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.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)切割成一定邊長的試塊，對其進(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為600 mm的立方體.所以本文將模型切割成邊長為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)度對抗壓強(qiáng)度的影響

清華大學(xué)的鐘文等[6]，對自密實(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.本文通過改變法向應(yīng)力的失效值FS和切向應(yīng)力的失效值FD來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)變率對抗壓強(qiáng)度的影響

由圖8可知，應(yīng)變率對軸壓強(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，但是堆石混凝土對應(yīng)變率的敏感性較高，對粘結(jié)強(qiáng)度的敏感性較低.但仍然可以通過堆石與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度來提高堆石混凝土的抗壓強(qiáng)度.