碾壓混凝土細觀結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的數(shù)值模擬

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1、碾壓混凝土細觀結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的數(shù)值模擬摘要：本文在細觀層次上將碾壓混凝土看成是由硬化水泥粉煤灰砂漿體、粗骨料顆粒及二者間的粘結(jié)帶構(gòu)成的兩相非均質(zhì)復(fù)合材料，以隨機骨料模型代表碾壓混凝土的細觀結(jié)構(gòu)，采用有限元技術(shù)模擬了劈拉試件的開裂過程，所得碾壓混凝土的劈拉強度與試驗結(jié)果基本吻合。為碾壓混凝土破壞機理的研究、碾壓混凝土力學(xué)性能的數(shù)值模擬提供了新的技術(shù)途徑。關(guān)鍵詞：細觀復(fù)合材料隨機骨料模型有限元破壞機理強度　　碾壓混凝土是一種可用土石壩施工機械設(shè)備運輸及鋪筑，用振動碾壓實的干硬性混凝土，我國從1978年開

2、始對碾壓混凝土筑壩技術(shù)進行研究，在大量試驗研究的基礎(chǔ)上，將其廣泛應(yīng)用于實際工程，于1986年建成我國第一座高57m的坑口碾壓混凝土重力壩。目前，我國已建、在建碾壓混凝土壩約43座[１]。碾壓混凝土材料性能的研究是碾壓混凝土筑壩的關(guān)鍵技術(shù)課題之一，碾壓混凝土材料力學(xué)行為的研究，大都建立在試驗的研究基礎(chǔ)上，需要花費大量的人力、物力，所得試驗成果還受試驗條件的限制。本文擬采用隨機骨料模型[２]及數(shù)值模擬技術(shù)，在細觀層次上探索碾壓混凝土細觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能的關(guān)系。1隨機骨料模型的形成　　本文假定已知級配

3、的骨料其顆粒形狀為球形，按骨料達到最優(yōu)密實度條件的Fuller三維級配曲線，其級配曲線表達式為[３]：Y＝(D0/Dmax)1/2(1)式中：Y為骨料通過直徑為D０篩孔的重量百分比；Dmax為最大骨料顆粒徑。soNormal>PC(D<D0)=Pk[1.065(D0/Dmax)0.5－0.053(D0/Dmax)４－0.012(D0/Dmax)6(2)－0.0045(D0/Dmax)8＋0.0025(D0/Dmax)10式中：Pk為骨料體積占試件總體積的百分比，一般取Pk＝0.

4、75；Dmax為骨料最大粒徑?！　「鶕?jù)不同的D０值，由式(2)可求得概率分布曲線PC(D<D0)～D0/Dmax，據(jù)此可求得在試件內(nèi)截平面上各種料徑的顆粒數(shù)?！　∮梢陨辖Y(jié)果，將小于5mm的細骨料計入砂漿均質(zhì)體，按各種粗骨料在截面上不相重疊的條件，由蒙特卡洛法，隨機生成各粗骨料顆粒的形心坐標，即可形成隨機骨料模型。　　在本文中，以桃林口水庫碾壓混凝土劈拉試驗為算例進行數(shù)值模擬，采用該水庫碾壓混凝土芯樣尺寸，模擬試件的隨機骨料模型及尺寸如圖1所示。2有限元程序、計算網(wǎng)格及材料參數(shù)圖1碾壓混凝土劈

5、拉試件骨料隨機分布2.1有限元程序　本文利用我院自編的結(jié)構(gòu)分析有限元程序NLFE1，以碾壓混凝土劈拉試件仿真模擬分析為例，進行細觀結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究?！　　　炷涟韬臀锏膬蓚€主要構(gòu)元粗骨料和硬化水泥粉煤灰砂漿分別進行試驗，都會出現(xiàn)彈性破壞，而碾壓混凝土本身在破壞前卻表現(xiàn)出非彈性性質(zhì)[５]。因此本文采用碾壓混凝土的各相在破壞前符合彈脆性材料假設(shè)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為線彈性關(guān)系。當(dāng)單元體主應(yīng)力大于該相材料強度時，則單元發(fā)生開裂，程序自動用簡單超余應(yīng)力轉(zhuǎn)移法將超余應(yīng)力轉(zhuǎn)移至相鄰未破壞單元。2.2計算網(wǎng)格　

6、　在隨機地生成骨料顆粒系統(tǒng)之后，對結(jié)構(gòu)進行有限元分析時，首先要將研究區(qū)域劃分為有限元網(wǎng)格，這將涉及到成千上萬個單元和節(jié)點，數(shù)據(jù)準備工作則變得極其繁重。特別是對于需要隨機改變顆粒組合，反復(fù)進行網(wǎng)格剖分的情況下，不尋求某種自動或半自動的方法，是難以實現(xiàn)的。(3454個單元，1833個結(jié)點)圖2碾壓混凝土劈拉試件的有限元計算網(wǎng)格　　本文采用Delaunay三角剖分的原理[６，７]，通過引進程序?qū)崿F(xiàn)了對隨機骨料顆粒分布區(qū)域的全自動剖分。當(dāng)某三角形單元的3個結(jié)點均落在骨料顆粒內(nèi)時，定為骨料單元；當(dāng)某三角形單

7、元的3個結(jié)點均落在硬化水泥粉煤灰砂漿區(qū)域內(nèi)時，定為砂漿單元；當(dāng)某三角形單元的3個結(jié)點分別落在骨料和砂漿區(qū)域內(nèi)時，則定為粘結(jié)帶單元。對不同單元分配不同的材料特性。為模擬碾壓混凝土層面處理的條件，在試件中部設(shè)置厚度為1cm的水泥砂漿層面，考慮施工因素影響，可使層面力學(xué)性能弱化，故取水泥砂漿層面力學(xué)性能與粉煤灰砂漿相同。以上材料類型的判斷完全通過編程由計算機實現(xiàn)。對于劈拉試件的有限元計算網(wǎng)格如圖2所示。2.3材料參數(shù)隨機骨料模型材料性能，綜合3數(shù)值模擬結(jié)果歸納及分析3.1碾壓混凝土試件受劈拉的開裂過程　

8、為了模擬開裂過程，取單寬厚度的試件斷面進行研究，每級荷載增量較小，共分10級施加。圖3為試件受劈拉時的開裂過程。從圖3可以看出，在試件受劈拉時裂縫先沿粘結(jié)帶擴展，最后沿碾壓混凝土的層面破壞，且裂縫的擴展方式不是連續(xù)的，即所謂的裂縫面橋現(xiàn)象[１０]，與試件破壞狀態(tài)相似。3.2碾壓混凝土的劈拉強度3.1.1計算強度與試驗強度的對比在計算劈拉強度時，荷載分級施加。當(dāng)荷載增加到最后一級，總荷載達到P=6.78kN/cm，裂縫沿碾壓混凝土層面貫通，試件破壞。劈拉強度按下式計算[11]：R