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历史证明,工程结构在地震时所遭遇的破坏是造成人民生命财产重大损失的主要原因之一,加强结构动态性能研究、探索减灾防灾技术,对确保人类生存安全与社会安定具有重大意义。加强混凝土材料动态性能研究,是进行混凝土结构动态性能研究的起点,也是本文立项的基点。
目前,对于大气自然环境中的混凝土静动态研究已取得丰硕成果,但对于水压作用下的混凝土静动态性能研究还有待深入。在水压中工作的混凝土结构,尤其是在高水头下,水压力成为了结构设计的控制性因素。大坝承受的库水和地震作用将达到千万吨级的水平,坝体最大静、动拉应力可能达到或超过混凝土的极限承载能力,成为结构破坏和功能退化的主要原因。因此,开展有压水作用下的混凝土材料动态性能研究,为实际工程建设提供参考依据具有相当重要的意义。
为此,本文在国家自然科学基金(51279092)的资助下,进行了基体强度为C30的混凝土材料在不同围压和不同应变速率下的常三轴单调压缩试验,累计完成91个试件的加载试验,获取了63组有效数据。
本文混凝土材料力学试验均在我校“10 MN大型多功能静动力三轴仪”上完成,试验首先采用围压系统对试件进行了足够时间的浸泡,使其处于完全饱水状态,再进行围压环境下的不同应变速率加载,为对比分析同步进行了干燥无水压下的试验。通过分析试验数据得到不同应变速率以及不同围压环境下的混凝土峰值应力、峰值应变、弹性模量等参数；在此基础上,基于数学统计理论建立了混凝土本构模型,并分析了本构模型中相关参数与应变速率的相关性。具体工作内容及相关结论如下。
(1)首次系统地进行了混凝土常规三轴静动态抗压性能试验,分析了混凝土在不同水压中受不同加载速率作用下的力学与变形特性。试验结果表明,混凝土的强度随应变速率的增大逐渐增大；混凝土的峰值应力对应变速率的敏感性随围压增大而增大；干燥混凝土的强度比湿饱和混凝土强度要高。在干燥无水压及饱和有水压中混凝土的弹性模量随加载速率的增加总体呈增大的趋势；弹性模量随加载环境的变化并不明显；混凝土的弹性模量对围压的敏感性小于对应变速率的敏感性。干燥混凝土要比水饱和混凝土的变形大,混凝土的峰值应变随围压增大而增加；混凝土的峰值应变随应变速率的增大而增大,与围压的相关性较小。混凝土的吸能能力随应变速率的增大而增大；随围压增大呈先增强后减弱的趋势,但总体呈增大的趋势；在有水压环境中混凝土的吸能能力对率敏感性更强。
(2)首次构建了基于水压的动态率型损伤模型,并针对模型进行了试验验证。结果表明,三轴压缩状态下,混凝土损伤特性在峰前服从Weibull统计分布,峰后服从Lognormal统计分布；不同水压下,饱和有水压与干燥无水压下混凝土的应力-应变拟合曲线变化不大,曲线总体变化规律相似；试验验证认为本文构建的损伤模型是有效的。
(3)首次进行了饱和混凝土在不同水压中受不同加载速率作用下的损伤破坏机理分析。研究表明,在水压中,Stefan效应及惯性效应对混凝土的率效应均影响较大,前者的影响大于后者；随应变速率的增大,混凝土的损伤演化规律为峰前损伤差值越来越小,峰后损伤差值越来越大；随围压增大,混凝土峰后损伤极限差值增大,且应变速率越大,在同一应变下的损伤值越小,围压水对混凝土的损伤起到了促进作用。
为进一步加强该领域的研究工作,本文认为未来混凝土的研究工作应从以下几方面加强：(1)对混凝土在不同服役环境下的动态特性进一步开展拓展性研究,探索混凝土处于不同环境下各项力学性能的变化规律；(2)从宏观、细观、微观等多个层面进行广泛研究,对混凝土的损伤机理与破坏机制进行深入认识,为理论研究提供依据；(3)进行试件密封条件下与不密封条件下的对比试验,探讨两种不同围压作用条件下的特性差异；(4)加强理论研究,构建多因素作用下的统一本构模型,从而构建其分析理论,为工程应用提供依据。