 凝 土 ( 也 称 普 通 混凝 土 ) 防渗 墙 在水利 水 电工 程 中得 到 广 泛应 用 ， 发 挥 了 良好 效 益 但是 ， 工程实践表明， 刚性混凝土防渗墙存在一 些难 以解 决 的问 题 塑 性混 凝 土 是 一种 强度 介 于 土 与普通 混凝 土之 间的柔 性工 程材 料 ， 是 用膨 润土 ( 或 黏土) 替代普通混凝 土中大部分水 泥而形成 的高性 能混凝 土 与普通 混凝 土相 比， 塑性混 凝 土具有 弹 性 模量 低 ( 一 般小 于 2 0 0 0 MP a ， 而 普 通 混凝 土 的弹 性 收稿 口期 ： 2 O l 3 O 3 0 9 ；修订 日期 ： 2 0 1 3 - 0 5 0 9 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 1 0 9 0 8 2 ) ； 河南省基础与前沿技术研究计划 ( 1 4 2 3 0 0 4 1 3 2 1 6 ) ； 河南省 高等学校青年骨干教师计划 资助项 目( 2 0 1 3 G GJ S 一 0 8 3 ) ； 华北水利水电学院高层次人才科研启动项 目( 2 0 1 1 Ao o 3 ) ； 水利部公益性资助项 目( 2 0 1 3 0 1 0 3 4 ) 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 Ema i l ： ws wn c wu e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 王 四巍 ， 等 ： 多轴应力下塑性混凝 土峰值 后变形特征 模 量 一 般 大 于 1 0 0 0 0 MP a ) 、 极 限 变 形 大 ( 一 般 超 过 1 O 0 ， 而 普 通 混 凝 土 的 峰 值 应 变 为 0 0 8 0 3 O ) 和 工作 性 能 良好 等 特 性 与 刚 性 混 凝 土 防 渗 墙 相 比 ， 塑 性 混 凝 土 防 渗 墙 弹 性 模 量 与 周 围 岩 土 体 相 差较 小 ( 一 般 在 1 0倍 以 内) ， 墙 体 受 力 变 形 可以与周 围岩土体协调一致 ， 受力 性能 良好 ； 大量 使用膨润 土( 或黏 土) 替代水 泥 ， 减少 了水 泥熟料 生产 过程 中的环境污染 ， 降低 了工 程投资。 塑性混 凝 土 防渗 墙 已在 国 内外 防渗 工 程 ( 坝 基 、 围堰 防渗 及 坝 体加 固等 ) 中 得 到 广 泛 应 用 口 ， 如 三 峡 工 程 二 期 围堰 、 小 浪底 工 程 上 游 围 堰 、 溪 洛 渡 工 程 上 游 围 堰 、 向家 坝 围堰 、 山西 册 田水 库 、 河 北 岳 城 水 库 、 河 南窄 口水 库 ( 除险加 固) 和伊 朗 卡尔黑水 电站 等 但 塑性混凝 土理 论研究 滞 后于 工程 应用 ， 其 理论 研 究 主要 集 中在 配 合 比设 计 、 单 轴 及 常 规 三 轴 力 学性能等方面 李 清 富等l_ 2 采用 棱柱体试件 测定 塑性 混 凝 土 的 弹 性 模 量 ， 用 全 长 作 为 标 距 测 试 其 变 形 高 丹 盈 等 提 出 了 塑 性 混 凝 土 单 轴 压 缩 本 构 方 程 Ma h b o u b i 等 。 的研 究 表 明 ： 塑 性 混 凝 土 在单轴 压 缩下 ， 主要 产 生 脆 性 破坏 ； 在 较 高 围压 下 ， 主要产生延性破坏 ， 破坏时轴 向应变高达 4 ； 同时 也 分 析 了其 三 轴 压 缩强 度 和偏 应 力一 应 变 曲线 特 征 峰值 后 变 形 特 征 是 塑 性 混 凝 土 力 学 性 能 和 破 坏 特 征 的重 要 组 成 部 分 ， 目前 国 内 外 在 该 方 面 并 没 有 开展 相 关 研 究 因此 ， 本 文 中 针 对 3个 强 度 系列 4组配合 比的塑性 混凝 土 ， 开展 单轴 压缩试 验 以及 侧 压恒 定 和侧 向位 移 恒 定 的 2类 真 三 轴 压 缩试验 ， 分析 不 同侧 限条件对 塑性 混凝 土 峰值后 变 形 特 征 的影 响 ， 并 在 此 基 础 上 引 入 变 形 参 数 ， 定 量 描 述 侧 限条 件 对 塑 性 混 凝 土 峰 值 后 变 形 特 征 的 影 响 规律 1 试 验设计和试 验方法 1 1试验 材料 及试 件设 计 水 泥采 用郑 州市龙 岗水泥 厂生 产 的 P 0 4 2 5 普 通硅 酸盐 水 泥 ； 黏 土取 自河 南 省 窄 口水库 除 险加 固工地 ， 经磨细 以干粉形式掺人； 砂子为河砂 ； 粗骨 料 为 5 2 0 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 ； 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 塑 性 混凝 土试件的配合 比见表 1 4组 立方体试件 2 8 d单轴 抗压 强度 分别 为 2 5 5 ， 2 5 3 ， 5 8 3 ， 6 7 3 MP a 1 2试 验方 法 塑性 混凝 土真 三轴 压缩 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 试验前 ， 将立方体 试件放入压力室， 在其上部放置荷载传感器 ， 在 5个 加载 端压力 触 头上各 安装 1 个 平行 加载 方 向 的电子 位移计 以测试试件的变形 塑性混凝土真三轴压缩 试验时， 先把表盘压力调整到设定要求 ， 然后打开压 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 试 验 采 用 分 级 加 载 ， 每 级 压 力 0 2 0 4 M Pa 塑性混 凝 土 真 三轴 压 缩 试 验 采 用 2类 加 载 模 式 ： 第 1类侧压保持恒定 ； 第 类侧压达到设定值后 保持侧向位移恒定 ， 然后逐级增加轴压至试件破坏 2类加 载模 式分 别模 拟塑 性 混 凝 土 防渗 墙 在 土体 和 岩体内的受力状态 对试件 P 5 1 ， P 6 1进行第 工类 真 三轴 压 缩 试 验 ； 对 试 件 P 2 - 1 ， P 2 2进 行 第 类 真 三 轴压 缩试 验 2类 真 三 轴 压缩 试 验 的侧 压设 置 见 表 1 ， 分析时以实测的侧压 值为准 真三轴压缩试验 试 件 的龄期 一般 为 6 O d 表 1 塑性混凝土配合 比和真兰轴试验侧压设置 T a b l e 1 M i x p r o p o r t io n o f p l a s t i c c o n c r e t e s 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 c o mp r e s s i o n t e s t 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 5 8 建筑材料学报 第 1 7卷 3 结 论 ( 1 ) 塑性 混凝 土在 单轴压 缩试 验下 ， 峰值 后变 形 呈 现软 化特 征 ； 在 侧压 恒定 的真三 轴压缩 试 验下 ， 峰 值 后 变形呈 现 近似 塑 化 或 理想 塑 化 特 征 ； 在侧 向位 移恒定的真三轴压缩试验 下， 峰值后变形呈现硬化 特征 ( 2 ) 引入变形参数 D ， 根据 D 值 的正负及大小 可 以区分 多轴应 力下 塑性混 凝土 峰值后 变形 特征 ( 3 ) 塑 性混凝 土在 侧 压 恒 定 的 真 三轴 压缩 试 验 下 ， 试 件 的破 坏 主要表 现为 双 向剪 切破 坏 ， 且 破 坏方 向与 最小 主应 力方 向一 致 ； 在 侧 向位 移 恒 定 的 真三 轴压 缩试 验下 ， 试 件 的破 坏 主 要 表现 为 轴 向过 大 的 压缩 变形 参 考文献 ： 1 2 3 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 W ANG S i we i Pr o p e r t i e s o f p l a s t i c c o nc r e t e u n d e r u n i a x i a l a n d t r i a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e s s D Z h e n g z h o u ： Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y， 2 0 1 0 ( i n Ch i n e s e ) 李清富， 张鹏 ， 张保雷 塑性 混凝土 弹性 模量 的试验 研究 刀 水力发 电， 2 0 0 5 ， 3 1 ( 3 ) ： 3 0 3 2 L I Qi n g f u， ZHANG Pe n g， ZHANG Ba o l e i Ex p e r i me n t a l r e s e a r c h o n t h e e l a s t i c mo d u l u s o f p l a s t i c c o n c r e t e J Wa t e r Po we r ， 2 0 05 ， 3 1 ( 3 )： 3 0 - 3 2 ( i n Ch i n e s e ) 李家正 ， 王迪友 ， 杨华全 塑性 混凝土配合 比设计及试 验方法 探讨口 长江科学 院院报 ， 2 0 0 2 ， 1 9 ( 4 ) ： 5 8 6 1 LI J i a z he n g， WANG Di y u， YANG Hu a q u a n I n q u i r y i n t o mi x d e s i g n a n d t e s t me t h o d o f s o i l c o n c r e t e J J o u r n a l o f Ya n g t z e 4 5 6 7 8 9 1 0 Ri v e r S c i e n t i f i c Re s e a r c h I n s t i t u t e ， 2 0 0 2，1 9(4)： 5 8 61 ( i n Ch i n e s e ) 王四巍， 于怀 昌， 高丹盈 ， 等 塑性混凝土弹性模量室内试 验研 究 J 水文地质工程地质 ， 2 0 1 1 ， 3 8 ( 3 ) ： 7 3 7 6 W ANG S i we i ， YU H u a i c h a ng ， GAO Da ny i ng， e t a 1 Te s t i n g o n e l a s t i c mo d u l u s o f p l a s t i c c o n c r e t e J Hy d r o g e o l o g y& En g i n e e r i n g Ge o l o g y， 2 0 1 1， 3 8 ( 3 )： 7 3 7 6 ( i n Chi n e s e ) 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 GAO Da ny i n g ，W ANG S i we i ， S 0NG Sh u a i q i ， e t a 1 Ex pe r i me n t a l s t u d y o n a x i a l c o m p r e s s i v e s t r a i n s t r e s s r e l a t ion s h i p o f p l a s t i c c o n c r e t e J J o u r n a l o f Hy d r a u l i c E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 1 )： 8 2 8 7 ( i n Ch i n e s e ) MAHBOUB1 A， AJ ORLOO A Ex p e r ime n t a l s t u d y o f t h e me c h a n i c a l b e ha v i o r o f p l a s t i c c o n c r e t e i n t r i a x i a l c o mp r e s s i o n J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 2 ) ： 4 1 2 4 1 9 GRI SHI N V A ， DERYUGI N L M Exp e r i e n c e i n t he u s e o f b e n t o ni t e c e m e n t c o n c r e t e f o r r e p a i r i n g t h e c o r e o f t he e a r t h f i 1 1 d a m o f Ku r e i s k a y a Hp p J P o we r Te c h n o l o g y a n d E n g i ne e r i n g ， 2 0 06 ， 4 0( 2 )： 2 - 8 王清友 ， 孙万功 ， 熊欢 塑性混 凝土防渗墙 M 北京 ： 中国水 利水 电出版社 ， 2 0 0 8 ： 6 3 1 0 1 W ANG Qi n g y o u， SUN Wa n g o n g， XI oNG Hu a n Cu t o f f wa l l o f p l a s t i c c o n c r e t e M B e i j i n g ： C h i n a Wa t e r P o we r P r e s s ， 2 0 0 8： 6 3 1 0 1 ( i n Ch i n e s e ) HI NCH B ERGER S， W ECK J ， NEW S ON TM e c h a n i c a l a n d hy d r a ul i c c h a r a c t e r i z a t i o n o f p l a s t i c c o n c r e t e f o r s e e p a ge c u t o f f wa l l s J C a n a d i a n Ge o t e c h n i c a l J o u r n a l ， 2 0 1 0 ， 4 7 ( 4 ) ： 4 6 1 47 1 PI SHEH Y P， M OHAM M AD H OS SEI NI S M St r e s s s t r a i n be h a v i o r o f p l a s t i c c o nc r e t e u s ing mo n o t o n i c t r i a x i a l 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 Un i v e r s i t y ， 2 0 1 2 ， 1 9 ( 4 ) ： 1 1 2 5 1 1 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m