彭 剛吳 聰喬宗耀馬小亮

(1.三峽地區(qū)地質災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，宜昌 443002;2.三峽大學 土木與建筑學院，宜昌 443002)

1 研究背景

國內(nèi)外學者對處于水環(huán)境中混凝土的力學性能開展了大量研究。Wang等[1]研究了粉煤灰摻量、孔隙水飽和度對混凝土回彈值、超聲波速、抗壓強度和彈性模量的影響；Barani等[2]通過數(shù)值模擬證明一個統(tǒng)一的天然裂縫滲透率公式可很好地描述慢速加載和快速加載條件下裂紋擴展的滲透性； Shakiba等[3]的研究結果表明孔隙水壓力的作用會加劇瀝青混凝土中的損傷，降低其強度；Bai等[4]提出一般的三向應力條件下的孔隙壓力增量與主應力增量之間的關系的理論方程；以彭剛為首的課題組[5-9]對混凝土在不同水圍壓和不同孔隙水壓下的動態(tài)抗壓特性進行了一系列試驗，探究在動態(tài)加載下，不同的水環(huán)境中混凝土峰值應力、應變、彈性模量以及吸能能力的變化規(guī)律，并建立相應的損傷模型；王乾峰等[10]研究經(jīng)歷循環(huán)荷載后，混凝土在水壓力環(huán)境中的動態(tài)壓縮強度。

由上述可知，無論是在理論上還是在試驗上，對于混凝土在不同的水環(huán)境、不同的受力狀態(tài)下的研究已經(jīng)趨于成熟。但在實際工程中，長期處在水環(huán)境中的混凝土，很多是在經(jīng)受多次循環(huán)孔隙水壓力作用的同時承受著上部的荷載，循環(huán)孔隙水壓力對混凝土產(chǎn)生的原始損傷會影響混凝土力學參數(shù)，在動態(tài)加載下會表現(xiàn)出不同的動態(tài)特性。為此，對經(jīng)歷20次循環(huán)孔隙水壓力(0，1，3，5，7 MPa)的飽和混凝土在對應的循環(huán)孔隙水壓力下進行了常三軸壓縮試驗，不僅具有理論研究意義，更具有實際工程意義。

2 試驗設備及力學試驗過程

2.1 試驗設備

本次所用試驗設備為三峽大學與長春朝陽試驗儀器有限公司聯(lián)合研制的10 MN大型多功能液壓伺服靜動力三軸儀。該設備可進行常三軸混凝土動靜力加載試驗，其最大圍壓值為30 MPa，最大豎向動靜力負荷為5 000 kN和10 000 kN?？赏ㄟ^電腦系統(tǒng)控制水壓力和軸向加載速率(10-5～10-2s-1)，試驗設備見圖1。

2.2 試件制作與加工處理

試驗所用的水泥為P · O42.5普通硅酸鹽水泥；拌合水為飲用自來水；粗骨料是粒徑為5～40 mm的連續(xù)級配碎石；細骨料是連續(xù)級配天然河砂，經(jīng)過篩分后實測細度模數(shù)為2.3，屬中砂?；炷恋呐浜媳热绫?所示。

圖1 試驗設備Fig.1 Test equipment

表1 混凝土原材料用量Table 1 Material content of concrete kg/m3

混凝土試件尺寸為Φ300 mm×600 mm，成型方式為鋼模澆筑。為攪拌均勻，采取先干拌后濕拌的方法。振搗完成后，將表面抹平處理，室溫下放置24 h后拆模，拆模后，將混凝土放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護，保證相對濕度>95%，溫度為(20±2)℃，28 d后將混凝土試件移至室外自然養(yǎng)護。

2.3 試驗過程

2.3.1 加載前的準備

(1)將尺寸為Φ300 mm×600 mm的圓柱體混凝土放在水箱中，加水進行預飽和處理，此過程可加速后續(xù)飽和處理的過程，縮短試驗時間。

(2)浸泡7 d后，將其放入圍壓桶內(nèi)，通過EDC控制器發(fā)送施加水圍壓命令，進行加壓飽和。

(3)加壓飽和完成后，分別施加5種不同中心值(0，1，3，5，7 MPa)的循環(huán)孔隙水壓，循環(huán)次數(shù)20次。

(4)約24 h后，20次循環(huán)完成。

2.3.2 加載過程

(1)保持水圍壓不變，將圍壓桶移至加載框架中，使圍壓桶和上下傳力柱對中。

(2)啟動EDC，加油壓至3 MPa，以位移控制的方式對混凝土預加載20 kN的力。

(3)正式加載：以變形控制方式，在軸向上按照不同的加載速率進行加載，直至得到完整的變形-荷載曲線。

(4)卸載以及后續(xù)處理。

3 力學性能分析

3.1 抗壓強度

試驗得到混凝土在不同應變速率、不同循環(huán)孔隙水壓力中心值下峰值應力，如表2，不循環(huán)的工況是在應變速率10-5s-1下完成的。由表2得峰值應力隨不同循環(huán)孔隙水壓中心值的變化趨勢，見圖2。

表2 不同工況下混凝土的峰值應力Table 2 Peak stresses of concrete in different working conditions

圖2 循環(huán)孔隙水壓中心值與峰值應力的關系Fig.2 Central value of cyclic pore water pressure vs. peak stress

對比分析應變速率為10-5s-1下混凝土的峰值應力，經(jīng)歷不同循環(huán)孔隙水壓力作預處理后的混凝土較未經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓的混凝土峰值應力總體有明顯降低。經(jīng)歷1，3，5，7 MPa循環(huán)孔隙水壓力作用后，混凝土強度分別降低13.67%，12.83%，18.55%，30.00%。隨著循環(huán)孔隙水壓力的增大，混凝土強度減少越多，混凝土內(nèi)部的損傷也增大，說明循環(huán)孔隙水壓作用對混凝土內(nèi)部結構產(chǎn)生影響，削弱了混凝土的強度。

隨著應變速率的增加，經(jīng)歷不同循環(huán)孔隙水壓力預處理后的混凝土的峰值應力增大。應變速率為10-4s-1時，在較小的循環(huán)孔隙水壓力下，混凝土峰值應力有所降低，當循環(huán)孔隙水壓力繼續(xù)增大，其峰值應力較未經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓力的混凝土有明顯升高。應變速率為10-3s-1時，不論循環(huán)孔隙水壓大小，其峰值應力都大于未經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓以及應變速率為10-4s-1和10-5s-1的經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓的混凝土的峰值應力。

在10-3s-1和10-4s-1應變速率下，圍壓較小時，峰值應力增加明顯，當圍壓增加到一定值時，隨著圍壓的增加，峰值應力增加很小。

在循環(huán)孔隙水壓作用下，有壓水會沿著混凝土表層微觀裂縫逐步深入到內(nèi)部，使其內(nèi)部裂紋數(shù)量和分布發(fā)生變化，同時使混凝土含水量增加。在動態(tài)加載過程中，混凝土內(nèi)部的含水量對其力學性能影響較大。文獻[10]指出，在給定的水壓力下，水不能填充全部混凝土孔隙空間，水壓力越大，水能滲透到的孔隙直徑越小，則對混凝土內(nèi)部的損傷相對就大。本文試驗中，20次循環(huán)孔隙水壓預處理對混凝土有一個初始損傷，故在10-5s-1應變速率下隨循環(huán)水壓增大，混凝土強度呈減小趨勢。而在動態(tài)荷載作用下，含水量越高， Stefan效應越明顯，混凝土強度越大，故在10-3s-1應變速率下，混凝土的峰值應力最大?；炷梁侩S水壓力提高而增加，當水壓力超過一定值后，含水量基本不增加，故對混凝土強度影響就比較小，在10-5s-1應變速率下，峰值應力隨循環(huán)水壓的增大，呈現(xiàn)先增大后不變的趨勢。

綜上分析可知，循環(huán)孔隙水壓越大，對混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的損傷越大，混凝土強度減少越多。在不同的加載速率下，循環(huán)孔隙水壓力對混凝土整體強度的影響不同，在準靜態(tài)和低應變速率下，循環(huán)孔隙水壓對混凝土強度削弱作用比較明顯，表現(xiàn)為混凝土強度減小。在較高的應變速率下，這種削弱作用逐漸減弱，影響混凝土強度的因素主要是應變速率，表現(xiàn)為混凝土整體強度的增加。

3.2 變形特性

不同的加載情況下，經(jīng)歷不同循環(huán)孔隙水壓后，混凝土的峰值應變?nèi)绫?，變化關系曲線如圖3。

表3 不同工況下混凝土的峰值應變Table 3 Peak strains of concrete in different working conditions

圖3 循環(huán)孔隙水壓中心值與峰值應變的關系Fig.3 Central value of cyclic pore water pressure vs. peak strain

由表3和圖3可發(fā)現(xiàn)，在應變速率10-4s-1和10-3s-1下，循環(huán)孔隙水壓力對峰值應變(略有增大)的影響較小，相對10-5s-1應變速率下，其峰值應變都明顯增大。

在較低的應變速率(10-5s-1)下，峰值應變隨著循環(huán)孔隙水壓力的增大呈現(xiàn)明顯的減小趨勢。對比分析應變速率為10-5s-1時，經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓力作用和不經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓力作用的情況可以看出，循環(huán)孔隙水壓力作用使混凝土的峰值應變降低。并且，循環(huán)孔隙水壓力作用值越大，峰值應變降低越多。

對比表3中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓力作用后，混凝土的峰值應變隨著應變速率的增大呈增大趨勢。這一變化趨勢與文獻[11]的研究結果相似，但局部趨勢有所不同。文獻[11]的研究結論為經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓作用后混凝土的峰值應變隨著應變速率的增大先略有減小再增大?？赡艿脑蚴牵罕疚脑囼瀸炷潦┘友h(huán)孔隙水壓力時每一次水圍壓變化后均保持足夠的時間，使水圍壓能夠充分向飽和混凝土內(nèi)部傳遞從而產(chǎn)生與水圍壓基本等值的孔隙水壓力，而在文獻[11]的研究中沒有考慮水圍壓向混凝土內(nèi)部傳遞的時間。

3.3 彈性模量

彈性模量反映混凝土的基本力學性能，是表征混凝土力學性能的重要參數(shù)之一。當混凝土內(nèi)部存在有壓孔隙水時，循環(huán)孔隙水壓作用可能會對混凝土的彈性模量產(chǎn)生一定影響[12-13]。本文以混凝土軸心抗壓強度35%～55%時應力-應變曲線的割線模量作為混凝土彈性模量的代表值，其數(shù)學表達式為

(1)

式中：E表示彈性模量；σ0.55，σ0.35分別為55%，35%對應的峰值應力；ε0.55，ε0.35分別為55%，35%對應的峰值應變。

表4為不同應變速率下的混凝土在不同循環(huán)孔隙水壓力下的彈性模量值，由表4可得圖4。

表4 不同工況下的彈性模量Table 4 Elastic modulus in different working conditions

圖4 循環(huán)孔隙水壓中心值與彈性模量之間的關系Fig.4 Central value of cyclic pore water pressure vs. elastic modulus

由表4和圖4可知，當應變速率為10-5s-1時，混凝土的彈性模量隨著加載時孔隙水壓力的增加呈增大趨勢。在較高應變速率下(10-4s-1和10-3s-1)，隨著循環(huán)孔隙水壓力值的增大，彈性模量的變化不大。對比分析應變速率為10-5s-1時，經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓力作用與不經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓力作用的情況，經(jīng)歷循環(huán)孔隙作用后的混凝土彈性模量有所提高，并且預處理過程中循環(huán)孔隙水壓力值越大提高幅度越大。說明當應變速率較低時，循環(huán)孔隙水壓力作用對混凝土的彈性模量有提高作用，當應變速率較高時為削弱作用。

4 應力-應變?nèi)€擬合分析

4.1 Weibull-Lognormal模型

根據(jù)文獻[14]、文獻[15]的研究，采用Weibull-Lognormal模型能夠較好地擬合混凝土應力-應變曲線。該模型中，在應力上升階段采用Weibull分布，在應力下降階段采用Lognormal分布。選取該模型對得到的應力-應變曲線數(shù)據(jù)進行擬合計算，其應力-應變本構關系表達為

(2)

4.2 規(guī)范推薦的本構模型

另外，本文采用《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010—2010)推薦的應力-應變曲線模型對試驗所得數(shù)據(jù)進行擬合。規(guī)范中混凝土的應力-應變曲線表達式為

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：σ為應力；ε為應變；Ec為彈性模量；εc,r為單軸抗壓強度相對應的混凝土峰值應變；fc,r為單軸抗壓強度代表值；αc為形狀控制參數(shù)；x為應變發(fā)展水平；n,ρc為常數(shù)。

圖5 不同循環(huán)孔隙水壓及不同應變速率下的應力-應變曲線擬合結果Fig.5 Fitted stress strain curves under varying cyclic pore water pressure at different loading rates

通過以上2個混凝土的本構模型來對加載得到的試驗數(shù)據(jù)進行擬合，并與試驗所得數(shù)據(jù)對比分析。

圖5為混凝土經(jīng)歷不同循環(huán)孔隙水壓力作用后，以不同的應變速率在相應的有壓孔隙水環(huán)境下加載得到的應力-應變曲線及2種擬合曲線。圖5中A試驗曲線為加載得到的混凝土應力-應變曲線；B擬合曲線為使用Weibull-Lognormal模型進行擬合得到的對應工況下的混凝土應力-應變曲線；C擬合曲線為使用規(guī)范推薦的本構模型擬合得到的混凝土應力-應變曲線。通過MatLab內(nèi)置的Corrcoef函數(shù)來求得2種模型的相關系數(shù)，根據(jù)相關系數(shù)值的大小來對比分析2種模型的擬合效果。

由圖5可以看出，2種模型都能對本文設定工況下加載得到的應力-應變曲線很好地擬合，在以上工況下的相關系數(shù)的均值都在0.97以上。尤其在應力-應變曲線的應力上升階段，通過2種模型擬合的曲線基本與試驗曲線重合，2種模型對應力上升階段曲線的擬合取得了很好的效果。在應力-應變曲線的應力下降階段，2種模型都擬合出了曲線的基本形狀，滿足擬合要求。但是對比可以發(fā)現(xiàn)，Weibull-Lognormal模型對應力下降階段的擬合效果較為優(yōu)異。使用Weibull-Lognormal模型對應力-應變曲線下降段擬合的相關系數(shù)約為0.974，而使用規(guī)范推薦模型對應力-應變曲線下降段擬合的相關系數(shù)約為0.941，說明Weibull-Lognormal模型對曲線下降段的擬合更為接近試驗真實情況。

5 結 論

(1)循環(huán)孔隙水壓作用會對混凝土內(nèi)部產(chǎn)生損傷，相對于沒有經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓的準靜態(tài)加載下的混凝土，其強度會降低。在高應變速率下，影響混凝土強度的主要因素是加載速率，而循環(huán)孔隙水壓力對混凝土強度的削弱作用減小。

(2)經(jīng)歷循環(huán)孔隙水壓后的混凝土的峰值應變和彈性模量在高、低應變速率下表現(xiàn)出不同的性質。在低應變速率下，混凝土的峰值應變和彈性模量隨循環(huán)孔隙水壓的增大而總體升高，在高應變速率下，隨循環(huán)孔隙水壓的增大總體變化小。

(3)采用的Weibull-Lognormal模型和規(guī)范推薦的模型對應力-應變曲線的擬合效果都比較好。相比較而言，在曲線的下降段，Weibull-Lognormal模型的擬合效果比規(guī)范推薦的模型擬合效果好。