渠道防渗混凝土三轴力学破坏特性试验研究

杨奇

（新疆生产建设兵团第三师水利工程建设管理处，新疆喀什 843900）

0 引言

水工混凝土材料在水利工程中应用广泛，研究该类材料三轴力学基础特性，对水利设计水平提高具有重要意义[1-3]。在水库工程堆石坝中，心墙坝体常常采用水工混凝土材料，其力学特性对探讨水库坝体安全稳定运营具有重要作用[4，5]。由于混凝土材料颗粒流特性，目前，国内外已有较多学者基于颗粒流仿真计算软件，研究了混凝土材料单轴、三轴破坏特性及力学特征参数变化，为水利工程中认识混凝土材料体重重要参考[6-8]。当然，基于室内混凝土材料试验系统，设计开展混凝土的力学破坏试验，有助于系统性提升混凝土材料在水利工程中应用水平[9-11]。利用混凝土材料试验机，设计开展水工混凝土材料三轴力学特征影响因素试验研究，分析混凝土材料力学特征变化的影响规律，为农业灌区水利工程中混凝土材料设计应用提供重要参考。

1 试验介绍

1.1 试验背景与试验仪器

前海灌区是南疆地区重要农牧场基地，包括有58.67hm2农业生产用地，为提升农业灌溉效率，已在灌区内修建超300km的输水渠道，渠道设计流量为5.94～1.04m3/s，其中在重要调度节点设置有调节闸等水利设施。但由于灌区运营时间较长，部分支渠渠道出现渗漏及渠边坡坍塌等现象，因而考虑对支渠开展防渗改建。设计部门经现场踏勘，初步考虑采用掺无机材料型水工混凝土作为基本原材料，对渠道底板及全断面浇筑混凝土，保证全断面混凝土厚度超过70mm，而水工混凝土材料的力学特征与渠道防渗性能息息相关，故设计开展水工混凝土三轴力学破坏试验。

试验采用TAW-150混凝土材料试验机，实验系统包括数据采集系统与加载系统，荷载最大可达1000kN，围压最大可达50MPa，可变换多种控制方式加载，精度误差最小仅为0.2%；数据采集系统可实时查看数据，采集间隔为0.5s，力传感器及位移传感器在实验前均已标定，纵向、横向位移均采用不同传感器量测，其中纵向位移传感器监测最大可达12cm，可根据不同尺寸试样更换套筒，包括径高比为1/2，1/1的试样。

1.2 试验方案

为研究水工混凝土试样三轴力学特性，研究设计开展加载速率及围压参数影响特性试验方案，加载速率参数分别为3，6，9MPa/min，围压参数设定为0，0.5，1.0，1.5MPa；由于特殊的工程环境，水工混凝土掺有无机复合材料钢纤维，混凝土试样配合比按照水胶比、无机材料掺率、砂率3个影响参数设计12个配合比方案，按照参数影响特性，共分为J，W，S三大类，具体配合比及试验方案如表1所示。按照试验方案目标配合比，取定量材料加水拌匀后，利用混凝土搅拌机将混凝土颗粒振捣均匀，加入目标量的钢纤维，保证试样加载过程中各向同性。将制作好的混凝土堆料加入混凝土养护模具中，养护形成满足三轴试验要求尺寸的试样，尺寸为100mm×200mm，养护48h后方可拆除模具。为减少试验前由于环境对试样力学特性物理损耗，将拆除模具后的试样放入养护箱内，养护36h后才可进行三轴试验，实验中参照规范[12]进行试验研究。

表1 各实验方案具体组合表

三轴试验步骤如下：

1）检查三轴试验系统内各传感器测试准确性，以隔油套筒包裹混凝土试样，安装至压力舱内，在试样表面安装位移传感器，保证试样中心对准加载台垂直方向，仪器台另装竖向传感器，调整好量程范围，清零力传感器；

2）先施加围压，后开始按照预设速率加载，实时采集数据，峰值应力后失稳破坏，停止实验，结束采集；

3）卸下荷载，取出试样，进行下一块试样试验。

2 加载速率的影响分析

2.1 应力应变特征

基于不同加载速率下混凝土试样三轴力学破坏实验，获得应力应变数据，图1为典型代表组试样加载速率影响下应力应变曲线。从图1可看出，不同速率加载过程中试样应力应变趋势基本一致；但从各加载速率试样对比可知，高加载速率试样应力水平显著高于低速率，以无机材料W组试样对比可知，在相同应变1%下，加载速率为9 MPa/min时试样对应的应力为4.15MPa，而加载速率为3，6MPa/min时试样相比前者分别降低了50.1%，18.1%，表明加载速率与水工混凝土试样应力水平为正相关关系。

图1 试样应力应变特征与加载速率关系

分析认为，三轴应力作用下，试样失稳破坏实质上是由于内部裂纹逐渐延伸扩展导致的，而在高加载速率下，试样内部裂纹扩展速度与加载速率并不匹配，裂纹扩展滞后于加载速率，故而试样内部裂纹的延伸扩展受限，即试样承载能力受裂纹延伸影响较弱，进而导致加载应力水平较高。对于砂率组试样加载速率影响特性来说，加载速率对其加载过程中应力水平亦是促进作用；从峰值应力后阶段变形特征来看，高加载速率下试样变形下降愈陡，对于低加载速率试样，其下跌幅度较缓，在砂率S组中加载速率为3MPa/min时试样从峰值应力至残余应力3MPa，历经0.83%应变，而加载速率6，9MPa/min分别历经0.8%，0.7%应变，即高加载速率试样失稳破坏更迅速剧烈，其破坏实质上是短时间内较多裂纹集中扩展造成的。

图2为两个典型代表组试样峰值应变变化特征曲线。从图2可看出，加载速率与峰值应变为负相关关系，在相同围压0.5MPa时，L-01试样在加载速率3，6，9MPa/min下峰值应变分别为1.36%，1.19%，1.05%；当在相同加载速率下，无机材料掺率不同时，W组试样中峰值应变随无机材料掺率增大；在砂率S组中，加载速率抑制峰值应变发展，但相同加载速率下峰值应变随砂率为先增后减变化。

图2 峰值应变与加载速率关系曲线

分析认为，高加载速率试样裂纹扩展较慢，因而在峰值应力点时应变较小；当无机材料掺率愈多时，水工混凝土试样更趋于软化性，变形能力更强，故而相同加载速率下以高无机材料掺率的试样峰值应变更大；由于砂率与水工混凝土最佳砂率区间有关，笔者认为，当砂率过高时（砂率60%），不能以传统的混凝土性能来评价试样力学特征，其峰值应变下降受非合理砂率区间影响较大。

2.2 强度特征

基于三轴加载破坏试验获得各加载速率下试样强度特征，如图3所示。从图3可看出，三轴抗压强度与加载速率为正相关关系，L00试样在加载速率3MPa/min下强度为3.84MPa，而加载速率6，9MPa/min相比前者分别增大了7.9%，30.7%；当无机材料掺率增大至47%时，两个增大幅度又分别为26%，27.2%；而在掺率60%时，幅度又分别为28.8%，41.5%，即无机材料掺率增大，加载速率影响强度之间差异愈大，表明高无机材料掺率下试样三轴强度受加载速率影响愈为敏感。

图3 三轴强度与加载速率关系曲线

分析表明，无机材料掺率愈大，则混凝土试样颗粒骨架之间粘结性能更佳，试样整体稳固性更好，表现在三轴试验中即是承载强度愈高。砂率S组试样中加载速率促进三轴强度增长效应均一致，在砂率为50%时，加载速率6，9MPa/min试样三轴强度相比速率3MPa/min下分别增大了8.2%，28.7%，而在砂率为60%时，增长幅度分别为18.9%，30.9%，砂率为70%时幅度又变为27.9%，40.6%，即高砂率下各加载速率试样间三轴强度差异逐渐增大，高砂率混凝土试样三轴强度受加载速率影响愈为敏感，此与高无机材料掺率下加载速率影响特性一致。

3 围压的影响分析

3.1 应力应变特征

限于篇幅，本文针对围压影响力学特征效应，仅以水胶比J组试样开展分析，图4为不同围压混凝土试样应力应变曲线。从图4可看出，各试样应力应变走向基本一致，高围压下试样应力水平较高，J00组试样中，在相同应变0.75%时，围压0MPa下应力为2.33MPa，而围压0.5，1.0，1.5MPa相比前者分别增大了47.2%，60.9%，93.1%。当围压增大，混凝土试样侧向束缚力增强，裂纹的扩展延伸受到较大限制，因而引起试样加载应力水平增长。另从J01组试样中可看出，在高围压下试样塑性变形显著增强，峰值应力后期愈发稳定，试样趋于硬化，低围压下混凝土试样裂纹约束力较低，受剪切破坏显著，特别是在单轴压缩条件下（围压0 MPa），试样峰值应力后下跌显著，宏观贯通裂纹对试样稳定性造成较大影响。而在应变方面，围压对峰值应变具有促进效应，如图5所示，J02试样在围压0，0.5，1.0，1.5MPa下峰值应变分别为0.69%，0.82%，1.02%，1.34%，最大增长幅度为94.2%，而针对J00，J01，J03试样，最大增长幅度分别为114.7%，104.2%，88.5%。分析表明，水胶比J组试样中，当水胶比参数降低，三轴峰值应变增长幅度递减，笔者认为水胶比参数愈低，则水工混凝土中可参加胶凝材料水化反应的流动水分子愈少，内部可形成孔隙率愈少，颗粒骨架稳定性愈好，故而峰值应变增长能力递减；针对围压促进峰值应变发展，此与试样所受到较大束缚力有关，当围压愈大，试样破坏过程中裂纹的贯通所受到阻力愈大，在峰值应力时内部裂纹孕育有较大能量，所产生的变形故而较高。

图4 不同围压混凝土试样应力应变曲线

图5 峰值应变与围压关系曲线

3.2 强度特征

基于各围压下试样三轴应力应变数据，获得围压影响下混凝土三轴强度变化特征，如图6所示。从图6可知，同一配合比试样三轴强度与围压为正相关关系，J00试样在围压0MPa下强度为2.3MPa，而围压0.5，1.0，1.5MPa试样强度相比前者分别增大了65.2%，108.7%，139.1%，水胶比参数递减，C01，C02，C03试样三轴强度随围压增长最大幅度分别为133.3%，123.7%，117.6%，即水胶比参数与混凝土试样三轴强度增长幅度为正相关关系。由此分析表明，混凝土中胶凝材料水化反应的流动水分子减少，会引起各围压组试样之间强度差异减小，试样稳固性变佳，孔隙率对各试样强度影响差异减少，因而围压提升三轴强度的幅度效应降低。

图6 三轴强度与围压关系曲线

4 结语

利用混凝土材料三轴试验系统，针对前海灌区渠道水工混凝土防渗材料开展了力学破坏实验研究，主要得到：试样三轴加载应力水平与加载速率为正相关关系，高加载速率试样失稳破坏更迅速剧烈，峰值应变随无机材料掺率增大，但其随砂率为先增后减变化；试样三轴加载抗压强度与加载速率为正相关，无机材料掺率或砂率愈大，加载速率对三轴强度提升作用愈显著；围压限制裂纹扩展，引起加载应力较大，峰值应变与围压为正相关关系，同时水胶比参数愈低，围压提升峰值应变效应愈弱；试样三轴强度与围压为正相关关系，水胶比参数愈低，则围压促进强度增长幅度愈小。