魯 洪

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

混凝土材料在水利工程建設中起著舉足輕重的作用[1-2]，準確認知混凝土材料力學水平，有助于推動水工結構安全設計，提升水工建筑運營水平?；炷敛牧狭W特征包括有宏觀的拉伸、壓縮及剪切力學特性[3-5]，而探討混凝土材料微觀破壞力學特征，對揭示混凝土力學影響變化特性具有重要意義。王一陽等[6]、曹明偉[7]采用顆粒流計算方法，模擬開展了混凝土的單軸、單軸等力學破壞試驗，從顆粒流模型入手研究了混凝土的強度、變形與抗剪特征。對混凝土的微觀力學破壞特征，邱璐璐等[8]、周雙雙等[9]采用了聲發(fā)射、CT掃描等手段，針對混凝土破壞過程中或破壞后的孔隙分布、裂紋狀態(tài)開展了對比分析，從細觀方面考量混凝土力學影響變化特性。本文為研究某水庫混凝土材料力學特征，采用PFC3D顆粒流方法，從宏、細觀兩方面探討混凝土的力學變化，為工程建設提供基礎依據(jù)。

1 研究背景

某水庫乃是松陽上游支流重要水利樞紐工程，其主壩位于黃南村上游400 m，該水庫樞紐工程水工建筑較多，主壩最大壩高為97 m，全壩身均采用水工混凝土澆筑，所使用的混凝土用量占到整個水庫樞紐工程的66%，可確保主壩在受到不同頻率洪水流量沖擊下靜、動力穩(wěn)定性；壩體防滲結構采用止水面板與防滲墻，而面板與防滲墻主要原材料均與壩身混凝土材料一致，但配合比有所差異，且配置有防滲纖維體摻加劑，防滲墻厚度為1 m。發(fā)電廠房尺寸為6.5 m×5.0 m×4.4 m，承重結構及基礎均配置有同類型混凝土，所使用的混凝土量超過1500 m3，約為水庫工程的12%，廠房內配置有輪機2座，總裝機超過1.6萬kW。

該水庫工程除主壩與發(fā)電設施需要大量水工混凝土材料，另輸水隧洞、溢洪道與消能池、泄洪閘等均需要該主材，約占到整個樞紐工程用料的35%。溢洪道、消能池均為該水庫重要泄流設施，因而其混凝土用量配合比與其他水工建筑均有所差異，且摻有鋼纖維體，確?；炷敛牧蠌姸饶軌驖M足動水沖擊與水力勢能沖蝕作用。從該水庫樞紐工程分析可知，各類水工建筑的安全穩(wěn)定均與水工混凝土主材密切相關，有效地對主材力學破壞認知，有利于推動樞紐工程安全運營。因而，本文基于此設計開展該工程混凝土主材的力學特征研究。

2 研究方法

為探討某水庫混凝土主材力學特征，本文采用PFC3D顆粒流離散元仿真方法[10]，對不同摻量的水工混凝土開展宏、細觀力學特征分析。采用Rhino三維建模工具構建混凝土顆粒骨架[11]，其主骨架經(jīng)Rhino建模導入至PFC3D中后，在Clump簇模型中建立起模型骨架邊界，邊界內包括有粗、細骨料顆粒，圖1為本文使用的兩種橢球型粗顆粒，分別代表混凝土主材的卵石、碎石兩種粗骨料，粒徑分布為5～20 mm。本文研究的摻加劑主要為纖維體，其細觀粒徑接近納米級，成分為SiO2，中值粒徑為20 nm，密度為2.20 g/cm3，堆積密度為0.06 g/cm3，具有良好的孔隙填充性、碎片性特點，因而設計不同粒徑的剛性簇作為摻加劑成分存在于骨架邊界內。

圖1 兩種橢球型粗顆粒

基于粗、細骨料顆粒的Clump簇模板中生成，獲得了纖維體水工混凝土顆粒流模型。模型尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，包括有卵、碎石粗骨料6250個，占到計算模型的46.5%，模型密度為2.02 g/cm3。本模型總顆粒數(shù)恒定為26 818個，模型中包括有纖維體顆粒球型模型與其他骨料模型，根據(jù)纖維體摻量占比，調整模型中粗、細骨料占比分配，且纖維體與骨料間顆粒的骨架組合按照隨機原則生成。在進行試驗前，PFC顆粒流模型中可生成出纖維體與骨料顆粒三維空間模型，確保試驗模型與實體混凝土的對應關系。單軸加載過程通過調整混凝土模型邊界位置及速度來模擬加荷，本文以模型上部方向一個邊界荷載，其向下推進變化階段為模型單軸加載破壞的過程。

PFC3D模擬纖維體混凝土加載時，也需要考慮混凝土的初始物理力學參數(shù)，包括有模型剛度、模量、顆粒摩擦系數(shù)等，本文分析的混凝土模型顆粒接觸面主要有粗、細骨料接觸面、纖維體與骨料接觸面，兩種接觸面上摩擦系數(shù)分別設定為0.60、0.45，而剛度比分別設定為0.15、0.10。纖維體摻量對比試驗中設定摻量分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，各組摻量計算模型的其他參數(shù)均保持一致，僅改變初始生成模型的纖維體顆粒摻量。

3 水工混凝土力學宏觀特征

基于不同摻量下纖維體混凝土顆粒流模型加載試驗，獲得了各摻量下模型宏觀力學特征，如圖2所示。從圖中可知，各摻量下混凝土模型應力應變特征均可分為四階段，分別為彈性壓密段(Ⅰ)-屈服峰值應力段(Ⅱ)-峰后應力下降段(Ⅲ)-殘余應力段(Ⅳ)，改變纖維體摻量，并不影響四個階段的走向發(fā)展，僅影響了各階段特征點的應力水平，如纖維體摻量0.5%試樣彈性壓密段結束點應力為16.7 MPa，而摻量1.5%下該點應力為23.5 MPa。

纖維體摻量對水工混凝土承載應力水平影響并不具有一致性，而是呈兩階段影響變化；當纖維體摻量為1.0%以下時，摻量愈多，則承載應力水平愈高，反之，摻量超過1.0%后，摻量與承載應力水平為負相關變化。在加載應變0.1%時，纖維體摻量0%模型應力為9.8 MPa，相比前者，摻量在0.5%、1.0%的顆粒流模型分別增長了1.43倍、2.90倍，但摻量1.5%、2.0%模型試樣較之摻量1.0%下又分別減少了28.2%、58.2%，即各顆粒流模型中以摻量1.0%下混凝土承載能力最高。從圖2(b)中亦可看出，含纖維體水工混凝土的抗壓強度與摻量具有先增后減變化態(tài)勢，以摻量1.0%為節(jié)點，低于該摻量節(jié)點時，抗壓強度隨纖維體摻量具有平均增幅30.9%，當超過該摻量，則強度具有平均損耗8.4%。而從峰值應變來看，其受纖維體摻量影響變化特征與抗壓強度呈相反態(tài)勢，當然均是以摻量1.0%為分界點，在摻量低于1.0%梯次內，峰值應變依次為0.25%、0.19%、0.14%，而超過1.0%后，峰值應變分布為0.20%、0.23%。

分析認為，纖維體成分對水工混凝土力學特征影響具有摻量拐點，當纖維體成分含量處于較合理區(qū)間時，纖維體有助于抑制水工混凝土內部裂紋的擴展，限制混凝土開裂，減少顆粒膨脹變形，促進其承載能力提升；但不可忽視，當存在過量的纖維體時，而水工混凝土內部顆粒孔隙的填充已達到“飽和”狀態(tài)，無法“消化”的纖維體反而會成為混凝土顆粒骨架的軟弱摩擦面[12]，增大顆粒間碰撞變形，進而削弱其承載應力水平。

4 水工混凝土細觀特征分析

4.1 裂紋發(fā)展特征

為研究水工混凝土顆粒裂紋發(fā)展特征，本文從裂紋數(shù)量與裂紋分布特征入手[13]，并以應力應變四階段中各特征點裂紋發(fā)展特征為研究對象，圖3為不同摻量混凝土模型的B、C、E特征點處張拉、剪切裂紋數(shù)量變化。

圖3 特征點處張拉、剪切裂紋數(shù)量變化

分析圖中裂紋數(shù)量可知，不論是哪一個特征點，模型中均以剪切裂紋數(shù)量占據(jù)主導作用，如在峰值應力特征點C處，摻量0.5%試樣的張拉裂紋數(shù)量達3547，而剪切裂紋較之增長了2.8倍；從整體來看，五個摻量混凝土模型中特征點C處剪切裂紋與張拉裂紋數(shù)量差幅分布為2.6～3.1倍，而在彈性壓密終點B處差幅分布為0.9～2.0倍，殘余應力點E差幅分布為2.8～3.2倍。由此可知，當模型愈接近破壞，剪切裂紋在混凝土中占據(jù)的“地位”與張拉裂紋差距愈小，且混凝土的加載破壞主要受剪切特性影響[14]。另一方面，纖維體摻量的改變，對混凝土模型內部張拉、剪切裂紋數(shù)量的影響有所差異，同一特征點處張拉裂紋數(shù)量在各摻量混凝土模型中基本保持一致，如特征點B張拉裂紋數(shù)量在各模型中均保持1130。與張拉裂紋不同的是，不論是在特征點B或殘余應力點E，剪切裂紋數(shù)量均以摻量1%模型下為最低，此表明了纖維體摻量1%模型為水工混凝土抗裂紋擴展能力最強。

基于PFC3D提取獲得了摻量1%模型下特征點C、E處剪切、張拉裂紋分布特征，如圖4所示。觀察裂紋分布可知，即使特征點為峰值應力，但其剪切裂紋或張拉裂紋分布密度均低于殘余應力階段，表明該類型水工混凝土的破壞裂紋的擴展貫通主要發(fā)生在峰值應力后階段。從裂紋的空間分布來看，產(chǎn)生過程具有無序性，但其重點分布仍集中在混凝土模型的中部，以頂、底端部處裂紋分布為最少，由此可知，混凝土的破壞乃是從中部開始，逐步延伸至模型端部。

圖4 裂紋分布特征

4.2 開裂破壞特征

為研究水工混凝土模型的破壞細觀特征，本文提取獲得典型摻量模型在特征點D、E處破壞狀態(tài)，PFC3D中以顆粒流模型的碎片分布表征模型開裂破壞，如圖5所示。

圖5 模型的碎片分布特征(摻量0%、1.0%、2.0%)

分析模型開裂破壞可知，在三個摻量混凝土模型的碎片分布云圖中，殘余應力點E破壞碎片分布顯著高于應力下降段點D，表明水工混凝土的破壞過程具有漸進性與遞增性，而不是在短時間內發(fā)生失穩(wěn)破壞，即使受荷應力超過峰值應力后，但其在應力下降段及殘余應力段，仍具有一定承載能力，此可為工程設計提供基礎依據(jù)。對比三個摻量模型間破壞碎片分布差異，摻量2.0%模型破壞碎片的分布粒徑均高于摻量0%、1.0%模型，特征點E處其最大碎片尺寸可達4.66 mm，摻量0%、1%模型的最大碎片尺寸較之分別減少了4.7%、15.9%。分析認為，摻量1.0%模型的破壞碎片尺寸分布較小，有利于混凝土承重，能夠滿足水庫各設施承載、動荷載沖擊要求。

5 結 論

(1)纖維體摻量不影響該混凝土模型應力應變四階段走向，僅改變了各段特征點應力水平；摻量在低于1%時，混凝土模型強度與摻量具有正相關關系，摻量超過1%后，兩者為負相關；峰值應變受纖維體摻量影響變化特征與強度變化呈相反。

(2)混凝土模型中剪切裂紋占據(jù)主導，且愈接近破壞，張拉裂紋與之的差幅愈大；摻量改變，混凝土模型同一特征點處的張拉裂紋數(shù)量不變，但剪切裂紋數(shù)量均以摻量1%模型為最低；混凝土破壞裂紋的貫通發(fā)生在峰值應力后階段，且混凝土中部區(qū)域受破壞最嚴重。

(3)混凝土的破壞過程為漸進性與遞增性，在應力下降段與殘余應力段仍具有一定承載能力；摻量1%模型的破壞碎片尺寸為各摻量模型中最小，模型抗破壞碎片能力最強。