中間主應(yīng)力對塑性混凝土變形性能的影響研究

朱鵬， 陳杰， 顧洋

（1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 311122；2.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510610；3.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450046）

0 引言

普通混凝土防滲墻在解決工程滲漏問題中發(fā)揮了重要作用。工程實(shí)踐表明，由于其與周圍巖土體變形性能相差較大，致使工程運(yùn)行后易形成滲透隱患部位，有些工程甚至出現(xiàn)滲透破壞現(xiàn)象［1］。利用膨潤土替代普通混凝土中大部分水泥制作的塑性混凝土防滲墻克服了剛性混凝土墻的缺點(diǎn)，且塑性混凝土具有彈性模量低、極限變形大、易于泵送且不需振搗、凝固時間長、水泥用量大幅減少等特性，塑性混凝土防滲墻在防滲工程中已經(jīng)廣泛使用。目前的研究成果還不能清楚地揭示塑性混凝土防滲墻實(shí)際受力變形特征及破壞機(jī)理，已有的研究側(cè)重于其配合比的選定、單軸及常規(guī)三軸應(yīng)力下的力學(xué)性能。在單軸及較低圍壓下，塑性混凝土主要產(chǎn)生脆性破壞，而在較高圍壓下，則主要產(chǎn)生延性破壞；圍壓對其軸向應(yīng)變影響顯著，在單軸壓縮下立方體試件峰值應(yīng)變約為1%，而在較高圍壓下有時可達(dá)4%［2-4］。單軸及常規(guī)三軸壓縮下塑性混凝土軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系也得到了研究［5-9］。文獻(xiàn)［10］、［11］研究了真三軸應(yīng)力下塑性混凝土強(qiáng)度和擴(kuò)容。但是沒有深入研究中間主應(yīng)力對塑性混凝土軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線、體積變形及破壞特征的影響。為此，文中針對2組不同配合比的塑性混凝土，開展3～4種中間主應(yīng)力的真三軸試驗(yàn)，研究中間主應(yīng)力對塑性混凝土軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線、軸向應(yīng)變-體積應(yīng)變曲線及破壞特征的影響，重點(diǎn)研究中間主應(yīng)力對塑性混凝土軸向大變形性能、體積擴(kuò)容及破壞特征的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用2組配合比制作150mm×150mm×150mm立方體塑性混凝土試件，編號分別為P5-1和P6-1。P5-1的配合比為水：水泥：膨潤土：黏土：砂：碎石：減水劑=360：220：110：150：630：630：4.4，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d后，測的試件單軸抗壓強(qiáng)度為5.8MPa。P6-1的配合比為水：水泥：膨潤土：黏土：砂：碎石：減水劑=360：240：100：175：615：615：4.8，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d后，測的試件單軸抗壓強(qiáng)度為6.7MPa。作為對比，塑性混凝土真三軸試驗(yàn)中最小主應(yīng)力σ3分別為0.4MPa和0.8MPa，中間主應(yīng)力σ2設(shè)置了3～4個級別，具體的配合比見和側(cè)向壓力值見表1。

表1 塑性混凝土配合比和真三軸試驗(yàn)側(cè)向壓力值

1.2 試驗(yàn)步驟

真三軸試驗(yàn)前對養(yǎng)護(hù)好的試件進(jìn)行檢查和分組，按照設(shè)計(jì)的應(yīng)力水平開展試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中先在3個方向施加最小主應(yīng)力σ3，然后保持一個方向應(yīng)力恒定，在其他兩個方向增大設(shè)定的中間主應(yīng)力值σ2，之后保持最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力不變，在最后一個方向施加荷載，直至試件發(fā)生破壞。試驗(yàn)過程中，通過電子位移傳感器，實(shí)時量測試件在3個方向的變形，并對試件破壞后的形態(tài)進(jìn)行描述。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)中間主應(yīng)力對塑性混凝土的變形性能有較大的影響，下面分別從軸向應(yīng)變、體應(yīng)變和破壞特征進(jìn)行說明。

2.1 中間主應(yīng)力對軸向應(yīng)變的影響

不同中間主應(yīng)力作用下塑性混凝土的軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖1和圖2所示。從圖中可以看出，在相同的最小主應(yīng)力下，隨著中間主應(yīng)力σ2的增大，2組不同配合比的試件的峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變均呈增大趨勢，試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線具有相似的特征。在最小主應(yīng)力為0.4MPa時，應(yīng)力應(yīng)變曲線在峰值前近似為直線，且隨著中間主應(yīng)力的增大，切線模量有增大的趨勢；但在最小主應(yīng)力為0.8MPa時，2組試件在峰前均表現(xiàn)出較明顯的壓密階段，且隨著中間主應(yīng)力的增大，壓密階段越加明顯。

圖1 P5-1塑性混凝土軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2 P6-1塑性混凝土軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在試件達(dá)到峰值后，隨著中間主應(yīng)力的增大，試件存在從應(yīng)變軟化向應(yīng)變硬化轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，出現(xiàn)近似水平的階段越來越明顯。說明中間主應(yīng)力的增大，限制了試件的側(cè)向變形，提高了試件的延性特性。如P5-1塑性混凝土，當(dāng)σ3=0.8MPa，隨著σ2從0.8MPa增加至1.0、1.6、2.0MPa，其峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變均增加，近似水平的直線段長度也增加，如在最小和中間主應(yīng)力為（0.8MPa、1.0MPa）和（0.8MPa、1.6MPa）下，其近似水平直線段的長度分別為4.4%和5.8%。

2.2 中間主應(yīng)力對體積應(yīng)變的影響

中間主應(yīng)力對試件的體積應(yīng)變也有較明顯的影響，不同中間主應(yīng)力作用下軸向應(yīng)變-體應(yīng)變曲線如圖3和圖4。從圖中可以看出，試件軸向應(yīng)變-體應(yīng)變曲線具有相似的分布特征，曲線總體表現(xiàn)為3個階段，初始上升段、近似直線上升段和曲線下降段，且曲線具有明顯的峰值點(diǎn)。對于相同配合比的塑性混凝土，當(dāng)σ3相同時，隨著σ2的逐漸增大，軸向應(yīng)變-體應(yīng)變曲線發(fā)生顯著變化，表現(xiàn)為曲線整體向上抬升，峰值點(diǎn)的軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變增大，但上升段的曲線斜率變化很小，曲線形態(tài)基本相同，下降段曲線變得平緩。說明隨著中間主應(yīng)力的增大，試件整體的軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變都增大，且增大的幅度近似相同。通過曲線先上升后下降的形態(tài)，說明側(cè)向變形的規(guī)律，在加載初期，體積應(yīng)變隨著軸向應(yīng)變的增大而增大，側(cè)向變形對體積變形影響較小，側(cè)向約束作用明顯，但隨著軸向變形的增大，在達(dá)到某時刻，體積應(yīng)變反而出現(xiàn)減小，說明此時側(cè)向變形顯著的減小，試件整體的體應(yīng)變出現(xiàn)，說明此時試樣側(cè)向約束作用降低。

圖3 P5-1塑性混凝土軸向應(yīng)變-體應(yīng)變曲線

圖4 P6-1塑性混凝土軸向應(yīng)變-體應(yīng)變曲線

2.3 中間主應(yīng)力對體積變形模量的影響

兩組塑性混凝土在不同側(cè)壓下的平均應(yīng)力-體應(yīng)變εv曲線σm=（σ1+σ2+σ3）/3見圖5和圖6。結(jié)果表明對于相同配合比的塑性混凝土，當(dāng)最小主應(yīng)力相同時，在不同中間主應(yīng)力作用下，其平均應(yīng)力-體應(yīng)變曲線具有類似的分布特征，曲線可分為4個階段，即初始上升段、近似直線上升段、曲線上升段和下降段。例如小主應(yīng)力σ3為0.4MPa，中主應(yīng)力σ2為0.6MPa的情況，在加載初期0A段，體應(yīng)變平均應(yīng)力隨著體應(yīng)變的增大逐漸增大，表現(xiàn)為初始上升趨勢，隨著平均應(yīng)力的進(jìn)一步增大，體積應(yīng)變隨著平均應(yīng)力近似線性增長，表現(xiàn)為AB段，而在B點(diǎn)之后，體應(yīng)變隨著平均應(yīng)力增長速度變緩，表現(xiàn)為BC段的曲線上升，在C點(diǎn)體應(yīng)變達(dá)到最大值，之后體應(yīng)變隨著平均應(yīng)力的減小而逐漸減小。從圖中也可以看出，隨著中間主應(yīng)力的增大，平均應(yīng)力-體應(yīng)變曲線分布形態(tài)類似，直線上升段的斜率幾乎不發(fā)生變化。即隨著中間主應(yīng)力增加，塑性混凝土體積彈性模量幾乎不變，但平均應(yīng)力和最大體積壓縮應(yīng)變增加，其抗裂能力增加。

圖5 P5-1塑性混凝土平均應(yīng)力-體應(yīng)變曲線

圖6 P6-1塑性混凝土平均應(yīng)力-體應(yīng)變曲線

2.4 中間主應(yīng)力對破壞特征的影響

在中間主應(yīng)力恒定的真三軸壓縮試驗(yàn)條件下，塑性混凝土立方體試件典型變形破壞過程可分為2個階段，即前期體積壓縮和后期體積膨脹，并伴隨豎向裂紋與剪切裂縫先后產(chǎn)生及發(fā)展。試驗(yàn)前期，軸向與側(cè)向均受壓產(chǎn)生壓縮變形，試件體積減小；隨著軸向持續(xù)加載，其軸向一直產(chǎn)生壓縮變形，而側(cè)向先壓縮后膨脹，當(dāng)側(cè)向膨脹變形速率大于軸向變形速率時，試件體積壓縮量最小，之后體積開始膨脹，這時出現(xiàn)幾乎平行于最大主應(yīng)力方向的裂紋，如圖7（a）所示。隨著軸向荷載繼續(xù)增加，豎向裂紋數(shù)目和寬度逐漸增加，但達(dá)到一定階段后，豎向裂紋發(fā)展逐漸減弱而剪切裂縫開始形成并不斷發(fā)展，且剪切裂縫主要位于最小主應(yīng)力的作用方向。當(dāng)側(cè)壓相等時，4個側(cè)面均出現(xiàn)剪切裂縫，隨著中間主應(yīng)力與最小主應(yīng)力差值增大，剪切面向最小主應(yīng)力作用下方向轉(zhuǎn)移，且兩者差值越大，該特征越明顯，圖7（b）為真三軸壓縮下不同側(cè)壓下塑性混凝土的破壞特征。

圖7 不同側(cè)壓下塑性混凝土的破壞特征

3 結(jié)語

通過開展兩種配合塑性混凝土的真三軸試驗(yàn)，研究了中間主應(yīng)力對塑性混凝土變形性能的影響，主要結(jié)論如下：

（1）在側(cè)向壓力恒定的真三軸壓縮試驗(yàn)中，中間主應(yīng)力對塑性混凝土軸向變形、體積變形和應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響較為顯著。在最小主應(yīng)力恒定條件下，隨著中間主應(yīng)力的增加，塑性混凝土軸向峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、體積最大壓縮量和應(yīng)力-應(yīng)變曲線延性段的長度均有明顯增加，增加了其延性變形能力和抗裂性能，但對峰值前的變形模量和體積變形模量影響較小。

（2）在側(cè)向壓力恒定的真三軸壓縮試驗(yàn)下，塑性混凝土的變形破壞過程可分為前期體積壓縮和后期體積膨脹兩個階段；中間主應(yīng)力影響試件破壞的特征，其破壞面主要出現(xiàn)在最小主應(yīng)力方向，且隨著中間主應(yīng)力與最小主應(yīng)力差值增大，破壞特征就越明顯。