高強(qiáng)度大體積混凝土材料特性研究

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混凝土是一種由多相介質(zhì)組成的復(fù)合材料，具有不連續(xù)性、非均質(zhì)性的特點(diǎn)，在荷載作用下，其力學(xué)性質(zhì)、變形和破壞機(jī)理有很大離散性，并存在試件的尺寸效應(yīng)，這也正是大體積混凝土材料特性研究的困難所在。就高拱壩而言，對(duì)混凝土材料特性的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和合理利用，將極大地關(guān)系到工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。全面深入地開(kāi)展大體積混凝土的力學(xué)、變形、抗裂性能等特性研究，對(duì)高拱壩壩踵的開(kāi)裂機(jī)制和損傷斷裂機(jī)理進(jìn)行探討，可為高拱壩的設(shè)計(jì)和施工提供可靠的科學(xué)依據(jù)，并將對(duì)拱壩設(shè)計(jì)方法的完善和改進(jìn)、保證工程質(zhì)量、提高大壩安全度、節(jié)約混凝土原材料，節(jié)約工程投資都具有重大意義。 
    1、高強(qiáng)度大體積混凝土研究課題 
    拱壩強(qiáng)度安全的正確評(píng)價(jià)，必須從材料（混凝土、壩基巖體）的抗力特性與荷載作用效應(yīng)的仿真性研究著手。從目前大壩建設(shè)發(fā)展趨勢(shì)分析，下述一些問(wèn)題，還需進(jìn)一步研究。 
    1.1　裂縫防治 
    近代高拱壩建設(shè)發(fā)展趨勢(shì)表明：壩越來(lái)越高，拱圈弧度越來(lái)越平，壩體斷面越來(lái)越薄，混凝土澆筑強(qiáng)度日益加大，澆筑倉(cāng)面面積也不斷增加。所有這些變化都使壩體和混凝土澆筑塊的應(yīng)力增高，混凝土產(chǎn)生裂縫的可能性及裂縫擴(kuò)展的危險(xiǎn)性亦加大。為了減少和防止大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的可能性，通常從兩方面著手，一是提高混凝土材料本身的抗力特性，二是減小外力、溫度、約束等作用在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的效應(yīng)。改善混凝土材料本身抗力特性首先應(yīng)研究混凝土各組分對(duì)抗力特性的影響，通過(guò)混凝土各組分的品種與質(zhì)量選擇、最佳摻量、最佳組合、最佳配合比等項(xiàng)目的確定，達(dá)到提高混凝土材料自身抗裂能力和變形性能的目的。即改變目前混凝土配合比主要以強(qiáng)度、抗?jié)B及耐久性為目標(biāo)的設(shè)計(jì)方法，提出以抗裂為核心，全面改善混凝土各種物理力學(xué)性能的配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以適應(yīng)高拱壩建設(shè)的各種特殊要求。 
    1.2　在地震作用下的力學(xué)與變形特性參數(shù)的確定 
    現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，已完全有可能對(duì)地震作用下的壩－地基－庫(kù)水共同作用的地震響應(yīng)作出精確求解，但精度與仿真性卻受到兩方面的制約：一是當(dāng)遠(yuǎn)場(chǎng)地基深部產(chǎn)生地震后，震波通過(guò)介質(zhì)的傳播，受到反射、折射及不均勻介質(zhì)與不規(guī)則地形的影響，壩址河谷地區(qū)地震地面運(yùn)動(dòng)呈非均勻分布，因此應(yīng)選用正確的計(jì)算模型來(lái)合理地反映地震地面運(yùn)動(dòng)的非均勻變化；另一個(gè)制約因素是對(duì)大體積混凝土在地震作用下的強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系還不十分了解，以往設(shè)計(jì)只能沿用國(guó)外依據(jù)少量試驗(yàn)所確定的資料（如動(dòng)強(qiáng)度可提高30％，動(dòng)彈性模量可提高50％等），并基于經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)設(shè)計(jì)法來(lái)評(píng)價(jià)大壩抗震安全度。國(guó)內(nèi)對(duì)混凝土材料強(qiáng)度與變形的動(dòng)參數(shù)研究不多，且處于起始階段，動(dòng)載作用下混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系與斷裂特性研究尚屬空白，通常用于高拱壩的一些材料動(dòng)參數(shù)的合理性也難以通過(guò)工程實(shí)踐來(lái)驗(yàn)證。 
    我國(guó)高拱壩大多擬建于西南、西北地區(qū)，而這兩個(gè)地區(qū)均屬我國(guó)強(qiáng)震多發(fā)區(qū)，因此開(kāi)展對(duì)混凝土材料在地震作用下的應(yīng)力應(yīng)變特性研究，制定切合實(shí)際的高拱壩抗震安全度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，是高拱壩建設(shè)所急待解決的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 
    1.3　力學(xué)與變形的仿真 
    目前，拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)設(shè)計(jì)法，要求壩體最大應(yīng)力小于某一容許應(yīng)力值，容許應(yīng)力等于某一標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件在預(yù)定齡期的極限強(qiáng)度（拉、壓）除以一個(gè)經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)。經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)K是隨標(biāo)準(zhǔn)試件的尺寸和形狀不同而異，亦隨科技水平及施工水平的變化而變化。因此，采用容許應(yīng)力法進(jìn)行拱壩設(shè)計(jì)，用經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)評(píng)價(jià)大壩的強(qiáng)度安全，并不需要開(kāi)展對(duì)全級(jí)配混凝土大試件的強(qiáng)度特性研究，因?yàn)榘踩禂?shù)中已包含了試件尺寸效應(yīng)和粒徑效應(yīng)的影響。這種單一的、粗略的經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)，并不能反映大壩混凝土真實(shí)的抗力安全度，只能是一種數(shù)值上的安全感，它束縛了拱壩設(shè)計(jì)水平的提高。 
    當(dāng)前，對(duì)大壩安全度的評(píng)價(jià)的趨勢(shì)是向半經(jīng)驗(yàn)、半理論的設(shè)計(jì)方法過(guò)渡，用正常使用極限狀態(tài)的平穩(wěn)條件來(lái)評(píng)價(jià)大壩的安全。大壩強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則是控制在使大壩產(chǎn)生大變形或壩體裂縫開(kāi)始擴(kuò)展時(shí)，即大壩失效定義于材料（混凝土、巖基）產(chǎn)生塑性開(kāi)裂、裂縫擴(kuò)展，或是材料處于累積損傷狀態(tài)。材料的極限容許使用強(qiáng)度，只能是其極限強(qiáng)度（峰值強(qiáng)度）的某一分?jǐn)?shù)限值。因此，仿真的破壞全過(guò)程研究，材料的本構(gòu)關(guān)系以及定義于大體積混凝土正常工作狀態(tài)失效的極限容許使用強(qiáng)度的確定，就成為大壩安全評(píng)價(jià)必不可少的基本參數(shù)。 
    高拱壩設(shè)計(jì)的另一個(gè)趨勢(shì)是，既然高拱壩開(kāi)裂較難避免，關(guān)鍵是要嚴(yán)格控制壩體裂縫的擴(kuò)展。拱壩局部拉應(yīng)力超過(guò)控制標(biāo)準(zhǔn)并不會(huì)導(dǎo)致大壩立即失效，只要裂縫是穩(wěn)定的，大壩仍能安全運(yùn)行。三維非線性有限單元法提供了開(kāi)裂分析的手段，但分析成果的可靠性又依賴于對(duì)材料所假定的本構(gòu)模型，以往用通過(guò)濕篩處理后的混凝土小試件試驗(yàn)資料推出的混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系，難以仿真大體積混凝土受載的性態(tài)。因此，開(kāi)展對(duì)全級(jí)配混凝土試件強(qiáng)度和變形特性的宏觀研究，建立大小試件之間在破壞過(guò)程中各種特征點(diǎn)，如線彈性點(diǎn)、屈服點(diǎn)、峰值點(diǎn)的函數(shù)對(duì)比關(guān)系也就顯得特別重要。