混凝土材料在浇筑成型过程中会形成许多微观裂纹和孔隙等初始缺陷。跨海或跨江大桥的桥台桥墩、海上采油平台和大坝等处于水环境中的混凝土结构，当它们受到外围高压水作用时，高压水会逐渐渗入到混凝土孔隙中，从而产生孔隙水压力，而孔隙水压力又会促进初始裂纹和孔隙的扩展贯通，进而形成新的微裂缝甚至宏观缺陷，从而影响混凝土结构的整体力学特性。

目前，国内外学者对水环境中混凝土材料的力学性能研究已经取得了较多的成果。在准静态荷载作用下，随着含水量的增加，混凝土的抗压强度和劈拉强度相较于干燥混凝土都有所降低^[1-4]，且峰值应变减小、弹性模量提高^[5-6]；文献[7-9]利用夹杂理论的等效模量思想、弹性力学和Mori-Tanaka方法，得到了饱和混凝土的弹性模量和剪切模量论计算式也验证了这一结果（加粗的这句话语义不通，应修改？？？）。在动态荷载作用下，文献[10-12]认为湿度或饱和混凝土的率敏感性随含水量提高更加显著，且随应变速率的提高呈线性增加；Wang等^[13]考虑孔隙水的剪切率效应，构建理论模型预测混凝土在动态荷载作用下的弹性模量和泊松比都随含水量的提高而增加。在机理研究方面，Butler等^[14]通过试验研究，将影响混凝土性能的孔隙水压力分为主动孔隙水压力和被动及中性的孔隙水压力，并阐明造成混凝土发生破裂的原因为主动孔隙水压力使材料产生的拉应变；黄常玲等^[15]从细观角度解释了饱和混凝土在真实水压力作用下的破坏机理，通过分析孔隙水压力和当前孔隙率对饱和混凝土微裂纹的演化及宏观力学性能的影响，确定了真实水压力作用下混凝土的I、II型裂纹应力强度因子及复合型裂纹张拉破坏和剪切破坏的主导条件；Rossi等^[16-18]采用物理学中的Stefan黏性效应解释了湿态混凝土在动态荷载作用下动强度提高的原因；Ross等^[11]认为当加载速率较低时，水有足够的时间通过凝胶孔或者凝胶体与骨料之间的界面，水的作用降低了粒子之间的范德华力，促使混凝土中的颗粒异向分开，降低了混凝土颗粒之间的凝聚力，从而导致混凝土强度的降低。在数值模拟上，李守龙等^[19-20]采用数值模拟方法研究了孔隙水对混凝土力学性能的影响。

综上所述，水环境因素对混凝土的力学特性有显著影响，但考虑孔隙水压力对混凝土力学特性的影响研究较少，对真实水压力作用下混凝土的孔隙水压力试验研究几乎没有。因此，本文进行了不同水压力作用下混凝土的孔隙水压力变化规律试验研究，同时采用有限元软件ANSYS进行瞬态反演数值模拟，并与试验数据进行对比分析，以便能够为水环境中不同孔隙水压力对混凝土动静态力学特性的影响研究提供参考依据。

1.   试验概况

1.1   原材料及配合比

水泥采用中国葛洲坝集团水泥有限公司生产的P·O 42.5R普通硅酸盐水泥，各项性能满足相关规范要求；粗骨料为三峡工程所用的花岗岩碎石，颗粒级配为5～40 mm的连续级配碎石，含泥量为1.0%，压碎指标为7.28%；细骨料为连续级配天然河砂，细度模数为2.6，含泥量为1.6%；拌合水为宜昌市自来水。

本试验所用的混凝土试件尺寸为Φ300 mm×600 mm，设计强度等级为C30，依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55—2011）计算得到每立方米混凝土所需材料用量分别为：水160 kg、水泥320 kg、砂729.6 kg、石1 190.4 kg，其中小石（粒径5～20 mm）和中石（粒径20～40 mm）质量比例为4：6。

1.2   试件制备

混凝土试件在Φ300 mm×600 mm钢膜中成型，在室内环境下静置48 h后拆模编号，按20～40 mm的间距摆放在标准养护室的砂浆垫块上养护28 d，然后移至养护室外自然养护60 d，使其始终处于干燥状态，直至试验。

1.3   试验设备

本试验在三峡大学混凝土材料与结构试验研究中心的水压力环境加载系统（见图1）上完成，该系统主要由围压桶、伺服水泵、控制系统和计算机数据采集系统等组成，允许施加的最大围压和最大孔隙水压力值为30 MPa。该系统的工作原理是利用控制系统将伺服水泵中的水通过压力水管输送到已经注满水密封的围压桶中对混凝土试件施加水围压，直至伺服水泵上的水压力表值和控制系统上显示的水围压值都达到预定的水围压值为止。

图  1  主要试验设备

Figure  1.  Main test equipments

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混凝土孔隙水压力采用VWP型振弦式渗压计测量，它适用于长期埋设在水工结构物或其他混凝土结构物及土体内部，测量结构物或土体内部的渗透（孔隙）水压力，同时可以测得埋设点的温度。

1.4   试验过程

水压力环境下混凝土的孔隙水压力试验过程中，试件与围压桶内的水直接接触。利用控制系统将伺服水泵中的水通过压力水管输送到已经注满水密封的围压桶中对混凝土试件施加水围压。孔隙水压力采用VWP型振弦式渗压计进行人工读数测定。试验过程主要分为：向围压桶内注水、施加围压至混凝土饱和以及施加循环阶梯型围压3个步骤，过程如下：

（1）准备阶段：安装混凝土试样，围压桶箍紧密封，检查设备并向围压桶内注水。

（2）施加水围压阶段：打开计算机围压控制系统，利用伺服水泵将水箱中的水输送到围压桶中，用来调节水压力。采用位移控制方式对围压桶内的混凝土施加水压力至预定值，然后采用围压控制，围压以步长0.05 MPa递增或递减。整个试验过程中，通过人工对VWP振弦式渗压计读数设备进行数据的实时采集，为保证试验精准性，采集时间间隔精确到1 min。待VWP型振弦式渗压计显示的读数和水压力保持稳定且相等后，改变水围压至另一预定值，同步记录渗压计读数。

（3）重复步骤（2），直至整个试验结束，将围压卸压至0后排水，保存数据。

2.   试验结果与分析

孔隙水压力随时间变化的原因是受到外界围压作用的影响，时间只是过程变量，主要是用来衡量孔隙水压力随围压的变化尺度。因此，通过对围压-时间和孔隙水压力-时间的试验数据整理分析，得到从向围压桶内注水开始到施加水压力至混凝土饱和过程中，围压和孔隙水压力与时间变化的曲线，以及整个试验过程围压和孔隙水压力随时间变化的全曲线（见图2）。

图  2  围压和孔隙水压力随时间的变化曲线

Figure  2.  Time-dependent curves of confining pressure and pore water pressure

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从图2（a）可得，为使混凝土更快达到饱和，当施加0.875 MPa围压，混凝土的孔隙水压力在经历540 min（图2（a）横坐标时间最大才450min，这个540min如何看出？？？）后才能达到与所施加围压相等的值，混凝土的孔隙水压力增长过程可以分为快速增长、缓慢增长和稳定3个阶段。在向围压桶注水过程的前70 min左右，混凝土的孔隙水压力基本为0；而在注水70 min到注满水的过程中，随着围压桶内水的增加，孔隙水压力呈现缓慢增加的趋势，表明此时围压水已经开始渗入混凝土孔隙，并产生一定的孔隙水压力。注满水后，施加0.875 MPa的围压过程中，随着围压的逐渐增加，孔隙水压力也逐渐增加，其增长的速度基本与围压变化速度一致。最终，当围压达到预定值0.875 MPa时，孔隙水压力并未完全达到围压值，而是略小于围压值，这是因为水渗入到混凝土的微观裂缝和孔隙中，需要一定累计时间。同时可知，孔隙水压力随围压的变化并不是完全同步变化，而是出现了一定的滞后。

从图2（b）中可得，整个试验过程中(约600 min)（这个数值准确吗？图2（b）的时间刻度间隔都是1000 min，整个试验过程怎么才600 min？？？），混凝土的孔隙水压力与外界施加的围压变化在时间和大小上能够基本保持一致，这表明混凝土的孔隙已经充满围压水，因此围压的变化能够实时地反映到孔隙水压力上。在试验曲线的最后阶段，即围压从0.3 MPa降至0过程中，由于长时间的工作导致试验设备的不稳定性，围压随时间的变化曲线波动较大。但仍可发现，当围压降至0后，孔隙水压力出现十分明显的滞后效应。当围压为0时，即时间在5 800 min左右，此时孔隙水压力仍有0.1 MPa左右，而随着时间的增加，孔隙水压力缓慢下降，最终稳定在0.045～0.050 MPa，这与围压桶内注满水时，混凝土孔隙水压力大致相等。

3.   混凝土孔隙水压力瞬态反演数值模拟

对不同水压力作用下混凝土的孔隙水压力变化进行瞬态反演数值模拟，是指基于上述物理试验已获得的试验数据，利用有限元软件ANSYS，施加与试验一致的边界条件，来对试验过程进行模拟，依据反演模型，不断调整渗透系数，考察其变化对节点渗透压力变化的影响，经过有限次数的调整，使所得结果与试验数据相匹配。

3.1   瞬态反演分析数学模型的建立

（1）设计变量的确定。由于需要反演出不同孔隙水压力变化下混凝土渗透系数的取值，因此将渗透系数作为反演过程的设计变量。混凝土的渗透系数K取10^-8～10⁻⁵ m/s^[21]，在此范围内定义渗透系数初始值作为初始输入。

（2）目标函数的确定。目标函数F_ERR即为孔隙水压力模拟计算值与试验值差的平方和最小。

（3）目标函数求解。在渗透系数取值范围内，采用二分法进行渗透系数的最优解进行搜索。

3.2   瞬态反演分析步骤

（1）有限元模型的建立。采用ANSYS用户操作界面，首先定义JOBNAME，TITLE，UNITS；然后进入PREP7，定义单元类型以及混凝土材料的渗透性能，瞬态分析需要定义渗透系数和单位储水系数；最后建立模型，并进行网格划分。

混凝土的单位储水系数C通过物理试验进行计算得到，试验中将施加的围压从10 MPa降至0后，置于水中12 h，得到单位体积混凝土孔隙水释放的体积为8.3×10^-5，即单位储水系数$C{\rm{ = }}8.3 \times {10^{{\rm{ - }}5}}$。

根据物理试验和数值计算条件，建立的混凝土试件模型为圆柱体，其几何尺寸为Φ300 mm×600 mm；采用单元类型为Plane55单元；网格划分过程中，将短边划分30等份，长边划分为60等份，采用四边形网格进行自由划分。

（2）模型的加载和求解。本文采用瞬态分析类型，初始边界设置为分布均匀的初始水头，其值为0；四周约束边界为施加87.5 m的恒定水头边界，不随时间发生变化，模型的约束示意图见图3。（图３中的约束看不清楚，不如删除图３，用文字说明？？？？）　，时间步的增量采用默认值（等于1），并定义结果的输出方式，同时设置输出每个时间步计算的结果，以便进行不同时间步下计算结果的查看。

图  3  施加约束的混凝土有限元模型

Figure  3.  Finite element model of concrete with constraints

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3.3   瞬态反演结果及分析

基于所建立的瞬态反演模型，反演计算得到本试验所浇筑混凝土的渗透系数K=7.5×10^－5 m/min，将其换算成标准单位即混凝土的渗透系数为K=1.25×10^－6 m/s。同时得到基于有限元软件ANSYS数值模拟的、不同水压力（围压）作用下、混凝土孔隙水压力瞬态反演过程中各个时间步下的节点渗透压力云图（图4）。

图  4  不同时间步下节点渗透压力场分布（云图缺少单位？？？图中每个图中间的“MN”是何含义，应说明？？？）

Figure  4.  Distribution of the pressure field of the node under different time steps

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由图4可知，当T=1时，所施加的水头正向混凝土逐渐渗透，在距离外边界较近的极小范围内节点的水头值较大，中间大部分结点渗透压力基本为0。随着时间的推移，水压逐渐向混凝土内部渗透，内部节点的水头值逐渐增大；相对于T=5时，距离边界区域的水头值迅速增大，内部区域水头值增加的速度较快，渗透压力较小的节点区域（图中蓝色区域）面积迅速减小；T=10时，外围边界红色区域面积逐渐增大，内部蓝色区域面积逐渐减小，但是相对于T=5时，其减小的速度有所减缓；T>30以后，节点渗透压力云图中蓝色区域的面积减小速度明显变缓，表明节点渗透压力增加的速度逐渐减慢；T=90时,中心区域渗透压力值基本达到所施加的水头值，而后缓慢增加；在T=110时，混凝土内部孔隙水压力达到所施加的水头。

综上所述，瞬态数值模拟得到混凝土的孔隙水压力变化全过程能够较好地与试验结果得到的孔隙水压力随时间变化过程相吻合。T=1～10阶段，混凝土的孔隙水压力变化对应于试验中孔隙水压力迅速增加阶段；T=30～90阶段，其孔隙水压力变化对应于试验中孔隙水压力缓慢增加阶段；T>90后，其孔隙水压力变化过程对应于试验中孔隙水压力趋于稳定阶段。

同时，通过时间历程后处理模块提取，得到中间节点的渗透压力与时间的变化曲线和试验曲线对比图，见图5。

图  5  混凝土的孔隙水压力计算值和试验值与时间的关系曲线（纵坐标缺少单位？？？缺少横坐标标题？？？）（图中试验值是否和图2相同，如是，为何与图2（a）在0~100min内相差甚大？？？）

Figure  5.  Rlationship between the calculated and experimental values of pore water pressure of concrete and time

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从图4和5中可以得出，本文所进行的水压力环境中混凝土的孔隙水压力瞬态数值模拟，能够在一定程度上反映水压力作用下混凝土的孔隙水压力随时间的变化趋势。同时还发现试验所得到的孔隙水压力变化规律与数值模拟仍有一定的差异，在趋于稳定阶段，试验曲线段是缓慢变化至所施加水压力，而模拟曲线是一段平滑的直线段，没有呈现出缓慢变化的趋势。

4.   结　语

（1）试验中，当水围压从某一预定值改变为另一值时，变化所需时间很短，可以认为水围压的改变是瞬变的，即水围压从某个值变为另一个值时，能够立刻稳定，而孔隙水压力随围压的改变会出现滞后现象。

（2）不同水围压下，混凝土的孔隙水压力随时间的变化可以分为迅速增加、缓慢增加和趋于稳定3个阶段。施加0.875 MPa围压时，混凝土的孔隙水压力达到与所施加的水围压相等需要9 h。

（3）采用有限元软件ANSYS的热分析模块对混凝土的孔隙水压力进行瞬态分析是可行的。在不同时间步下，混凝土的孔隙水压力变化过程与试验所得变化过程基本一致。T=1～10，T=30～90及T>90阶段，混凝土的孔隙水压力变化分别对应于物理试验中孔隙水压力迅速增加、缓慢增加阶段和趋于稳定阶段。

（4）基于试验数据，采用有限元软件ANSYS所构建的不同水围压作用下、混凝土的孔隙水压力瞬态反演数学模型所得到的混凝土内部孔隙水压力值与试验结果吻合较好，同时得到本试验混凝土的渗透系数K=1.25×10^－6 m/s。​​​​​​