基于PFC 3D的某水利工程中混凝土凍融損傷破壞試驗研究

田 豐

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院檢測試驗研究中心，新疆 昌吉 831100 )

在水利工程中混凝土材料很難不應(yīng)用到，所建水利設(shè)施壽命在一定程度上取決于所用混凝土材料性能，水利設(shè)施受到凍融循環(huán)、雨水侵蝕等長此以往的破壞，對內(nèi)部混凝土性能均是較大的傷害，特別是在我國西北、東北等氣候寒冷地區(qū)，研究混凝土凍融循環(huán)性能對開展水利工程選材具有重要幫助[1-3]。國外已有諸多學(xué)者[4-6]基于室內(nèi)試驗與理論推導(dǎo)等手段，開展了混凝土凍融循環(huán)研究。國內(nèi)一些水利工程師[7-9]基于數(shù)值模擬手段，引入巖石力學(xué)損傷分析理論，探討了混凝土凍融循環(huán)損傷演化特征。還有一些學(xué)者[10-12]利用先進的試驗系統(tǒng)設(shè)計凍融循環(huán)實驗方案，開展破壞力學(xué)、細觀等理論與試驗相結(jié)合的研究。利用PFC 3D顆粒流軟件，不同于其他數(shù)值軟件，混凝土這種材料非常契合PFC 3D的研究對象特征[13-14]，開展多次凍融循環(huán)次數(shù)的損傷破壞實驗研究，為認識水利工程中混凝土材料凍融性能提供一定參考。

1 凍融損傷混凝土模型建立

寒區(qū)水利工程中混凝土常常會受到凍融侵蝕，導(dǎo)致混凝土從表到里逐漸失去保護層，強度或其他抗?jié)B特性均會受到一定損害，為此，本文在利用PFC 3D研究凍融損傷混凝土?xí)r，以混凝土為層狀結(jié)構(gòu)考慮，分為損傷層與無損傷層，如圖1所示構(gòu)造。并依據(jù)前人文獻知，凍融損傷層厚度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系如公式(1)：

d=1.742×10-5N3-0.004N2+0.322N+0.179

(1)

式中：d為凍融損傷層厚度，mm；N為凍融循環(huán)次數(shù)。

圖1 凍融損傷混凝土幾何示意圖

利用PFC 3D建立損傷層模型與未損傷層模型，如圖2所示，不論是未損傷層亦或是損傷層，混凝土其所用材料屬性參數(shù)均是一致，例如水泥砂漿膠結(jié)面材料彈性模量均為40 GPa，但是凍融損傷層由于凍融作用，膠結(jié)面上初始彈性模量為40 GPa，在其后凍融循環(huán)次數(shù)中，會逐漸降低，例如凍融循環(huán)50次，彈性模量為30 GPa。

圖2 損傷層模型與未損傷層模型

圖3(a)為凍融循環(huán)下混凝土應(yīng)力應(yīng)變。從圖中可看出，峰值強度與凍融循環(huán)次數(shù)成反比，循環(huán)次數(shù)為0時，峰值強度為35 MPa，而凍融循環(huán)次數(shù)達到150次時，其峰值應(yīng)力相比前者降低了20%，為28 MPa。另一方面，峰值應(yīng)力點處應(yīng)變值隨凍融循環(huán)次數(shù)增多而逐漸增大，在循環(huán)25次時，峰值應(yīng)力點應(yīng)變?yōu)?.13%，而經(jīng)過150次循環(huán)后，峰值點應(yīng)變值增大了23.1%，達0.16%。分析出現(xiàn)該現(xiàn)象是由于凍融循環(huán)次數(shù)增多，試樣內(nèi)部礦物顆粒遭到多次破壞再結(jié)晶，顆粒間黏結(jié)性能大大降低，承受單軸抗壓強度故逐漸減??；但凍融循環(huán)次數(shù)增大，一定程度會促使礦物顆粒塑性能力增強，混凝土軟化特性加強，反映在變形上則是峰值點應(yīng)變值逐漸增大。

圖3(b)～(d)為凍融循環(huán)次數(shù)與泊松比關(guān)系，從圖中亦可發(fā)現(xiàn)，彈性階段泊松比與凍融循環(huán)次數(shù)亦成反比，循環(huán)次數(shù)25次泊松比值為0.166，而150次循環(huán)次數(shù)下泊松比值相比降低了3.6%，為0.160，但整個破壞過程中泊松比變化趨勢不受凍融循環(huán)次數(shù)影響。

圖3 試樣破壞力學(xué)特征曲線

2 單軸細觀破壞模擬研究

2.1 凍融損傷單軸破壞分析

為分析方便，本文以混凝土試樣單軸破壞過程中的峰值強度點A、應(yīng)變達0.3%點B、峰后達1/2峰值應(yīng)力點C為對象，分析凍融循環(huán)下試樣的變形以及裂紋演化過程。

圖4給出了不同凍融循環(huán)次數(shù)下特征點處位移值變化曲線，從圖中可知，在各應(yīng)力或應(yīng)變特征點處，對應(yīng)的位移均隨凍融循環(huán)次數(shù)增多而增大，在應(yīng)變0.3%B點凍融循環(huán)次數(shù)0次下位移為0.724 mm，而在循環(huán)次數(shù)150次時，位移值增大了3.5%，為0.749 mm，且在凍融循環(huán)次數(shù)75次、100次時，兩者之間位移值基本一致，表明應(yīng)變0.3%B點處位移隨凍融循環(huán)次數(shù)增大，變化量較低，受凍融循環(huán)次數(shù)影響較弱。不同于B點，峰后1/2峰值應(yīng)力點位移值隨凍融循環(huán)次數(shù)變化顯著，凍融循環(huán)0次時位移值為0.918 mm，而次數(shù)為25次時相比增長了7.8%，為0.990 mm，凍融循環(huán)次數(shù)愈多，位移增長幅度愈明顯。從位移分布云圖亦可看出(圖5)，點B位移值端部最大位移在凍融循環(huán)次數(shù)為75次，與150次時并無太顯著差別，且B點時試樣整體位移分布亦近乎一致。

圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下特征點處位移值變化曲線

圖5 特征點應(yīng)力分布云圖

圖6為特征點處應(yīng)力值與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線，圖7為特征點處應(yīng)力分布圖。從圖中可看出，A點與C點應(yīng)力值基本均隨凍融循環(huán)次數(shù)增多而逐漸降低，循環(huán)次數(shù)0次時C點荷載為16.6 kN，而在循環(huán)次數(shù)為125次、150次時，分別降低了3.6%、7.2%；但特征點B應(yīng)力值變化并不呈現(xiàn)趨勢一致性，而是隨著循環(huán)次數(shù)增多出現(xiàn)波動性變化。從分布形態(tài)亦可看出，應(yīng)力分布總是趨向于端部處，導(dǎo)致凍融循環(huán)次數(shù)增多，一定程度會削弱端部晶體礦物顆粒間的整體承載能力，進而呈現(xiàn)特征點A處應(yīng)力逐漸下降。

圖6 特征點處應(yīng)力值與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

圖7 不同凍融循環(huán)次數(shù)下特征點處應(yīng)力分布

2.2 細觀特征

圖8為不同凍融循環(huán)次數(shù)下各特征點處產(chǎn)生的裂紋數(shù)。從圖中可看出，在點A與點C處裂紋總數(shù)在各循環(huán)次數(shù)下幾乎并未有顯著一致性變化，而是隨凍融循環(huán)次數(shù)增多，呈波動性變化，點A循環(huán)次數(shù)0次時總裂紋數(shù)量為7587，而在循環(huán)次數(shù)25次與50次時，總裂紋數(shù)量幾乎一致，另在點C處亦是如此。分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象與A點、C點處選取有關(guān)，A點與C點均是由各凍融循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力值控制確定的點，而不是應(yīng)變控制，當采用應(yīng)力控制時，試樣裂紋的產(chǎn)生與應(yīng)力增長有關(guān)，應(yīng)力點不變，進而該點裂紋數(shù)量亦不會發(fā)生太大變化，此從室內(nèi)巖石力學(xué)試驗亦可得知，當采用力控加載時，巖石應(yīng)力增長穩(wěn)定，但破壞劇烈。當由應(yīng)變控制時，即B點，該點處裂紋數(shù)量與凍融循環(huán)次數(shù)成反比變化特征，混凝土試樣區(qū)域軟化，抑制了裂紋的產(chǎn)生及貫通，故而不論是張拉裂紋亦或是剪切裂紋數(shù)量，均呈下降態(tài)勢。從混凝土試樣破壞整體裂紋分布亦可看出，不論是特征點A、B亦或是點C，在各凍融循環(huán)次數(shù)下均是剪切裂紋數(shù)量高于張拉裂紋，由此說明，在經(jīng)凍融循環(huán)后混凝土單軸破壞還是以剪切破壞為主，即破壞內(nèi)因由抗剪能力差引起。

圖8 不同凍融循環(huán)次數(shù)下特征點處產(chǎn)生裂紋數(shù)

圖9 混凝土內(nèi)部破裂形態(tài)

針對混凝土此類材料，其裂紋的貫通主要在峰值應(yīng)力后出現(xiàn)，故本文給出點B、點C處混凝土內(nèi)部破裂形態(tài)，如圖9所示。從圖中可看出，點B處凍融循環(huán)次數(shù)0次、75次試樣內(nèi)部出現(xiàn)顯著貫通性裂紋，而在凍融循環(huán)150次時，試樣僅局部出現(xiàn)裂紋，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。分析此是由于點B為由應(yīng)變控制確定，當凍融循環(huán)次數(shù)較少時，峰值點對應(yīng)的應(yīng)變值亦較小，而為達到點B的應(yīng)變值，試樣內(nèi)部需發(fā)生更大的變形，故造成試樣裂紋貫通上下端部，而凍融循環(huán)次數(shù)多時，峰值點對應(yīng)的應(yīng)變較大，而點B確定的應(yīng)變值靠近峰值點，故而出現(xiàn)的裂紋還未及貫通。點C處不論是凍融循環(huán)次數(shù)0亦或是150，內(nèi)部裂紋發(fā)育充分，均產(chǎn)生了貫通性破壞裂紋，不同于點B處，點C處為峰后階段1/2的峰值應(yīng)力，即裂紋均是在峰值應(yīng)力后期產(chǎn)生，內(nèi)部本身就已充滿較多裂隙，峰后逐漸聯(lián)通，并在點C處貫通成大裂紋，顆粒破碎性顯著，進而導(dǎo)致試樣失穩(wěn)破壞。

3 結(jié) 論

針對某水利工程中所用混凝土材料，引入PFC 3D顆粒離散元分析方法，建立凍融損傷混凝土模型，研究了不同凍融循環(huán)次數(shù)下單軸破壞特征，得到了以下結(jié)論：

(1)研究了峰值強度、彈性階段泊松比與凍融循環(huán)次數(shù)成反比，但峰值點處應(yīng)變值成正比，凍融循環(huán)次數(shù)150次相比0次峰值應(yīng)力降低了20%，峰值點處應(yīng)變值增大了23.1%，達0.16%。

(2)獲得了峰值應(yīng)力點A、應(yīng)變0.3%點B、峰后1/2峰值應(yīng)力點C處應(yīng)力與變形特征，點B處位移受凍融循環(huán)次數(shù)影響較弱，點C處位移隨循環(huán)次數(shù)增長較明顯；點A與點C應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)逐漸降低，點B應(yīng)力變化并無趨勢一致性。

(3)分析了典型特征點裂紋變化，點A與點C產(chǎn)生裂紋總數(shù)隨循環(huán)次數(shù)無一致性規(guī)律，點B處裂紋總數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)逐漸減少，三個特征點均是剪切裂紋數(shù)量高于張拉裂紋；點B處循環(huán)0次、75次出現(xiàn)貫通性裂紋，循環(huán)150次時，僅局部出現(xiàn)裂紋，點C為峰后階段，在各循環(huán)次數(shù)下均出現(xiàn)有貫通性破壞裂紋。