混凝土立方体抗压破坏形态的细观有限元解释：环箍效应如何塑造锥形破坏 原创

混凝土立方体试件在标准单轴抗压试验中呈现对顶角锥形破坏面，而在润滑条件下则转为竖向贯穿劈裂裂纹。这两种截然不同的破坏形态，其根源在于端部摩擦约束产生的环箍效应改变了试件内部的应力场与损伤演化路径。本文采用ABAQUS建立混凝土细观尺度模型（卵石骨料、砂浆基体及界面过渡区），通过对比约束与自由两种边界条件，直观揭示锥形破坏的力学机制。

 

细观模型与工况设置

混凝土试件边长150 mm，骨料体积分数57%，粒径均值约20 mm，界面过渡区厚度1 mm。

采用混凝土损伤塑性CDP材料模型描述其损伤萌生。材料参数：骨料弹性模量80GPa，泊松比0.16；砂浆抗拉强度3.0MPa；界面过渡区抗拉强度2.4MPa。

加载方式为位移控制。工况A（不涂润滑剂）：上下表面约束横向位移（Ux=Uz=0），模拟垫板摩擦锁固；工况B（涂润滑剂）：上下表面横向自由。

 

应力云图对比分析

工况A中，端部摩擦约束限制了试件端部的横向膨胀，在试件内部转化为显著的侧向拉应力。应力云图显示，最大侧向拉应力并非位于中心，而是集中在中部边缘区域，这种分布是形成锥形破坏面的力学根源。工况B中，润滑剂大幅降低端部摩擦，试件可自由横向膨胀，侧向拉应力分布相对均匀，不再出现边缘应力集中，受力状态更接近纯轴向受压。

 

损伤因子云图对比分析

工况A的拉伸损伤率先在中部高侧向拉应力区萌生，随荷载增加逐渐连通成斜向损伤带，端部因摩擦约束处于三向受压状态，损伤因子保持较低水平，最终形成典型的“双锥形”破坏轮廓。工况B中，缺乏端部约束使拉伸损伤均匀萌生，并沿主压应力方向迅速扩展，形成多条平行竖向贯穿裂纹，试件被劈裂成柱状体。

 

位移云图对比分析

工况A中，端面侧向位移被严格约束，腰部横向位移达最大值，呈现“中间鼓、两端平”的非均匀位移场，直观体现了剪切滑移趋势和锥形破坏特征。工况B中，横向位移从中心轴向四周对称均匀辐射，端面与中部位移差异小，呈现均匀“灯笼状”膨胀，无局部剪切滑移带，表明仅发生泊松膨胀并导致竖向劈裂。

 

综上，混凝土立方体抗压试件之所以呈现锥形破坏，是因为端部约束导致试件内部形成“端部有围压、中部无围压”的非均匀应力场，迫使最大主拉应力方向偏转，损伤沿斜向路径积累贯通。细观仿真以清晰的应力、损伤与位移云图，将这个经典现象还原为可被“看见”的力学过程。