复杂应力环境下高层建筑深基础混凝土的应力关系研究
复杂应力环境下高层建筑深基础混凝土的应力
关系研究
摘要：研究高层建筑深基础在复杂应力环境下的力学特性，结果表明：随着围压的逐渐增
大，混凝土试样的破坏模式逐渐由脆性向延性过渡，试样的峰值强度、峰值应变以及弹性模量
均随围压的升高而逐渐增大，且三者与围压之间均满足线性函数关系，拟合相关系数均在 0.95
以上。
关键词：深基础; 水泥混凝土; 颗粒流; 三轴试验;
0 引言
随着城市建设的不断发展，高层建筑逐渐增多，建筑物高度不断被刷新。而建筑物高度的提升
则意味着其基础埋深的增加，当建筑物基础达到一定深度时，就会受到地层的构造应力作用。
大多数建筑物基础均为水泥混凝土加钢筋构成。其中，水泥混凝土是由集料、胶凝材料组成的
非匀质复合型材料，在外力作用下其力学性质及破坏模式较为复杂。
在颗粒流方法中，刘璇等[2]利用三维颗粒流数值模拟方法（PFC3D）对水工沥青混凝土进行了
三轴压缩数值模拟研究，分析了不同围压作用下水工沥青混凝土的细观特性，具有重要的研究
意义。王正鑫等[3]同样基于颗粒流方法对冻融损伤后的混凝土试样进行了单轴压缩数值模拟试
验，分析了冻融损伤对混凝土试样的细观特性的影响。
综上分析可知，在总结前人研究的基础上，以辽宁某在建写字楼项目深基础为工程背景，采用
颗粒流数值模拟方法对该项目深基础混凝土进行数值模拟研究，通过设置不同围压来模拟不同
深度地层的复杂应力环境。从细观角度对复杂应力环境下混凝土的应力关系、破坏模式做进一
步研究，为高层建筑深基础混凝土提供可靠的理论依据。
1 混凝土配合比设计
为获得较为准确的细观参数，在进行数值模拟之前应先制备与实际工程相同的水泥混凝土。为
模拟深基础混凝土所受的复杂应力环境，需对混凝土试件进行常规三轴压缩试验，通过对混凝
土施加围压来近似模拟其在地层深部所受到的构造应力。因此，粗集料尺寸应适当缩小。结合
辽宁某在建写字楼项目，根据《普通混凝土配合比设计规程》，计算满足深基础混凝土的配合
比为水泥：水：砂：粗集料=389:197:566:1321。将水泥、砂、粗集料混掺，然后加水搅拌均
匀，最终制得直径 50 mm、高 100 mm 的标准圆柱试件。混凝土三轴试验在 MTS815.02 多功能
伺服试验系统上进行。根据基础埋置深度，设置围压分别为2 MPa、4 MPa、6 MPa 和8 MPa。
2 数值模型建立
利用 PFC3D 对混凝土进行三轴压缩模拟时，峰值强度取决于颗粒之间的相互作用。在颗粒离
散单元法中，颗粒之间的相互作用满足牛顿第二定律，不需要满足位移连续及变形协调方程，
因此采用 PFC3D 对混凝土进行三轴压缩试验模拟是切实可行的。PFC 数值模拟试验流程为：
→ → → →生成试样 参数赋值预压伺服机制施加围压 进行数值试验。为了便于模型建立，将混凝
土材料视为由集料和胶凝材料组成，且不同类型材料均由球形颗粒代替，颗粒间接触采用平行
黏结模型。
图1为颗粒流三轴压缩试验模型，其中顶面、底面墙体模拟刚性加载板，圆柱墙体模拟围压加
载板，生成试样的直径和高度与室内试验试样相同（Φ50×100 mm）。图中深色颗粒为两种粗
集料，粒径范围分别为（1.0～1.05)mm 和（2.0～2.05)mm，白色颗粒为砂和水泥胶结材料，粒
径范围为（0.5～0.55)mm，三种粒径颗粒个数分别为6835、4101 和2374 个。试验过程中圆柱
墙体则通过伺服机制对试样施加恒定围压，当围压达到预定值时，通过上下加载板对试样施加
轴压直至试样失稳破坏。
图1 混凝土三轴压缩试验模型
3 试验结果分析
图2 —为不同围压下，深基础混凝土试样的常规三轴压缩应力 应变曲线。由图2可知，混凝土
—试样的应力 应变曲线具有与岩石类材料相似的特征，可分为 4个变形阶段，即弹性阶段、塑
性屈服阶段、峰后应力跌落阶段和残余阶段。当围压较低时，试样达到峰值强度后迅速跌落，
“ ”峰后曲线较为 陡峭 ，当围压较高时，试样的峰后曲线有延缓趋势，表明围压的增大使试样逐
渐由脆性破坏转变为塑性破坏。且从图2中还可以明显看出，围压的增大使得试样的峰值强度
逐渐提升。
表1为不同围压下的混凝土的三轴压缩数值试验结果。从表 1可以看出，随着围压的逐渐增
大，试样的峰值强度、峰值应变及弹性模量均呈逐渐递增趋势变化。可见，围压随混凝土的宏
观力学参数具有显着的提升作用，且围压对峰值强度影响最大，其次为峰值应变，最后为弹性
模量。
图2 不同围压下混凝土试样的三轴压缩应力-应变曲线
表1 混凝土数值试验统计结果
摘要：
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复杂应力环境下高层建筑深基础混凝土的应力关系研究 摘要：研究高层建筑深基础在复杂应力环境下的力学特性，结果表明：随着围压的逐渐增大，混凝土试样的破坏模式逐渐由脆性向延性过渡，试样的峰值强度、峰值应变以及弹性模量均随围压的升高而逐渐增大，且三者与围压之间均满足线性函数关系，拟合相关系数均在0.95以上。关键词：深基础;水泥混凝土;颗粒流;三轴试验; 0 引言随着城市建设的不断发展，高层建筑逐渐增多，建筑物高度不断被刷新。而建筑物高度的提升则意味着其基础埋深的增加，当建筑物基础达到一定深度时，就会受到地层的构造应力作用。大多数建筑物基础均为水泥混凝土加钢筋构成。其中，水泥混凝土是由集料、胶凝材料...
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