基于離散元仿真的透水混凝土受力性能試驗

徐紅 李守明

（臨沂市公路事業發展中心臨沭縣中心，山東 臨沂 276700）

0 引言

離散元法由美國學者Cundall P.A在1971年率先建立[1]，即最初的離散元程序。1978年，Cundall和Strack聯合編寫了ball程序[2]，此程序可有效用于對顆粒介質力學行為的模擬。張科芬采用PFC等離散元方法研究巖土材料的顆粒破碎，表明建立的三維顆粒破碎模型能夠很好地描述破碎顆粒材料的壓縮特性[3]。本文從骨料表面包裹的水泥漿層厚度方面著手，研究透水混凝土在不同孔隙率下的離散元參數標定問題。

1 離散元基本理論

二維離散元軟件PFC2D提供了兩種可模擬透水混凝土黏彈性力學性質的模型，分別為平行黏結模型和接觸黏結模型，如圖1所示。

圖1 接觸黏結模型和平行黏結模型

接觸黏結模型假定接觸力發生于更小的范圍內，所描述的是點接觸的黏結情況。平行黏結模型假定黏結發生在接觸顆粒單元間圓形或方形的有限尺寸內，接觸黏結模型假定接觸力發生于更小的范圍內。透水混凝土顆粒間接觸特點為水泥漿填充于粗顆粒之間，相互作用的顆粒接觸特點使用平行黏結模型比較合理。

2 透水混凝土顆粒間黏結參數確定

2.1 透水混凝土顆粒拉拔試驗

粗骨料顆粒選擇人工制作的圓柱體試件。其取芯半徑為5cm，用切割機切成長為2.5cm的圓餅。通過水泥漿把圓餅狀巖石黏結在一起。在控制水泥漿層厚度方面，通過控制塑料墊片的厚度，如圖2所示，分別得到1mm、1.2mm、1.4mm厚度的水泥漿。

圖2 骨料黏結拉拔試件

此次試驗采用量程50kN的MTS電子萬能試驗機，導出試驗數據并優化處理，繪制彈性階段應力應變曲線。

2.2 基于骨料拉拔試驗的離散元顆粒黏結參數確定

2.2.1 拉拔試驗仿真模型

按照實際室內試驗試件尺寸生成相對應的離散元模型。將顆粒分為三組，并指定接觸模型。上下兩組賦予較大的接觸參數，整體視作粗骨料顆粒。中間一組賦予相對較小的接觸參數，視作水泥漿。加載破壞后的試件模型如圖3所示。

2.2.2 離散元細觀參數區間確定方法

對于水泥膠凝材料，仿真模擬時可選擇平行黏結模型，建模需要標定的主要參數如表1所示。

表1 拉伸試驗預標定參數

采用試錯法標定細觀參數。即首先確定一組初始參數，然后調整單一參數，觀察這個參數對于模擬結果的影響，并在此基礎上開展多次試錯調整，最終確定合適參數。分別選取1mm、1.2mm和1.4mm厚度水泥漿的參數區間，最終得到3種水泥漿厚度的參數選取區間，如表2所示。

表2 水泥漿厚度的參數選取區間

3 透水混凝土抗壓特性離散元仿真

3.1 透水混凝土室內抗壓試驗

試驗選取骨料級配為：2.36mm至4.75mm粒徑內的骨料占30%，4.75mm至9.5mm粒徑內的骨料占70%，分別使用270/m3、310/m3、350kg/m3水泥用量制作不同的試件，設置骨料包裹層厚度分別為1mm、1.2mm、1.4mm的透水混凝土試件，整理后繪制彈性階段應力應變曲線，如圖4所示。

3.2 透水混凝土受力特性離散元仿真

按照實際室內試驗試件尺寸和級配生成相對應的離散元模型。經過多次嘗試，分別選取1mm、1.2mm和1.4mm包裹層厚度的透水混凝土細觀參數。三種包裹層厚度所對應孔隙率的離散元最終參數標定如表4所示。

圖4 室內抗壓試驗應力應變曲線

表4 水泥漿厚度的參數選取區間

3.3 透水混凝土抗壓特性破壞形態

在試驗數值加載過程中，先從加載板與試件接觸的邊角部位產生裂縫，如圖5所示，隨著加載進行，試件中間也逐漸出現貫通的主裂縫，如圖6所示。在室內抗壓強度試驗中，裂紋產生的過程和破壞形態與模擬試驗大體相同，如圖7所示。因此，采用離散元法模擬室內抗壓試驗是合適的。

圖5 邊角部裂縫

圖6 貫通的主裂縫

圖7 實際試驗破壞試件

4 結束語

在進行參數標定的仿真試錯過程中，對于有效模量和剛度比，主要確定應力應變曲線在彈性階段上升段的斜率；對于黏結強度，主要確定應力應變曲線在頂點處的最大應力。

仿真模型中的各項參數均受到水泥漿層厚度/成型試塊孔隙率的影響，隨著水泥漿層厚度的增大，透水混凝土試件的有效模量、剛度比和黏結強度也會增長。

對比不同孔隙率下的離散元仿真模擬與抗壓試驗結果，標定的細觀參數用于模擬透水混凝土的抗壓試驗是合理的，體現出離散元的優越性。

在拉拔試驗黏結強度的選取區間內，應用于抗壓試驗時黏結參數確定應取相對應區間內的較大值。