不同水压作用下的混凝土率效应试验研究.pdf

水 力 发 电 第4 0 卷第3 期 2 0 1 4年 3月 不 同 水 压 T 隹用 下 的 混 凝 土 率 致 应 改 验 研 究 熊鹏飞 ，姜 袁 ，彭 ， 、 、 一一 ( 1 三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌 4 4 3 0 0 2 ； 刚 梁春华 2 三峡大学科技学院，湖北宜昌 4 4 3 0 0 2 ) 摘要：利用大型电液伺服多功能动静力三轴仪分析了6t 5 0 mmx 3 0 0 m m的混凝土圆柱体试件在不同水压 ( 0 、2 、 5 MP a和 1 0 MP a ) 、不同加载速率 ( 1 0 - 5 、1 0 4 、1 0 3 s和 1 0 - )作 用下的力学 与变形 特性 。试验结果表 明 ，混凝 土 的峰值应力对应变速率 的敏感性随 围压 的增大而增大 ，峰值应 变随围压 和应变速率的增大都呈增加 的趋势 ；弹性模 量随加载速率 的增加总体呈增大趋势 ，随围压增 大变化并 不明显 ；吸能能力随应变速率 的增大而增大 ，而随围压的 增大呈先增强后减弱的趋势。 关键词 ：混凝土 ；率效应试 验 ；应力 ；应变 ；弹性模量 Ex p e r i me n t a l S m d y o n Ra t e Effe c t o f Co n c r e t e u n d e r Di ffe r e n t Hy d r a u l i c P r e s s u r e XI ONG P e n g f e i ， J I ANG Yu a n ， P EN G Ga n g ， L I ANG Ch u n h u a 2 ( 1 Co l l e g e o f C i v i l En g i n e e ri n g a n d Ar c h i t e c t u r e ， T h r e e Go r g e s U n i v e r s i t y , Yi c h a n g 4 4 3 0 0 2 , Hu b e i , C h i n a ； 2 C o l l e g e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， T h r e e G o r g e s U n i v e r s i t y ， Yi c h a n g 4 4 3 0 0 2 ， Hu b e i ， Ch i n a ) A b s t r a c t ： Th e me c h a n i c a l a n d d e f o r ma b l e c h a r a c t e ri s t i c s o f 61 5 0 m mx 3 0 0 m E c o n c r e t e c y l i n d ri c a l s p e c i m e n s a r e a n a l y z e d b y u s i n g l a r g e e l e c t r o - h y d r a u l i c s e r v e - c o n t r o l f u n c t i o n a n a l y s i s o f d y n a mi c a n d s t a t i c t r i a x i a l u n d e r d i ff e r e n t wa t e r p r e s s u r e s( 0 r 乙5 MP a a n d 1 0 MP a )a n d d i ff e r e n t l o a d i n g r a t e s( 1 0 -s , 1 0 1 0 a n d 1 0 )r e s p e c t i v e l y Th e t e s t r e s u l t s i n d i c a t e s t h a t ,( a )t h e s e n s i t i v i t y o f p e a k s t r e s s o f c o n c r e t e o n s t r a i n r a t e i n c r e a s e s wi t h t h e i n c r e a s e o f c o n f i n i n g p r e s s u r e , a n d t h e p e a k s t r a i n s h o ws a t r e n d o f i n c r e a s e w i t h c o n fi n i n g p r e s s u r e a n d s t r a i n r a t e i n c r e a s e s ；( b )t h e e l a s t i c m o d u l u s s h o w s a t r e n d o f i n c r e a s e w i t h l o a d e d r a t e i n c r e a s e i n o v e r a l l ,a n d c h a n g e s i s n o t o b v i o u s wi t h c o n fi n i n g p r e s s u r e i n c r e a s e ； a n d ( C )t h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y i n c r e a s e s wi t h s t r a i n r a t e i n c r e a s e , a n d i s i n c r e a s e d a t fi r s t a n d t h e n d e c r e ase d w i t h c o n fin i n g p r e s s u r e i n c r e a s e Ke y W o r d s ： c o n c r e t e ； r a t e e ff e c t t e s t ； s t r e s s ； s t r a i n ；e l a s t i c mo d u l u s 中图分类号 ： T V 4 3 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 4 ) 0 3 - 0 0 8 2 0 3 O 引言 在 水压 中工 作 的混 凝 土 结 构 ，尤 其 是 在 高水 头 下 ，水 压 力 已成 为 结 构设 计 的控 制性 冈素 。实 际工 程 中 ，混 凝 土结 构 都 不 可 避免 地 承 受地 震 冲击 、风 致 振 动 、 波 浪 激 打 等 动 力 荷 载 ，且 大 多 数 结 构 都 处 于 明 显 的 多 轴 应 力 状 态 ， 而 混 凝 土 的 变 形 和 强 度 等 力 学 特性 与其 应 力 状态 密 切 相关 。 目前 ，对在 大 气 自然 环境 中 的混凝 土静 动 态研 究一 致 认 为 混 凝 土 的强 度 随 应变 率 的 提 高 而增 大 【 。不 同含 水 量混 凝 土 的强 度 试验 研 究 表 明 5 - 7 ，湿 态 混 凝 土 的强 度 比干 燥 混 凝 土强 度 低 ，即使 原 材料 和养 护 条 件 完全 相 同 的 混 凝 土 ， 临 时 改 变 其 饱 和 度 ， 其 强 度 也 会 随 之 改 变 。但 是 ，对 水 压作 用 下 的 混凝 土 静 动 态性 能 研 究 8 - 1 0 还 有 待 深 入 ，尤 其 是 有 压 水 与 试 件 表 面 直 接 接 囝W a r e r P o e r V o f 0 N o 3 触 时 的混凝 土率 效应 研 究 还 很 缺 乏 。为 此 ，本 文通 过试 验 开 展 不 同水 压 下 的 混凝 土 材 料 率 效 应 研 究 ， 以揭示 其 在水 压作 用下 的静 动态 力学 性 能 。 1 试验仪器 1 1 试件 制作 本 次 试 验 采 用 +1 5 0 mmx 3 0 0 mm 的 圆柱 体 试 件 混 凝 土设计 强 度 为 3 0 MP a，水 泥为 P O 4 2 5的 普 通硅 酸 盐 水 泥 ，拌 合 用 水 为 自来 水 ，粗 骨 料 是 最 大 粒径 为 3 0 IT U T I 的连 续 级 配河 卵石 ，细 骨料 是 细 度 收稿 日期 ：2 0 1 3 1 0 3 1 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 7 9 0 9 2 ) 作者简 介 ：熊鹏 飞( 1 9 8 9 一 ) ，男 ，湖北 天 门人 ，硕士 研 究生 主要从事混凝 土材料动态 性能研究 兄 D ， 寸： I 、 1 J J， J J l 卜， j l 、口 ， 髓 J一竿姒 吼 拟研7 模 数 为 1 8的连 续 级 配 天 然 河 砂 。混凝 土 的 质 量 配 合 比为水 ： 水 泥 ： 沙子 ： 石 子= O 5 ： 1 0 ： 1 7 5 ： 3 2 4。混 凝 土 先 整体 浇 筑 ，在 自然 条 件 下养 护 9 0 d后 ，通 过 钻 芯 取 样 并 进 行 切 割 打 磨 处 理 。 试 验 时 试 件 龄 期 为 1 2 0 0 d，认 为混 凝 土强 度 发展 已基 本 稳定 ，忽 略龄期 对试 件 强度 的影 响 。 1 2试 验设 备 加 载试 验在 三 峡大 学 1 0 MN 大 型多 功能 液 压伺 服 静 动 力 三 轴 仪 上 完 成 ，该 仪 器 主 要 由加 载框 架 、 液 压油 泵 、围压 和 计 算 机 系统 等 几 部分 组 成 。试 验 机加 载 框架 系统 可施 加 的最 大轴 向静荷 载 为 1 0 MN， 动荷 载 为 5 MN，水 平 向荷 载 为 5 MN：油 源 系 统为 试 件 加 载 提 供 源 动 力 ； 围 压 系 统 最 大 围 压 为 3 0 MP a，可 对 试 件 尺 寸 为 4,1 5 0 mm： 3 0 0 mm、63 o o mm 6 0 0 mm 和 4 , 5 0 0 minx1 0 0 0 mm 的混 凝 土 圆柱体 进 行加 压 ；计 算 机 系统 同时 控 制 3台 E DC控 制 器 ， 最大 采样 频率 为 0 0 0 0 1 S ，最大数 据存 储 量为 3 0万 组 可 实 时 自动 采 集数 据 及 记 录 当前 情 况 并 反馈 相 关 信 息 。 1 3试验 过程 加 载试 验 前 ，试 件置 于 充 满 水 的 围压 桶 内 ，然 后 由油 泵 推 动侧 压 水 缸施 加 围压 反 复 给 围压桶 加 压直 至 设 定值 ， 当电脑 软 件 显 示 围压 和 围位 移 已不 再 随时 间 的增 加 而 改 变 时 ，认 为 混凝 土 已达 水饱 和 状 态 ，且 内 、外 部 水压 力 已经 恒 定不 变 ，整个 加 压 过程 中对 所 有试 件 的处 理 时 间 都控 制 在 1 6 1 7 h以 内 ，忽 略 加压 时 间 对试 件 强 度 的 影 响 。然 后 对试 件 施 加 2 0 k N 的初 始 静 荷 载并 以 恒 定 位 移 速 率 控 制 ， 对 试 件 进 行单 调 加 载 直至 完 全 破 坏 。试 验 过 程 中 的 围压 、轴 向荷 载 和 轴 向位 移 由计算 机 自动 采集 并 实 时 图像 显示 。试 验 过程 中 围压 恒定 不 变 ，控制 精 度 为 0 0 0 1 MP a量 级 。为 保 证 数 据 的 准确 性 ，每 组 工 况 下 至少 采集 3组 有效 试 验数据 。 2 混凝土试验结果分析 2 1基 本 力学 参数 本 次 试 验 主 要 进 行 了 混 凝 土 材 料 在 不 同 围 压 ( 0、2、 5 MP a和 1 0 MP a ) 和 不 同 应 变 速 率( 1 0 、 1 0 - 4 、1 0 - 3 s和 1 0 - 2 s )下 的常 规 三 轴 单 调 压 缩试 验 ， 得 到 混 凝 土在 各 工 况下 的强 度 及 变形 值 。试验 结 果 见 表 1 。 2 1 1 强度 混 凝 土 的 峰 值 应 力 随加 载 速 率 的 增 加 而 增 大 ， 围 压 为0、2、5 MP a和 1 0 MP a时 ，最 大 增 幅 分 别 为 3 9 3 8 、8 5 9 1 、 1 1 8 2 4 和 9 6 9 8 ， 即 随 围 压 增大 混 凝 土 的率 敏感 性 呈 增 强 的趋 势 ；混 凝 土 的 表 1 不 同围压、不同应变速率下混凝土的基本 力学参数 峰值 应 力 随 围压 增 大 而 增 大 ，在 应 变 速 率 为 1 0 、 1 0 - 4 、 1 0 - 3 s和 1 0 - 2 s时 ，最 大 增 幅 分 别 为 3 0 2 6 、 4 3 0 9 、9 1 4 3 和 8 4 1 0 ，即 随 应 变速 率 的增 加 ， 混 凝 土 对 围 压 的 敏 感 性 呈 增 强 的趋 势 。 2 1 2 变形 混 凝 土 的 峰值 应 变 随加 载 速 率 的增 加 总 体 呈 增 大 的趋势 。围 压为 0、2 MP a时 ，增 大趋 势 不 明 显 ， 最 大 增 幅 分 别 为1 2 3 6 、 1 5 4 0 ： 围 压 为 5、 1 0 MP a时 ，增 大 的趋 势相 对 要 明显 得 多 ，最 大增 幅分 别 为 6 9 9 5 、4 8 1 8 ，即在相 对较 高 的 围压 下 ，混 凝 土 的 变形 随应 变 速率 增 大 要 明显 ：混 凝 土 的峰 值 应 变 总体 随 围压 增 大呈 先 增 大后 减 小 的趋 势 ，在 应 变速率 为 1 O 、1 0 、1 0 - 3 s和 1 0 - 时 ，最 大增 幅分 别 为 2 5 3 1 、4 4 8 5 、3 1 1 1 和 7 0 5 1 。 2 1 3 弹性模 量 本 文 以 混 凝 土 轴 心 抗 压 强 度 3 5 4 5 时 的 割 线 模 量 平 均 值 作 为 混 凝 土 的 弹 性 模 量 。 混 凝 土 的 弹 性 模 量 随加 载 速 率 的增 加 总 体 呈增 大 的趋势 ，围压 分 别 为 0、2、5 MP a和 1 0 MP a时 ，相 应 最 大 增 幅 分 别 为 8 4 8 5 、7 3 1 3 、3 6 5 6 和 6 1 9 7 ，即 随 围压增 大 ，弹性模 量 的率 敏感 性有 逐 渐 降低 的趋 势 ； 弹性模 量 随 围压 增 大变 化 趋 势并 不 明显 ，与 围压 的 相 关 性 较 小 。 2 1 4 吸能 能力 混 凝 土 的 吸能 能 力 一般 用 到 达 最 大应 力 前 的应 力 一 应 变 曲线 与应变 轴 围成 的面 积表示 ，大多 数试 验 结 果 都认 为 ，混凝 土 的 吸能 能力 随应 变 速率 的增 加 W a t e r P o w e r V o 1 4 0 N o 3 圜 而增 大l l 1 】 。但 具 体 增 加 多 少却 鲜 有 报 道 。计 算 公 式 如 下 s = U V = V J 。 o d e ( 1 ) ， F 一 式 中 ，S为 吸能能 力 ； 为单 位体 积 的能 量密 度 ；V 为体 积 ；o r 为 应力 ； 为应 变 ； 一 为 峰值 应变 。 混 凝 土 的 吸 能 能 力 随 应 变 速 率 的 增 大 而 增 大 围压 为 0、2、5 MP a和 1 0 MP a时 的 最 大 增 幅 分 别 为 7 1 3 2 、 1 0 0 9 8 、 3 3 1 3 8 和 2 8 4 0 7 ； 混 凝 土 的吸 能 能力 总 体 随 围压 的增 大 先 增加 后 减 小 ，应 变 速率 为 1 0 、1 0 - 4 、l O Ws和 1 0 Ws时 ，相 应最 大增 幅 为 1 9 4 5 、7 9 4 8 、1 0 0 1 6 和 1 0 8 5 3 。 2 2破 坏形 态 本 试 验 混 凝 土 破 坏 形 态 主 要 有 柱 状 压 坏 和 斜 剪 破 坏 2种( 见 图 1 ) 。破 坏 形态 随 应变 速 率及 围压 的 变 化 并 没有 表 现 出 明显 的差别 ，且 在 高应 变 速 率下 若 试件 最终 为斜 剪破 坏 ，可 听见 崩 裂 的声 响 。 一 a柱状破坏 b斜剪破 坏 图 1 混凝土试件的破坏形态 大 多 研 究 者 认 为 动 态 荷 载 作 用 下 的 混 凝 土 应 力 一 应 变 全 曲 线 具 有 很 好 的 相 似 性 ， 曲 线 的形 式 几 乎 不 变 。 本 试 验 测 得 混 凝 土 在 不 同 围 压 及 不 同 应 变 速 率下 的应 力一 应 变全 曲线 见 图 2 。 由 图 2可 知 ， 围压 为 0 MP a时 ，应 变 速 率 为 1 0 2 s的 应 力 一应 变 全 曲 线 与 其 他 3种 加 载 速 率 相 比 ， 强 度 和 弹 性 模 量 明 显 要 大 ； 围 压 为 2 MP a时 ， 应 力 一 应 变 曲 线 变 化 规 律 较 明 显 ， 随 应 变 速 率 的 增 大 混 凝 土 的 峰 值 应 力 、 峰 值 应 变 和 弹 性 模 量 都 增 大 ； 围压 为 5、 1 0 MP a时 ，应 力 一 应 变全 曲 线 总体 变 化 规 律 相 似 ，即 在 应 变 速 率 为 l 0 、 1 0 Ws时 。 混 凝 土 的强 度 、变形 、弹性 模 量 变化 不 大 ，在 应 变 速率 为 1 0 、1 0 2 s时 ，弹 性模 量 近 乎 相 同 ，应 力 和 变 形 随应 变 速 率 的增 大 而 增 大 ，且 较前 2种 应 变 速 率 变 化 更 明 显 。 3 结语 ( 1 )混 凝 土 的峰 值 应力 随应 变 速率 的增 大 而 增 大 ，随 围压 增 大其 率 敏 感 性 呈增 强 的趋 势 最 大 增 幅为 1 1 8 2 4 ；混凝 土 的峰 值 应 力 随 围 压 的 增 大 而 增 大 ，随应 变 速率 增 大 其 对 围压 的敏 感性 呈 增 强 的 趋 势 ，最 大 增 幅 为 9 1 4 3 。 圜Wa r e r P o e r V o 1 4 0 N o 3 0 2 4 6 8 1 0 e l 0 a围压为0V P a 0 2 4 6 8 1 0 1 旷 b围压为2MP a 7 O 2 。 1 0 e 1 0 c 围压为5IV IPa e l O 2 d围歪为I OMP a 图2不 同围压 、不 同应变速率下的应力一 应变全 曲线对 比 ( 2 )混 凝 土 的峰 值 应变 随应 变 速 率 的增 加 总体 呈 增 大 的 趋 势 ，且 在 相 对 较 高 围 压 下 变 化 幅 度 更 大 ，最 大增 幅 为 6 9 9 5 。 混 凝 土 的峰 值 应 变 总 体 随 围压 增 大 呈 先 增 大 后 减 小 的 趋 势 。最 大 增 幅 为 7 0 51 。 ( 3)混 凝 土 的弹性 模 量 随 应 变 速率 的增 大 总 体 呈 增大 的趋 势 ，最 大 增 幅为 8 4 8 5 ，随 围压 的增 大 变 化 并 不 明 显 ， 即 混 凝 土 的 弹 性 模( 下 转 第 8 9页 ) 国 0 旯5 | u 面 爿5j 删 子03 -3 ， 守： l uu u ， V l J 与 D ( 力U I司 强 t 口 匕 I 巨r 俣 拦廿 培 隼 J 1 a 盟 T 表 7 肋板 Mis e s应力对 比 MP a m m 以上 )建 设 成 为 可 能 ，在 国 内外 的 大 型 、 巨 型 电站 的建 设 中有 非 常广泛 的应 用前 景 。 参考 文献 ： 1 邱彬如 世界抽水蓄能 电站新发展 M 北京：中国电力 出版社 ， 2 0 0 6 2 邱彬如 高度重 视高水头钢筋混 凝土压力 管道的风 险 C 抽水 蓄能 电站工程建设文集 ，2 0 1 0 ： 1 1 5 - 1 2 3 3 顾 彦 顾灵 水工 隧洞 衬砌 混凝 土 裂缝 成 因分析 及控 制措 施 J 西北水 力发 电，2 0 0 4 ，2 0 ( 4 ) ： 5 5 5 7 4 赵瑞存 ，徐 跃明 ，等国产 高强钢板在 宝泉抽水 蓄能 电站 引水 高压钢管 中的应用 J 水力发电 ，2 0 0 8，3 4 ( 1 0 ) ： 9 5 9 7 5 胡木生 ，张伟平 ，靳红 泽 ，等 水 电站 压力钢 岔管水压试 验应 力测试 J 水力发电学报 2 0 1 0 ( 4 ) ： 1 8 6 1 9 0 6 蔡军 ，高 源涛 江苏宜兴抽水 蓄能 电站 引水钢 岔管压水试 验测 试 J 水力发电 ，2 0 0 9，3 5 ( 2 ) ： 8 3 8 6 (上 接 第 8 4页 )量 对 围压 的敏 感 性小 于对 应 变 速率 的 敏 感 性 。 ( 4)混 凝 土 的 吸能 能 力 随应 变 速 率 的增 大 而增 大 最 大 增 幅为 3 3 1 3 8 ；随 围压 增 大 呈 先 增 强 后 减 弱 的趋 势 ，但 总 体 呈 增 大 的趋 势 ，最 大 增 幅 为 1 08 5 3 参考文献 ： 1 闫东 明 混凝 土动态力 学性 能试验与理 论研究 D 大连 ：大连 理工大学 2 0 0 6 2 R O S S C A ， D A VI D M J ， J O S E P H W T ， e t a1 Mo i s t u r e a n d s t r a i n r a t e e f f e c t s o n c o n c r e t e s t r e n g t h J AC I Ma t e r i a l s J o u r n al，1 9 9 6 ， 9 3( 3) ：2 9 3 3 0 0 3 陈健 云 ，白卫峰 考虑 动态应变速 率效应 的混凝土单 轴拉伸 统 计损伤模型 J 岩石力学与工程学报 ，2 0 0 7 ，2 6 ( 8 ) ： 1 6 0 3 1 6 1 1 4 李庆斌 ，郑 丹 混凝 土动力 强度提高 的机理探讨 J 工程力学 ， 2 0 0 5 ，2 2 ( 增) ： 1 8 8 1 7 2 O O 5 自 。 1 0 2 O 2 5 吕 试验水压力 f P a l 3 5 7 9 l l 1 3 a观测点B2 一。 。” 试验水 压力 lV I P a b观测点B 6 _ I观测值+计 算值 图 4观测点 B 2和 B 6位移观测值 与计算值对 比 7 伍 鹤皋 ，汪艳 青 ，苏凯 ，等内加强 月牙 肋钢 岔管 水压 试验 J 武汉大学学报 ：工学版 ，2 0 0 8 ，4 1 ( 5 ) ： 3 5 3 9 8 张亚军 8 0 0 MP a级高强钢模型岔管的加工与焊接 J 水利 电力 机械 1 9 9 7 ( 1 ) ： 4 7 5 0 9 刘更新 ，王建华 ，译闸门钢管技术 标准 R 北京 ：北京 国电 水利电力工工程有 限公 司 ，2 0 0 9 1 0 D L T 5 1 4 1 2 o O 1 水 电站压力钢管设计 规范 s ( 责任编辑王琪) 5 杜守 来 ，李宗利 ，金 学洋 孔隙水压 对混凝 土抗压强度 影响 的 初 步研究 J 人 民长江 ，2 0 0 9 ，4 0 ( 3 ) ： 5 4 5 6 6 C AD O N I E ， L AB I B E S K ， AL B E R T I N I C ， e t a 1 S t r a i n r a t e e f f e c t o n t h e t e n s i l e b e h a v i o r o f c o n c r e t e a t d i f f e r e n t r e l a t i v e h u mi d i t y l e v e l s J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e ， 2 0 0 1 ， 3 4 ： 2 1 2 6 7 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 8 王海龙 李庆斌 不 同加 载速率下干燥 与饱 和混凝土抗压 性能 试验研究分析 J 水力发电学报 ，2 0 0 7，2 6 ( 1 ) ： 8 4 8 9 9 YA MAN 1 0 ， HE AR N N， A K T AN H M A c t i v e a n d n o n - a c t i v e p o 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 m e n t a l E v i d e n c e J Ma t e r i als a n d S t ru c t ur e s ， 2 0 0 2， 3 5 ：1 0 2 1 0 9 1 0 WA N G H L ， L I Q B E x p e ri me n t s o f t h e c o m p r e s s i v e u n d e r d i ff e r - e n t l o a d i n g r a t e s J J o u r n a l o f H y d r o e l e c t r i c p r o p e r t i e s o f d r y a n d s a t u r a t e d c o n c r e t e E n g i n e e r i n g ，2 0 0 7 ，2 6 ( 1 ) ： 8 4 8 9 1 1 肖诗云 ，林皋 ，王哲 ，等 应变率对混凝 土抗 拉特性影 响 J 大连理工大学学报 ，2 0 0 1 ，4 1 ( 6 ) ： 7 2 1 7 2 4 ( 责任 编辑杨健 ) W a t e r P o w e r V o 1 4 0 N o 3 囫