探究动态压剪作用下的碾压混凝土强度及变形

探究动态压剪作用下的碾压混凝土强度及变形

李长春任斌

（中国水利水电第四工程局有限公司青海西宁810007）

摘要：本文针对工程上常用的三级配和二级配碾压混凝土本体试件和层面试件进行动态压剪特性的试验研究，详细分析其不同加载速率下峰值抗剪强度、残余剪切强度以及变形性能等的变化规律，为进一步建立精确而又实用的碾压混凝土动态本构关系提供必要的试验依据。

关键词：动态压剪作用；碾压混凝土；强度；变形

混凝土材料作为明显的率相关材料，极限强度随应变率或者加载速率的增加而增加，不同混凝土材料率相关特性可能会有所区别，并且在不同的应力状态下如拉应力、压应力甚至剪应力作用下，同一种混凝土也会表现出不同的率敏感性。碾压混凝土作为一种超干硬性混凝土材料，由于其施工进度迅速、造价节省和温度控制措施简单易行，往往是修筑道路和大坝的首选材料和施工方案。我国西部地区水资源丰富，规划和建设了一大批碾压混凝土高拱坝和重力坝，而西部地区属于高烈度地震频发地区，为了这些碾压混凝土结构的抗震安全性，有必要对地震动作用下碾压混凝土的动态力学参数指标进行专门的研究。

1试验设备

试验方法采用岩石力学中常用的剪切盒加载方案，对原有的混凝土静、动电液伺服三轴试验机进行了局部改造，增设了对试件可进行水平剪切的加载头及防止试件受剪切过程中扭转的拉压板，试验装置示意见图1。加载过程中，荷载大小由电测式荷载传感器和配套的放大器测量，剪切位移和法向位移由安装在加载头上的LVDT和相应配套的放大器测量，荷载以及位移分别通过各自的采集通道输入计算机存储和处理，法向压应力和切向剪切应力的采集是相互独立的，可以同步按比例施加，也可以先后依次施加，相互之间不会有干扰，保证了试验的准确性和可靠性。

由于坝体设计中，一般垂直层面方向的法向压应力起控制作用，所以在本文的压剪试验中，压应力垂直于层面，而剪力方向与层面平行。其中，压应力方向采用最大压力为2.5×103kN的作动器，荷载传感器量程为50t，而剪切方向采用最大压力为3×102kN的作动器，荷载传感器量程为30t，能够确保所采集到荷载值的精度。两向作动器最大行程以及响应频率均可达到地震动作用的加载速率要求，采集到的荷载以及位移数据控制精度为1.5%，最小采集周期为2μs。以上条件均能保障本文动态剪切试验的顺利进行。

2试验结果及分析

2.1变形特性

总体上剪切应力－位移曲线同拉压曲线一样，包括上升段和下降段两部分，剪应力比较小时，剪切层面处于弹性阶段，剪切应力－位移曲线也处于线性段；随着剪切力的增大，剪切应力－位移曲线表现为非线性；当达到峰值剪应力值时，曲线表现出很强的非线性，剪切位移先是小幅度增加，然后再迅速增大，曲线进入了缓慢的下降软化段，由于试验机刚度比较大，剪切应力－位移曲线下降段尾部出现了平缓段，即最终应力基本稳定在某一水平，这个强度称为残余剪切强度。此时对应的试验现象是层面完全处于剪断滑移状态。曲线下降段差别比较大，显然残余剪切强度与法向压应力的大小有关。法向压应力存在的情形下，曲线在峰值以后下降段较平缓，剪应力并没有直接降为0，这与岩石力学的试验现象不同。尽管碾压混凝土材料和中硬性岩石材料一样属于准脆性材料，但碾压混凝土内部是由粗骨料、水泥砂浆体、未水化水泥颗粒及气孔等多相复合材料组成的，属于高度非均质材质，并且成型方法是逐层碾压而成，即使是本体试块，也属于正交各向异性材料。由于垂直于碾压方向和平行于碾压方向上，材料物理力学性能相差较大，RCC试块剪断时，各方向不是骤然同时破坏，而是首先平行于碾压方向上发生剪断，并且断裂路径穿过粗骨料与水泥砂浆体的界面层，还有可能穿过材质疏松的大石骨料；一些质量较好的中石和小石粗骨料不会被剪断，产生骨料咬合作用，故而碾压混凝土层面的破坏是一个渐进过程。

2.2动态剪切强度及残余强度特点分析

（1）同一批试件在相同法向压力作用下，动态抗剪强度要大于静态值，随着荷载速率增大，剪切强度会有一定程度的增加，由于碾压混凝土本体与一般常态混凝土无太大差别，这一结论同样适用于一般大坝混凝土。目前的研究中鲜有对混凝土材料动态抗剪强度的研究，本文的结果与其他资料中混凝土动态拉压强度试验结果相比，剪切强度的率敏感性介于抗拉强度和抗压强度两者之间。

（2）在静力荷载和动力荷载作用下，残余剪切强度均随着峰值剪切强度的增加而增加，两者基本成线性关系。但加载速率的增加对残余强度影响不大，随着速率增大，残余强度仅有微小减小的趋势。

（3）无论本体试块和层面试块，RCC抗剪强度均随着法向正应力的增加而增加，所有试块类型中，无层面的RCC本体试件在法向正应力为6MPa时，抗剪断强度达到最高值。在不同的恒定法向压力下，碾压混凝土剪切强度对不同加载速率的敏感程度不同，在较高的法向应力下的率敏感性降低，无法向压应力即纯剪切状态下，碾压混凝土剪切强度的率敏感性最高。

（4）同等法向应力和加载速率条件下，同一水胶比条件下，二级配RCC（代表室内抗剪试验）所得的极限抗剪强度明显高于三级配RCC（代表现场原位抗剪试验）的极限抗剪强度。这正反映了三级配大试件与二级配小试件的差别，三级配RCC中大石和中石骨料含量多、其内部包含更多缺陷，并且骨料与水泥砂浆黏结性能较差；而二级配中粗骨料所占比重，胶凝材料相对丰富，使层面结合的黏聚力增加。一般碾压混凝土静态抗剪强度服从莫尔－库伦准则，以三级配层面试件数据为例，分别对不同加载速率下的压剪试验数据进行回归分析，并且引入摩擦系数μ和黏聚力c（MPa），可得出剪切强度τp和正应力σ的关系：τp=μσ+c（1）

具体表达式如下：

加载速率为0.1kN/s时，τp=1.14σ+2.05，相关系数γ=0.97；

加载速率为1.0kN/s时，τp=1.11σ+2.76，相关系数γ=0.98；

加载速率为10kN/s时，τp=1.04σ+3.48，相关系数γ=0.98。

由试验结果和回归分析结果的对比，得出试验结果基本在各自回归直线附近分布。试件动力抗剪强度比静态抗剪强度有较大幅度的增加，这同时表现在两个方面：黏聚力和摩擦系数。动力情况下黏聚力增加较大，摩擦系数变化不大，甚至反而减小。这说明对于混凝土岩石类脆性材料，其动态抗剪强度的增加主要是应变率效应对黏聚力的影响所致，这也解释了随着加载速度的增加，垂直向压应力对混凝土抗剪强度的提高作用削弱的原因。同样，如果对碾压混凝土残余剪切强度进行如同式（1）的回归分析，也可以发现剪断后残余剪切强度的降低也是由于黏聚力的大幅下降所致。

2.3试件破坏现象

碾压混凝土试件在不同法向压应力条件下剪切时，试件均沿着中间剪切面上被切断，随着压应力的增大，边缘有明显的压坏痕迹；层面试件剪切破坏时的断裂界面非常平整和清楚，而本体试件切断面凹凸度较大。静动荷载作用下RCC试块的剪切破坏形态差别不大，只是同静力剪切面相比较，动力破坏面整体上比较平整，断面处被剪断的粗骨料比例明显增大，这种现象同拉压试验得出的结果相印证，即试件中本身存在微裂缝，在低加载速率情况下裂缝能够缓慢发展并沿胶结面或软弱面贯通，而加载速率较大时，裂缝来不及沿弯曲裂缝缓慢扩展而直接穿过相对坚硬的骨料贯通过去。

3动态强度准则

3.1碾压混凝土直剪动态强度准则

抗剪强度和抗压抗拉强度一样，均为混凝土的基本力学性能，目前混凝土单轴动态拉压强度试验已进行了很多，但是动态抗剪强度试验还进行的非常少，还未见到动态直剪强度准则。根据相关文献对其他种类混凝土进行的静动强度试验，发现各种类型混凝土的动态强度增长系数与加载速率的对数都基本呈现出线性关系。本文完成的RCC变速率直剪强度试验结果随加载速率的变化情况，见图9。图中，为了消除碾压混凝土不同骨料级配和不同层面特性的影响，将RCC动态直剪强度值除以相应的静态直剪强度值得出抗剪强度的动态强度增长系数，并建立动态强度增长系数与剪切加载速率对数之间的关系模型。从图2中可以看出，无论是何种层面和级配的碾压混凝土，随加载速率（应变速率）的增大，动态直剪强度增大的趋势基本上是一致的。根据直剪强度试验结果，利用最小二乘法回归得到法向正应力为零，变速率直剪的情况下，直剪强度比与加载速率比对数之间的关系式及其相关系数如下：；相关系数γ=0.928，式中：为静态直剪强度。图2中，试验数据分布在由式（2）所得的计算直线结果附近，这说明动态抗剪强度的动态强度增长系数与加载速率的对数之间也呈现出了线性关系，这一结果也同样适用于常态混凝土材料。

3.2压剪状态下碾压混凝土动态抗剪强度准则

大量试验结果表明，不同层面特性的RCC抗压强度差别不大，但抗拉强度和直剪强度差别比较大，鉴于此，为了得出真实的抗剪强度计算模型，在数学模型中应消除不同强度和不同层面特性对强度准则的影响。这里采用平面应力状态下的Hoffman准则公式形式，同时考虑了垂直向压应力和剪切加载速率的影响，建立了如下式所示的RCC统一抗剪强度准则：

结论

本文进行了两种级配碾压混凝土的动态压剪试验研究，试验结果表明：

（1）较低速率加载下，RCC剪断面主要发生在较大的粗骨料和水泥砂浆体的黏结界面处，剪断面突起基本与大石骨料颗粒外形相一致，而加载速率较快时的试件，RCC剪断面相对平整，且剪断面上大石粗骨料被剪断的比例较大。

（2）碾压混凝土的峰值剪切强度随着剪切速率的增大而增大，增大幅度随着正应力的增大有减小趋势，残余剪切强度则随着剪切速率的增大略有减小，设计中特别注意这一强度特性；同一加载速率下，碾压混凝土峰值剪切强度和残余剪切强度随法向应力的增大而增大，基本成线性关系。

（3）随着垂直向压力的增大，RCC初始剪切模量和峰值剪切变形增大，但在正压力恒定时，随着加载速率的变大，碾压混凝土的峰值剪切变形略有减小，初始剪切模量略有增加，不同加载速率下的剪切变形曲线形状基本相似。

参考文献：

[1]高文，董伟，吴智敏，等.大坝全级配与湿筛二级配混凝土力学性能试验研究及统计分析[J].水利与建筑工程学报，2014，12（2）：9-14.

[2]宋玉普.多轴应力条件下碾压混凝土层面抗剪强度试验研究[J].水利学报，2011