碾压混凝土单轴压缩数值模拟研究

张业旭 许舰

摘 要：对碾压混凝土力学性质的研究，大都是基于宏观的实验来确定的，但是实验条件受到很多因素的影响，其结果往往与理论值有很大的出入，因此从细观层次入手，采用RFPA2D软件为工具，建立数值模型单轴压缩实验，研究碾压混凝土层面厚度对其本体的影响，初步分析和探讨了解材料的破坏机理，研究材料在不同条件下的本构关系。

关键词：碾压混凝土；单轴压缩；层面；力学性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.076

1 引言

碾压混凝土是用振动碾压实的超干硬性混凝土，是一种应用极其广泛的多相非均质复合材料，其组成成分结合处也即其层面的力学性能对碾压混凝土宏观力学性能影响较大。且碾压混凝土层面力学性能的研究对于充分发挥材料强度，提高设计水平，降低工程造价以及提高工程结构的安全性具有十分重要的意义，因此，国内外许多学者对碾压混凝土作出了很多研究，综合起来大概有碾压混凝土的层面对其力学性能的影响[1，2]、层面对其渗透性能的影响及层间结合质量等，但在研究过程中，有时会忽略材料内部复杂的细观结构，且大都是基于宏观的实验来确定的，这不仅需要花费大量的人力、物力、财力等，而且因为实验条件受到很多因素的影响，其结果往往与理论值有很大的出入，因此很难揭示材料变形和破坏的物理机制。本文在前人研究工作的基础上，以RFPA2D软件为工具，采用随机生成骨料方法建立模型研究层面厚度对碾压混凝土试件的破坏过程和及其本构关系。

2 数值模型建立及结果分析

2.1 数值模拟模型

碾压混凝土单轴压缩模拟试验的数值模型见图2.1。模型大小为100mm×100mm，层面厚度为2mm，试验时，在试件顶部施加荷载，为避免产生相对位移，将底部进行固定。

2.2 碾压混凝土单轴压缩数值模拟试验结果及分析

碾压混凝土单轴压缩数值模拟试验结果见图2.1，为了便于比较，本文将文献[3]中的碾压混凝土实验室的实测结果也绘于图2.1。

从图2.1所示的应力—应变曲线模拟的试验结果可以看出数值模拟试件与物理实验的碾压混凝土试件在应变为0.0009之前呈现直线，随着应变的增加，两者的曲线开始出现非线性特征，此时应力随着应变增加的速率越来越小，当增加的速率为0时，此时应力达到峰值；数值模拟碾压混凝土试件峰值点对应的峰值应变0.0020，而物理实验碾压混凝土试件的峰值点对应的峰值应变0.0018，参照《混凝土结构设计规范》（GB50010.2002）的规定，数值模拟碾压混凝土试件的峰值强度与峰值应变与规范接近，而物理实验碾压混凝土试件存在偏差，导致这种原因可能与取的载荷步的大小有关。

3 层面厚度对碾压混凝土力学性能的影响

为了研究层面厚度（δ）对碾压混凝土单轴压缩破坏力学性能的影响，在模型2.1基础上，改变碾压混凝土试件中层面的厚度，分别为1mm、2mm和3mm，试件的尺寸和其他均保持不变，建立3组数值试样（见表3.1）。对3组试样进行了碾压混凝土单轴压缩的数值模拟，得到的应力—应变曲线如图3.1所示。

由表3.1的数据可知，当层面厚度（δ）由3mm到2mm、1mm时，对应碾压混凝土试件的峰值应力从15.002MPa变化到15.967MPa、16.978MPa，峰值应力分别增加了0.965MPa和1.976MPa，变化率分别为6.43%和13.17%；峰值应变由0.00191增加到0.00200、0.00221，变化率分别为4.71%和15.71%；残余强度由1.832MPa变化到2.013MPa、2.175MPa，变化率分别为9.8%和18.72%。从应力—应变曲线图（图3.1）可以看出，在应力—应变曲线上升阶段，三组不同层面厚度的碾压混凝土试件的应力应变曲线基本保持重合，当达到峰值应力的60%左右时，三组试件的应力应变曲线开始出现分离，层面厚度越小，应力应变曲线的斜率越大，碾压混凝土的弹性模量越大，峰值应力越大。这说明在单轴压力作用下，层面厚度对碾压混凝土力学性能有一定影响，随着层面厚度的减小，峰值应力、峰值应变、残余强度都有不同程度的提高。

4 结论

本章首先利用RFPA2D软件建立碾压混凝土试件数值模型，模拟单轴压缩试验，研究碾压混凝土层面厚度、层面抗压强度、层面弹性模量对碾压混凝土力学性能的影响。通过研究获得以下成果：

（1）数值模拟碾压混凝土单轴压缩试验，将数值模拟试验结果与已有文献报道的室内物理试验结果对比，验证了数值模拟试验的有效性。

（2）随着碾压混凝土层面厚度的减小，单轴压缩时的峰值应力强度、峰值应变及残余强度都逐渐增加。单轴受压状态下，层面厚度（δ）对碾压混凝土力学性能的影响较大。

參考文献：

[1]孙荣书.有层面碾压混凝土轴拉断裂研究[D].大连理工大学，2005.

[2]黄志强，宋玉普，吴智敏.碾压混凝土层间拉伸破坏过程的数值模拟研究[J].水利学报，2005（06）：680-686+693.

[3]简政，黄松梅，涂传林等.碾压混凝土层面断裂试验研究[J].西安理工大学学报，1997，13（02）：129-134.