低弹模混凝土受压破坏型式试验研究.pdf

第3 5卷第9 期 2 0 1 3年 9月 人民黄河 Y EL L O W R I VE R Vo 1 3 5 No 9 S e p ， 2 01 3 【 水利水 电工 程 】 低弹模混凝土受压破坏型式试验研究 郑敏 生 ， 马 晓华 ， 苏玉杰 ， 梁国钱 ( 1 浙江省水利河 口研究院 浙江省水利 防灾减 灾重点实验 室， 浙江 杭州 3 1 0 0 2 0 ； 2 浙江绩 丰岩土技术股份有限公司 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 1 3 ) 摘要： 为了检验土石坝中低弹模混凝土防渗墙采用第一强度理论设计的适宜性， 通过三轴试验机施加不同的围压对低 弹模混凝土进行压缩破坏型式试验研究。研究表明： 低弹模混凝土单轴抗压破坏型式为压碎型， 符合第一强度理论 ； 施 加一定围压后抗压破坏型式为剪切型， 符合摩尔一库仑强度理论。在土石坝工程中， 由于防渗墙两侧存在土体的侧压力 作用， 因此对低弹模混凝土防渗墙采用摩尔一库仑强度准则进行设计更加符合实际工程情况， 但采用第一强度理论进行 设计 ， 其极 限强度会低 于实际的承载力 ， 对工程 来说是偏 于安全的 ， 同样也是适 宜的。 关键词 ：水工材料 ；破 坏型式 ；三轴压缩试验 ；低弹模混凝土 ；土石坝 中图分类号：T V 5 4 3 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 3 0 9 0 3 7 Ex p e r i me nt a l S t ud y o n Co mp r e s s i v e Fa i l ur e Ty pe o f Lo w El a s t i c M o d ul us Co n c r e t e ZHENG Mi n s h e n g ，MA X i a o h u a ， ， S U N Y u j i e ，L I A N G G U O q i a n ( 1 K e y L a b o r a t o r y o f D i s a s t e r P r e v e n t i o n a n d R e d u c t i o n ，Z h e j i a n g I n s t i t u t e o f H y d r a u l i c sE s t u a r y ，H a n g z h o u 3 1 0 0 2 0， C h i n a ； 2 Z h e j i a n g Ge o f o r e G e o t e c h n i e a l E n g i n e e ri n g C o L t d， Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：I n o r d e r t o e x a mi n e t h e a p p l i c a b i l i t y o f t h e fir s t s t r e n g t h t h e o r y b e i n g u s e d t o t h e d e s i g n o f t h e l o w e l a s t i c mo d u l u s c o n c r e t e c u t o ff wa l l i n e a r t h r o c k f i l l d a m，t h e c o mp r e s s i v e f a i l u r e t e s t o f l o w e l a s t i c mo d u l u s c o n c r e t e u n d e r c o n fin i n g p r e s s u r e i mp o s e d b y t r i a x i a l t e s t i n g ma c h i n e we r e c a r r i e d o u t i n l h i s p a pe r T h e r e s u l t s h o ws t ha t t h e un i L x i a l c o mp r e s s i v e f a i l u r e o f l o w e l a s t i c mo d u l u s c o n c r e t e i s c r u s h i n g f a i l u r e，wh i c h c o n f o n T i s t o t h e fir s t s t r e n g t h t h e o r y Be s i d e s，b e i n g p r e s s e d b y a c e r t a i n p r e s s u r e ，t h e c o mp r e s s i v e f a i l u r e i s s h e a r f a i l u r e a n d s a t i s fi e s t h e Mo r e Co u l o mb s t r e n g t h t h e o ryT h u s ，i n t h e d e s i g n o f l o w e l a s t i c mo d u l u s c o n c r e t e c u t o ff w a l l u n d e r l a t e r a l p r e s s u r e o f t h e s o i l ，t h e Mo r e - C o u l o mb s t r e n g t h t h e o ry i s mo r e c l o s e t o t h e p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g t h a n t h e fi rst s t r e n gth t h e o ryW h e n d e s i g n i n g b y t h e fi r s t s t r e n gth t h e o ry ，t h e u l t i ma t e s t r e n gth o f t h e l o w e l a s t i c mo d u l u s c o n c r e t e i s l o we r t h a n t h e a c t u a l b e a r i n g c a p a c i t y a n d i t i s s a f e f o r e n g i n e e rin g Ke y wo r d s：h y d r a u l i c ma t e ria l ；f a i l u r e t y p e；t r i a x i a l c o mp r e s s i o n t e s t ；l o w e l a s t i c mo d u l u s c o n c r e t e；e a r t h r o c k fil l d a m 混凝土防渗墙在水利工程中有着广泛的应用 ， 防渗墙的混 凝 土材料按其弹性模量 不 同， 可 分 为普通 昆凝 土 、 塑 性混 凝土 和低弹模混凝土。由于普通混凝土弹模与土石坝坝体填筑土 料的弹模相差甚大， 因此很少用于坝体防渗， 常用于透水地基 的防渗。2 0世纪 5 0年代末， 国外通过对普通混凝土掺加一定 数量的膨润土或黏土来取代部分水泥， 大大降低 了弹模( 弹模 一 般小于 2 0 0 0 MP a ， 抗压 强度低 于 5 MP a ) ， 出现了 塑性混凝 土 ， 并应用 于坝体 防渗。2 1 世 纪初 研究人员在塑性混凝土的基 础上， 对其配合 比进行优化， 增加了水泥的掺量， 提高了其强度 与耐久性， 提 出了低弹模混凝土 C 弹模一般为 2 0 0 06 0 0 0 MP a ， 抗压强度为5l 2 MP a ) ， 已将其应用于土石坝防渗。普 通混凝土应用 时间较长 ， 众多学者深入研 究其受 力特性后提 出 了线弹性模型 、 弹性非线性模型 - 6 j 、 弹塑性模型 和其他 力学本构模型( 损伤模型、 断裂模型和内时理论等) ， 但低 弹模混凝土是一种新型材料， 关于其受力特性的研究很少。笔 者通过三轴压缩试验， 施加不同的围压， 进行了无侧限和三轴 压缩试验 ， 研究了低弹模混凝土的受压破坏型式。 1 试验方案 设计了 弹模分别为 2 0 0 03 0 0 0 、 3 0 0 04 0 0 0 、 5 0 0 0 6 0 0 0 MP a的三组试样， 配合比见表 1 。试样为直径 1 5 0 mm、 高 3 0 0 mm的圆柱体。试样 拆模后进行标准养护 ( 温 度( 2 0 3 ) ， 相对湿 度大于 9 5 ) 至 2 8 d 。 表 1 低弹模混凝土试样 配合 比 试样组 水胶 膨润砂率 l, D n 编号 比 II 剂 材料用量 ( k g m- 3 ) 水 水泥 2 3 8 2 7 5 2 3 8 2 3 8 2 3 9 2 2 2 砂 石子 膨润土 外加剂 2 8 d 弹模 MP 8 Al O 6 5 2 5 4 4 1 O A 2 0 7 0 3 0 4 5 1 0 A 3 0 7 0 3 5 4 5 1 O 9 2 3 6 6 2 5 3 6 0 l 0 2 3 4 0 0 3 8 9 0 l 1 9 3 4 1 0 2 7 7 0 收稿日期 ： 2 0 1 3 0 5 - 2 4 基金项 目： 浙江省 重大科 技专项 ( 2 0 0 8 c l 3 O 4 o一 2 ) ； 浙江省重 大水利科技计 划 项 目( R A O 9 O1 ) 。 作者简介： 郑敏生( 1 9 6 5 一) ， 男， 浙江临海人， 高级工程师， 主要从事水利工程 安全评价与除险加固技 术的应用研 究工作。 E m a i l ：s k y z ms 1 2 6 c o rn l 1 1 9 8 7 9 9 9 咖 人 民 黄 河2 0 1 3年第 9期 1 7 M P a ， 值为 1 6 。 4 0 。 。 4 O 3 0 重 2 0 l 0 O l 0 Z 0 30 40 5 0 6 0 7 0 棚闻 h 图 1 1 A 3三轴试验破坏时摩尔圆及强度包络线 混凝土防渗墙的设计常采用第一强度理论， 认为当某一单 元最大主应力 u r 达到无侧限极限强度 q 。 时， 该单元破坏， 即属 于受压破坏。摩尔 一 库仑理论认为某单元达到最大主应力 ： 时， 该单元破坏 ， 属于剪切破坏， 即 =o r 3 t a n ( 4 5 。 + ) q 二 土石坝中的混凝土防渗墙在实际运行过程中会受到墙体 两侧土体的侧向压力作用 ， 采用第一强度理论得出的单轴强度 低于防渗墙实际承载力； 采用摩尔 一库仑强度理论， 考虑侧向 土压力的作用得出的强度更加符合工程实际。 基于上述情况， 在低弹模混凝土防渗墙的设计 中， 若采用 摩尔 库仑强度准则， 则充分利用了防渗墙的承载能力； 若采 用第一强度理论 ， 则好比给防渗墙的实际承载能力提供了一定 的安全储备， 这对于实际工程来说是偏于安全的， 也是适宜的。 3 结论 弹模介于2 0 0 06 0 0 0 MP a的低弹模混凝土三轴压缩试 验表 明： ( 1 ) 低弹模混凝土在无侧限状态下受压破坏型式为压碎 型， 符合第一强度理论； 施加不同围压的条件下， 破坏型式为塑 性剪切型， 符合摩尔 一库仑强度准则。 ( 2 ) 低弹模混凝土在无侧限条件下， 其受压变形的应力应 变关 系基本 上属于线性 关系 ； 在施加 围压后 ， 其应力 应变关 系 表现为一定的非线性关系。施加围压可提高低弹模混凝土的 极限强度和极 限变形能力 。 ( 3 ) 侧向土压力的作用可提高低弹模混凝土防渗墙实际承 载力， 采用摩尔 一库仑强度理论进行设计 比较符合工程实际。 但采用第一强度理论进行防渗墙设计时折减了防渗墙实际承载 力， 对于实际工程而言， 留有一定的余地也是适宜的。 参考文献 ： 1 过镇海 混凝土的强度和变形试验基础和本构关系 M 北京： 清华大学出 版社， 1 9 9 7 2 过镇海 钢筋混凝土原理 M 北京： 清华大学出版社， 1 9 9 9 3 C h e n W F P l a s t i c i t y i n R e i n f o r c e d C o n c r e t e M N e w Y o r k ： M c G r a wH i ll Bo o k Co mp an y，1 9 92 4 沈聚敏， 王传志， 江见鲸 钢筋混凝土有限元与板壳极限分析 M 北京： 清 华大学出版社， 1 9 9 3 5 O tt o s e n N S C o n s t i t u t i v e M o d e l fo r S h o - T i m e L o a d i n g o f C o n c r e t e J J o u r - n a l o f En g i n e e ri n gMe c h a n i c s ，1 9 7 9，l 0 5 ( 1 )：l 2 7一l 4 1 f 6 1 Da r w i n D。P e c k n o l d D AN o n l i n e a r B i a x i a l S t r e S g - S t r a i n L a w for C o n c r e te J J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g Me c h a n ic s ， 1 9 7 7 ， 1 0 3 ( 2 ) ： 2 2 9 2 4 1 7 D o u g i l l J wO n S t a b l e P r o g r e s s iv e l y F r a c t u e in g S o l id s J Z A A MP ，1 9 7 6 ， 2 7： 4 3 24 3 7 8 江见鲸 钢筋混凝土结构非线性有限元分析 M 西安： 陕西科学技_术出版 社 ， 1 9 9 4 9 Lola n d K E C o n t i n u o u s D a m a g e M o d e l f o r L 0 a d R e s p o n s e E s t im a t i o n n f C o n c L e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e a r c h ， 1 9 8 0 。 1 0 ： 3 9 5 4 0 2 1 0 B a z a n t Z P M i c r o p la n e M o d e l f o r P r o g r e s s i v e F r a c t u r e o f C o n c r e t e a n d R o c k J J o u rn a l o f E n g in e e ri n g M e c h a n i c s ， 1 9 8 5 ， I I I ( 4 ) ： 5 5 9 5 8 2 1 I M a z a r s J ，P i j a u d i e r C a b o t G C o n ti n u o u s D a m a g e T h e o r yA p p l i c a ti o n t o C o n c r e l e J J o u r n a l o f E n g i n e e ri n g M e c h a n i c s ， 1 9 8 9 ， l 1 5 ( 2 ) ： 3 4 5 3 6 5 1 2 张盛东 混凝土损伤本构关系的研究 D 哈尔滨： 哈尔滨建筑大学， 1 9 9 7 1 3 余天庆， 钱济成 损伤力学及其应用 M】 北京： 国防工业出版社， 1 9 9 3 1 4 李杰， 吴建营 混凝土弹塑性损伤本构模型研究 1 ： 基本公式 J 土木工程 学报， 2 0 0 5 ， 3 8 ( 9 ) ： 1 4 2 0 【 责任编辑张华岩】 在 F r 1 条件下， 当k 0，水 深 增 加 ； 在 条 件 下 ，当 ，水 深 增 加 ； 当矗： g A 3 (砀 K _22 - 时 ， ： 。， 水 深不 变 ； 当 竺 磬时 ， 0 ， 水深减小。 特殊的， 对于棱柱体渠道， _0 A： 0 。 5 结语 针对明渠恒定渐变流的水面变化问题， 根据水力学能量方 程 ， 建立明渠恒定渐变流的微分方程 ， 并推导出水位及水深的 沿程变化微分方程式 ， 得出明渠恒定渐变流在缓流和急流状态 下的水位及水深变化规律。在河渠参数已知的情况下 ， 可由以 上分析得到河渠水面变化规律； 在河渠的设计过程中， 也可以 通过对河渠参数进行控制使水面线变化规律满足设计要求。 参考文献 ： 1 刘洋 几种水面线推算方法的比较 J 人民黄河， 2 0 1 1 ， 3 3 ( 2 ) ： 5 1 5 3 2 田凤军， 姬忠光， 刘玉霞 江河水面线计算中的若干问题探讨 J 黑龙江水 利科 技 ， 1 9 9 9 ( 2 ) ： 4 1 4 3 3 雷丰泽， 史香玲 水面线计算在堤防工程设计中的总结分析 J 中国水运， 2 0 0 7 ， 5( 6) ： 8 38 4 4 黄佑生， 顾令字 一种新的水面线计算方法 J 水利水电科技进展， 2 0 0 3 ， 2 3 ( 3) ： 3 13 3 5 吕宏兴， 裴国霞， 杨玲霞 水力学 M 北京： 中国农业出版社， 2 0 0 5 6 吴持恭 水力学 M 北京： 高等教育出版社， 2 0 0 8 【 责任编辑张华岩】 l 1 3