基于細(xì)觀建模的堆石混凝土抗壓試驗(yàn)的數(shù)值模擬*

李革，王彪，田志昌

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

堆石混凝土技術(shù)施工工藝簡(jiǎn)單、施工速度快、施工質(zhì)量容易得到保證，具有顯著的環(huán)境優(yōu)勢(shì).在堆石混凝土出現(xiàn)起始就普遍運(yùn)用于水利工程，主要用于大壩的大體積混凝土施工方面[1].很多學(xué)者對(duì)堆石混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能與實(shí)際工程用途進(jìn)行了探討研究.

目前，對(duì)于堆石混凝土的試驗(yàn)研究由于受試驗(yàn)設(shè)備的限制存在比較大的困難，而數(shù)值模擬卻不受試驗(yàn)設(shè)備的限制，因此成為研究堆石混凝土力學(xué)性能的一個(gè)重要手段.在數(shù)值模擬方面，方秦等[2]提出了基于隨機(jī)算法的堆石混凝土三維力學(xué)模型建模方法，考慮塊石粒徑的不同，通過(guò)隨機(jī)的三維凸多面體模擬堆石塊體顆粒；提出重力與振動(dòng)相結(jié)合的堆積密實(shí)算法，形成滿(mǎn)足堆石混凝土堆石率要求且堆石體顆粒間充分接觸的傳力骨架.鐘文等[3]則采用顆粒離散元法對(duì)堆石混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了模擬.基于此，本文借助LS-DYNA在沖擊方面優(yōu)秀的計(jì)算能力，對(duì)堆石混凝土的抗壓試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，尤其是計(jì)算了堆石混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，能夠清晰的了解堆石混凝土更深層次的力學(xué)特征.

1 堆石混凝土的建模方法

首先，在MATLAB中通過(guò)Rand命令,在特定半徑球體的表面均勻生成20個(gè)隨機(jī)點(diǎn),進(jìn)行連接生成多面體骨料.將骨料導(dǎo)入Workbench使堆石之間相切形成受力骨架.利用SCDM中的外殼功能，在堆石體外圍形成一個(gè)外殼，在后續(xù)計(jì)算中將這個(gè)外殼的材料屬性定義為自密實(shí)混凝土，這樣自密實(shí)混凝土將包裹堆石體并填充到堆石之間的空隙，從而形成堆石混凝土的幾何模型.由于在實(shí)際工程試驗(yàn)當(dāng)中，由于堆石混凝土體積較大，往往用切割機(jī)切割成一定邊長(zhǎng)的試塊，對(duì)其進(jìn)行性能試驗(yàn).規(guī)范[4]中規(guī)定，當(dāng)堆石粒徑不大于200 mm時(shí)，堆石混凝土抗壓試件的邊長(zhǎng)為600 mm的立方體.所以本文將模型切割成邊長(zhǎng)為600 mm的立方體，堆石粒徑為200 mm，試件模型如圖1，2所示.

1.1 模型參數(shù)的設(shè)置

模擬分析采用ANSYS/LS-DYNA軟件，單元選Solid164單元.堆石采用塑性隨動(dòng)強(qiáng)化模型*Mat plastic kinematic.自密實(shí)混凝土采用JHC模型[5]，即*Mat johnson holmquist concrete，該模型在高速撞擊和侵蝕條件下能夠較好的模擬混凝土的受損狀況.具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1，2.

圖1 堆石模型

圖2 堆石混凝土模型

接觸設(shè)置中，由于堆石之間形成穩(wěn)定的支撐體系，接觸面積較小，所以堆石之間使用自動(dòng)面面接觸*Contact automatic surface to surface，靜摩擦系數(shù)0.5.而自密實(shí)混凝土與堆石之間由于接觸面積很大且形成緊密的接觸，接觸力對(duì)結(jié)果的影響較大，所以考慮采用固連失效接觸*Contact tide surface to surface failure，該接觸在初始時(shí)刻類(lèi)似于綁定接觸，而在應(yīng)力達(dá)到一定值后，接觸即失效，接觸失效時(shí)法向應(yīng)力和切向應(yīng)力的關(guān)系為：

式中：σnormal為法向接觸應(yīng)力，Pa；σshear為切向接觸應(yīng)力，Pa；FS為法向失效應(yīng)力，Pa；FD為切向失效應(yīng)力，Pa；當(dāng)法向接觸應(yīng)力和切向接觸應(yīng)力滿(mǎn)足上式時(shí)，接觸失效.

1.2 施加位移荷載

在模型下方設(shè)定固定約束，而上方施加位移荷載.

應(yīng)變率為10 s-1時(shí)，加載時(shí)間0.008 30 s，位移為0.05 m；應(yīng)變率為20 s-1時(shí)，加載時(shí)間0.004 17 s，位移為0.05 m；應(yīng)變率為30 s-1時(shí)，加載時(shí)間0.002 78 s，位移為0.05 m.

表1 堆石參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 試件的破壞形態(tài)

以應(yīng)變率為30 s-1時(shí)為例,破壞形式如圖3，4所示.由破壞圖可知，整體破壞位置主要發(fā)生在頂面，底面較為完整，在頂面上首先破壞的是石塊，砂漿后于石塊破壞.

其中石塊和砂漿的準(zhǔn)靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度均為40 MPa.石塊首先發(fā)生破壞的原因是石頭的脆性高于自密實(shí)混凝土，在沖擊破壞下首先破壞.

圖3 應(yīng)變率30 s-1、時(shí)刻0.07 ms試件的破壞形態(tài)

圖4 應(yīng)變率30 s-1、時(shí)刻0.2 ms試件的破壞形態(tài)

2.2 界面不同粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

清華大學(xué)的鐘文等[6]，對(duì)自密實(shí)混凝土與堆石之間的粘結(jié)力進(jìn)行研究得出，膠結(jié)面強(qiáng)度小于自密實(shí)混凝土強(qiáng)度.本文通過(guò)改變法向應(yīng)力的失效值FS和切向應(yīng)力的失效值FD來(lái)模擬砂漿和堆石的界面結(jié)合強(qiáng)度，自密實(shí)混凝土與堆石之間的界面結(jié)合強(qiáng)度由低到高分別取為粘結(jié)強(qiáng)度1(FS=10 MPa，F(xiàn)D=2 MPa)，粘結(jié)強(qiáng)度2(FS=15 MPa，F(xiàn)D=3 MPa)，粘結(jié)強(qiáng)度3(FS=20 MPa，F(xiàn)D=4 MPa)，粘結(jié)強(qiáng)度4(FS=25 MPa，F(xiàn)D=5 MPa).圖5至圖7為試件在不同應(yīng)變率和不同界面粘結(jié)強(qiáng)度下，試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線，其中曲線的最高點(diǎn)代表堆石混凝土的抗壓強(qiáng)度.表3為不同應(yīng)變率和不同界面粘結(jié)強(qiáng)度下，堆石混凝土的抗壓強(qiáng)度.

表3 堆石混凝土的抗壓強(qiáng)度

圖5 應(yīng)變率10 s-1的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖6 應(yīng)變率20 s-1時(shí)試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖7 應(yīng)變率30 s-1時(shí)試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖5至圖7及表3可知，堆石與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)軸壓強(qiáng)度的有影響，總體上講，隨著粘結(jié)強(qiáng)度的增大，堆石混凝土的抗壓強(qiáng)度也在增大，但增加的幅度有限.以應(yīng)變率10 s-1為例，粘結(jié)強(qiáng)度4時(shí)相比粘結(jié)強(qiáng)度1時(shí)，抗壓強(qiáng)度增幅為7.8%.

2.3 應(yīng)變率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

由圖8可知，應(yīng)變率對(duì)軸壓強(qiáng)度的影響很大，總體上講，隨著應(yīng)變率的增大，堆石混凝土的抗壓強(qiáng)度也在增大，而且增加的幅度較大.以粘結(jié)強(qiáng)度1為例，應(yīng)變率為30 s-1.相比應(yīng)變率為10 s-1時(shí)抗壓強(qiáng)度增幅為185.5%.因此，應(yīng)變率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響是明顯的.

圖8 粘結(jié)強(qiáng)度1時(shí)試件的應(yīng)力時(shí)間曲線

3 結(jié)論

堆石混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增大而增大，且隨著粘結(jié)強(qiáng)度的增大而增大，但是堆石混凝土對(duì)應(yīng)變率的敏感性較高，對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的敏感性較低.但仍然可以通過(guò)堆石與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度來(lái)提高堆石混凝土的抗壓強(qiáng)度.