一种测定压剪条件下岩石-混凝土界面剪切软化本构关系的试验方法

1.本发明属于岩石-混凝土断裂性能研究领域，涉及一种测定压剪条件下岩石-混凝土界面剪切软化本构关系的试验方法。


背景技术：

2.对于建造在岩石基础上的混凝土结构物，如混凝土重力坝，岩石与混凝土的接触面是一个薄弱部位，已成为结构承载与耐久性能的短板。若施工期间浇筑养护不当或者服役期间遭受复杂的荷载与温度变化，接触面极易出现初始缺陷并逐渐演化为宏观裂缝，界面裂缝的扩展极大地削弱了结构的承载力，成为混凝土重力坝安全运行的潜在威胁。与混凝土等单介质材料类似，岩石-混凝土界面也可视为一种准脆性材料，裂缝扩展以断裂过程区为先导，其中作用着粘聚应力以表征材料的应变软化行为。应用非线性断裂力学进行界面裂缝扩展分析时，准确表征界面断裂损伤区内的软化行为是进行界面断裂分析的基础。软化本构关系描述了断裂过程区内传递拉伸/剪切粘聚应力与裂缝张开/滑移位移的定量关系，是界面非线性断裂力学研究的热点。
3.申请人长期致力于岩石-混凝土界面断裂机理以及重力坝破坏模式的研究，曾经提出了一种测定岩石-混凝土界面剪切本构关系的试验方法并获批了发明专利(申请号：201611152877.8)。实际工程中，在自重与外部水压力综合作用下，混凝土重力坝的岩石-混凝土界面处于压剪复合应力状态。压剪复合应力状态下界面的软化特性以及断裂机理与纯剪切条件下具有显著的不同，法向压应力导致的摩擦阻力使得界面的粘聚增韧作用与剪切强度明显提升。此外，即使界面产生剪切破坏，界面处仍然存在由摩擦阻力引起的残余剪切应力。若忽略法向压应力的影响，直接采用纯剪切软化本构关系来近似表征压剪条件下界面的软化行为并预测破坏模式与承载能力，这将严重低估界面的粘聚增韧作用，进而导致计算结果的不正确。根据申请人的前期调查，现有研究还未提出压剪复合应力状态下岩石-混凝土界面剪切软化本构关系的确定方法。基于此，申请人提出了一种测定压剪条件下岩石-混凝土界面剪切软化本构关系的试验方法。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种测定压剪条件下岩石-混凝土界面剪切软化本构关系的试验方法。发明内容如下：
5.(1)试件尺寸：试件尺寸：复合试件由几何尺寸相同的岩石块与混凝土块组成，左侧为岩石块，右侧为混凝土块，其中岩石弹性模量为e。在岩石-混凝土界面两端分别设置初始裂缝，如图1所示。复合试件长度l与高度h均不小于10倍混凝土最大骨料粒径，厚度t不小于5倍混凝土最大骨料粒径，初始裂缝长度a0设定为0.1h～0.2h；
6.(2)加载形式：试件加载形式如图2所示。将水平与竖直方向设定为x与y方向。首先，沿x方向在岩石表面施加水平压应力，加载速率为0.02mpa/s～0.05mpa/s；然后，沿y方
向在混凝土上、下表面施加竖直荷载，加载速率为0.1mm/min；在加载板与复合试件之间设置三层减摩片并涂抹润滑油，以消除二者之间摩擦；
7.(3)测量方案：采用粘贴应变片的方式监测岩石表面y方向应变，进而推导界面剪切软化本构关系，应变片布置方案如图3所示。自初始裂缝尖端起，沿y方向在岩石表面等间距划k+1条水平线段，线段间距δh为15mm～25mm；每条线段上等间距布置n个应变片以监测该位置处岩石表面应变ε1、ε2…
ε
n-1
、εn，应变片间距δl＝l/2n；沿着岩石-混凝土界面，在相邻两条线段中间位置处布置夹式引伸计，以监测界面滑移位移，共计k个测点；根据相邻两条线段上的应变片数据与相邻两条线段中间位置处的夹式引伸计数据，可推导一条界面剪切软化本构关系曲线；考虑到剪切试验的离散性与不确定性，夹式引伸计数量k不小于3，应变片数量n不小于5；
8.(4)数据处理：取相邻两条线段之间的岩石块为一个计算单元，如图4所示，根据应变分布曲线计算y方向应力分布曲线，y方向应力分布曲线在岩石横截面上的积分即为y方方向合力；为简化计算，以y方向应力分布曲线上矩形面积代替实际的曲边梯形面积；岩石横截面上y方向合力f由公式(1)计算；采用该方法分别得到计算单元上、下表面合力f1、f2；界面处的平均剪切应力τ由公式(2)计算；
9.f＝etδl(ε1+ε2+ε3+...+εn) (1)
[0010][0011]
将韧带处两条线段中间位置处夹式引伸计的监测结果视为界面处平均滑动位移s，做出加载全过程平均剪切应力-平均滑动位移(τ-s)曲线，如图5所示，曲线的下降段即为压剪条件下岩石-混凝土界面剪切软化本构关系；将k个计算单元得到的结果进行平均处理，即得到最终的压剪条件下岩石-混凝土界面剪切软化本构关系。
[0012]
本发明的有益效果是：采用本发明提出的试验方法，只需进行简单的压剪试验，即可准确且方便地确定压剪条件下岩石-混凝土界面剪切软化本构关系。此外，本发明也适用于拉剪条件下岩石-混凝土界面剪切软化本构关系的测定。
附图说明
[0013]
图1为试件尺寸示意图，(a)为正视图，(b)为剖面图；
[0014]
图2为加载形式示意图；
[0015]
图3为测量方案示意图；
[0016]
图4为数据处理方法示意图；
[0017]
图5为平均剪切应力-平均滑动位移(τ-s)曲线。
具体实施方式
[0018]
为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加明确，下面以1mpa压应力条件下岩石-混凝土自然粘结界面为实施例，具体地描述压剪条件下岩石-混凝土界面剪切软化本构关系的确定方法。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0019]
(1)试件准备
[0020]
本实施例采用的试件尺寸为h
×
l
×
t＝150mm
×
150mm
×
75mm，界面两端初始裂缝长度a0＝15mm。岩石采用花岗岩，混凝土采用c30混凝土。岩石的弹性模量为40.88gpa，泊松比0.117；混凝土的弹性模量为28.79gpa，泊松比0.268。为了较为真实地反映实际工程中基岩的表面特征，通过三点弯曲断裂试验得到岩石的自然断面作为粘结面。在岩石自然断面两端各粘贴两片尺寸为15mm
×
75mm的pvc薄片以形成15mm长的初始裂缝。将岩石块固定在模具一侧，在模具另一侧浇筑混凝土，通过充分振捣使岩石断面与混凝土充分粘结。
[0021]
(2)应变片与夹式引伸计的布置
[0022]
自初始裂缝尖端起，沿y方向在岩石表面等间距划4条水平线段，线段间距δh＝20mm。每条线段上等间距布置5个应变片以监测该位置处岩石表面应变。应变片间距δl＝15mm。沿界面韧带方向，在相邻两条线段中间位置处布置夹式引伸计监测界面滑移位移，共计3个测点。
[0023]
(3)加载及数据采集
[0024]
为保证应力分布均匀，在试验机与试件之间放置两个加载板。在试样与加载板之间添加三层聚四氟乙烯(ptfe)薄片以消除摩擦。调整试件、加载板与加载头的相对位置，避免偏心加载。首先，x方向以荷载控制模式按0.02mpa/s加载至1mpa，在试验过程中x方向荷载值保持不变。然后，y方向以位移控制模式按0.1mm/min施加荷载。为防止试验机受损，在荷载值达到峰值后停止加载。记录y方向加载全程的应变片数据及夹式引伸计数据。
[0025]
(4)剪切软化本构关系的推导
[0026]
获得加载全过程的岩石表面应变数据及各测点处的滑动位移数据，按照上述数据处理方法得到3条平均剪切应力-平均滑动位移(τ-s)曲线。对三条曲线进行平均处理，可得到最终的1mpa压剪条件下岩石-混凝土界面剪切软化本构关系，如图5所示。

技术特征：
1.一种测定压剪条件下岩石-混凝土界面剪切软化本构关系的试验方法，其特征在于，步骤如下：(1)试件尺寸：复合试件由几何尺寸相同的岩石块与混凝土块组成，左侧为岩石块，右侧为混凝土块，其中岩石弹性模量为e；在岩石-混凝土界面两端分别设置初始裂缝；复合试件长度l与高度h均不小于10倍混凝土最大骨料粒径，厚度t不小于5倍混凝土最大骨料粒径，初始裂缝长度a0设定为0.1h～0.2h；(2)加载形式：将水平与竖直方向对应设定为x与y方向；首先，沿x方向在岩石表面施加水平压应力，加载速率为0.02mpa/s～0.05mpa/s；然后，沿y方向在混凝土上、下表面施加竖直荷载，加载速率为0.1mm/min；在加载板与复合试件之间设置三层减摩片并涂抹润滑油，以消除二者之间摩擦；(3)测量方案：采用粘贴应变片的方式监测岩石表面y方向应变，进而推导界面剪切软化本构关系；自初始裂缝尖端起，沿y方向在岩石表面等间距划k+1条水平线段，线段间距δh为15mm～25mm；每条线段上等间距布置n个应变片以监测该位置处岩石表面应变ε1、ε2…
ε
n-1
、ε
n
，应变片间距δl＝l/2n；沿着岩石-混凝土界面，在相邻两条线段中间位置处布置夹式引伸计，以监测界面滑移位移，共计k个测点；根据相邻两条线段上的应变片数据与相邻两条线段中间位置处的夹式引伸计数据，可推导一条界面剪切软化本构关系曲线；考虑到剪切试验的离散性与不确定性，夹式引伸计数量k不小于3，应变片数量n不小于5；(4)数据处理：取相邻两条线段之间的岩石块为一个计算单元，根据应变分布曲线计算y方向应力分布曲线，y方向应力分布曲线在岩石横截面上的积分即为y方方向合力；为简化计算，以y方向应力分布曲线上矩形面积代替实际的曲边梯形面积；岩石横截面上y方向合力f由公式(1)计算；采用该方法分别得到计算单元上、下表面合力f1、f2；界面处的平均剪切应力τ由公式(2)计算；f＝etδl(ε1+ε2+ε3+...+ε
n
) (1)将韧带处两条线段中间位置处夹式引伸计的监测结果视为界面处平均滑动位移s，做出加载全过程平均剪切应力-平均滑动位移(τ-s)曲线，曲线的下降段即为压剪条件下岩石-混凝土界面剪切软化本构关系；将k个计算单元得到的结果进行平均处理，即得到最终的压剪条件下岩石-混凝土界面剪切软化本构关系。

技术总结
一种测定压剪条件下岩石-混凝土界面剪切软化本构关系的试验方法。试件由岩石块与混凝土块组成，试件界面的上、下部位预留初始裂缝。自初始裂缝尖端起，沿Y方向在岩石表面等间距划水平线段，每条线段上等间距布置应变片。沿界面韧带在相邻两条线段的中间位置布置夹式引伸计。以荷载控制沿X方向施加垂直于岩石-混凝土界面的均布压应力，采用位移控制模式沿Y方向对混凝土施加压缩荷载。通过应变片及夹式引伸计分别获取Y向应变及界面滑动位移来推导界面剪切软化本构关系。采用本发明方法只需进行压剪试验即可准确且方便地确定压剪条件下岩石-混凝土界面剪切软化本构关系。本发明也适用于拉剪条件下岩石-混凝土界面剪切软化本构关系的测定。构关系的测定。构关系的测定。


技术研发人员：董伟 王莎莎 袁文岩 于丹红 姚洁香
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/8/16