一种同步加载的混凝土构件水力劈裂模拟实验设计方法和装置

摘要

一种同步加载的混凝土构件水力劈裂模拟实验设计方法，即：制备一带预制裂缝和水压测压孔的全级配混凝土试件，两侧构建方形凹槽；安装密封装置；向装置内注水加压，直至试件被劈裂。本发明提供的方法不需要额外的施加荷载，由水压力通过装置产生一侧向均布荷载作用于试件凹槽外侧面，其大小可根据工作原理中提供的计算公式得到。实验过程中可透过橡胶圈观测裂缝附近区域的实时状况，并由水压测压孔测得缝间水压力分布，在注水加压过程中，装置与试件、装置与橡胶圈均发生自封式压紧密封，本发明方法和其中使用的装置结构简单，密封安全可靠，能够用于高水压作用下混凝土构件的水力劈裂问题研究。

权利要求

1.一种同步加载的混凝土构件水力劈裂模拟实验设计装置，其特征在于：包括出气管(1)、网状钢罩(2)、橡胶圈(3)、1/2钢筒(4)、M8螺栓孔(5)、M10螺栓孔(6)、硅胶垫(9)、注水管(10)；混凝土试件(7)表面中心线处预制一裂缝(11)，两侧对称构建方形凹槽，在裂缝(11)下侧预制一系列水压测压孔(8)；每对1/2钢筒(4)侧壁通过边沿上的M8螺栓孔(5)连接，一端面与混凝土试件(7)之间垫有硅胶垫(9)，紧靠方形凹槽的外侧壁，通过M10螺栓孔(6)紧箍，另一端面通过橡胶圈(3)连接另一对1/2钢筒(4)的端面；橡胶圈(3)外侧包裹一网状钢罩(2)；通过注水管(10)向所述装置内注水，由出气管(1)排出所述装置内的空气；实验过程中透过橡胶圈(3)记录裂缝附近区域的实时状况，通过水压测压孔(8)测得裂缝面的水压分布。

2.根据权利要求1所述的一种同步加载的混凝土构件水力劈裂模拟实验设计装置，其特征在于：两对1/2钢筒(4)之间通过橡胶圈(3)连接，整个装置具有较好的延展性，在注水加压过程中，1/2钢筒(4)端面能够与所述试件凹槽外侧壁之间实现自封式压紧密封。

3.根据权利要求1所述的一种同步加载的混凝土构件水力劈裂模拟实验设计装置，其特征在于：在注水加压过程中，橡胶圈(3)紧压1/2钢筒(4)侧壁上的环形凹槽，能够实现自封式压紧密封。

4.根据权利要求1所述的一种同步加载的混凝土构件水力劈裂模拟实验设计装置的模拟实验方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：制备一全级配混凝土试件(7)，其表面中心线处预制一裂缝(11)，两侧对称构建方形凹槽，在裂缝(11)下侧预制一系列水压测压孔(8)；

步骤二：安装密封装置，将两侧凹槽间的试件(7)段置于装置中；

步骤三：向装置中注水，施加水压，直至试件(7)被劈裂。

5.根据权利要求4所述的一种同步加载的混凝土构件水力劈裂模拟实验设计装置的模拟实验方法，其特征在于：安装密封装置后，向装置注水，可由水压力通过装置同步产生一侧向均布荷载作用于试件(7)方形凹槽外侧，无需施加额外荷载。

说明书

一种同步加载的混凝土构件水力劈裂模拟实验设计方法和

装置

技术领域

[0001] 本发明属于水工混凝土建筑物水力劈裂模拟实验技术领域，提供了一个模拟混凝土构件在全水环境下发生水力劈裂的方法。适用于探索水工混凝土结构发生水力劈裂的机理和规律,也可用于研究减小水力劈裂危害，确保结构安全的方法。本发明还提供了所述实验方法中使用的装置。技术背景

[0002] 将岩体或混凝土结构内已有的孔隙和裂缝在高压水作用下，发生扩张、扩展、相互贯通等物理现象统称为水力劈裂，其实质是指在高势能的水压作用下，结构内发生裂缝扩展的过程。水力劈裂最早被应用于石油工程中，用来加快石油开采速度和产量。在水利工程中，由于发生水力劈裂，引起了一系列重大安全事故，如美国的特顿坝(Teton)、法国的马尔帕赛拱坝(Malpasset)和意大利的瓦伊昂拱坝(Vaiont)等。

[0003] 近年来，我国在建或已建的一大批混凝土坝，多位于地震活动较为频繁的西南、西北地区，其混凝土重力坝已高达200m级，混凝土拱坝已高达300m级，加之混凝土表面不可避免地会存在裂缝，这些都给水力劈裂的发生提供了可能。水工混凝土结构(高混凝土坝等)作为水利工程的主体部分,其安全性不仅直接影响到工程效益的充分发挥，而且会危及下游人民的生命财产安全。因此，深入研究高水压下水工混凝土结构的水力劈裂问题具有重大的意义。

[0004] 目前，已有学者采用楔入式紧凑型拉伸混凝土试件或通过导管对混凝土试件内部预制裂缝充水加压来研究混凝土的水力劈裂问题。前者受密封装置制作的限制，难于实现高水压力的作用，且不便于观测裂缝的扩展过程；后者只能测得试件发生水力劈裂时的静水压力和劈裂完成后裂缝的最终扩展路径，但无法测试裂缝的实时扩展状况。此外，这些试验都需要通过额外的试验机进行加载，大多用于静荷载作用下的研究，难于实现动载作用下的测量。然而，实际工程中水工混凝土结构的水力劈裂问题复杂，建筑物不仅受静荷载作用，而且往往也会受到动荷载的作用，尤其当出现洪峰或地震等极端情况下，动荷载往往与水压力同步变化；而且混凝土结构涉水部分完全处于水环境下，裂缝中水压形态多变，并非简单的线性分布。因此，只通过静载模拟水工混凝土构件的水力劈裂问题难于探究出水工混凝土结构发生水力劈裂的机理和规律。本发明将试件涉水部分处于全水环境中，通过调整水压力，实现动荷载的同步加载，并可通过预留的水压测压孔测得缝间水压力分布，采用现代光测力学实验手段进行非接触、高精度测量记录裂缝扩展的实时状况。

发明内容

[0005] 技术问题：针对现有技术方案存在的问题，本发明公开了一种可同步加载的混凝土构件水力劈裂模拟实验方法和装置。该方法将混凝土构件涉水部分完全置于水环境中，在加大水压过程中，可实现动荷载的同步加载，装置与混凝土构件间的密封也随着水压的增加而实现自封式压紧密封，为研究动载作用下混凝土构件的水力劈裂问题提供实验条件。此外，本发明也提供上述实验方法中所用的装置。

[0006] 技术方案：

[0007] 一种同步加载的混凝土构件水力劈裂模拟实验设计装置，包括出气管(1)、网状钢罩(2)、橡胶圈(3)、1/2钢筒(4)、M8螺栓孔(5)、M10螺栓孔(6)、硅胶垫(9)、注水管(10)；每对1/2钢筒(4)侧壁通过边沿上的M8螺栓孔(5)连接，一端面与混凝土试件(7)之间垫有硅胶垫(9)，紧靠方形凹槽的外侧壁，通过M10螺栓孔(6)紧箍，另一端面通过橡胶圈(3)连接另一对
1/2钢筒(4)的端面；橡胶圈(3)外侧包裹一网状钢罩(2)；通过注水管(10)向所述装置内注水，由出气管(1)排出所述装置内的空气；实验过程中透过橡胶圈(3)记录裂缝附近区域的实时状况，通过水压测压孔(8)裂缝面的水压分布。

[0008] 两对1/2钢筒(4)之间通过橡胶圈(3)连接，整个装置具有较好的延展性，在注水加压过程中，1/2钢筒(4)端面能够与所述试件凹槽外侧壁之间实现自封式压紧密封。

[0009] 在注水加压过程中，橡胶圈(3)紧压1/2钢筒(4)侧壁上的环形凹槽，能够实现自封式压紧密封。

[0010] 本同步加载的混凝土构件水力劈裂模拟实验设计方法包括如下步骤：

[0011] 步骤一：制备一全级配混凝土试件，在该试件表面的中间预制一裂缝，两侧对称各切割出一圈方形凹槽，在裂缝下侧预留一系列水压测压孔；

[0012] 步骤二：将试件中间至凹槽段置于装置中，并密封；

[0013] 步骤三：向装置中注水，施加水压，直至所述试件被劈裂。

[0014] 记录整个过程中水压随时间的变化情况，并绘制成曲线。

[0015] 为便于步骤二的装置密封，在步骤一中所述方形凹槽的宽度和深度均为30～50mm为宜；所述裂缝的宽度1～3mm，深度为150～200mm为宜；所述水压测压孔线性阵列于裂缝下侧，直径宜为1～3mm。

[0016] 在模拟带裂缝的全级配试件发生水力劈裂的实验设计方法中，所述试件的长度应大于1000mm，同时所述裂缝距离实验时作用力施加部位应在500mm以上。这样，可以确保两端应力集中对裂缝扩展的影响几乎为零。

[0017] 为了使得对装置中加水压有一参考范围，应同时浇筑一批同样配比的无裂缝试件，并测定其力学参数(如：弹模、泊松比、抗拉强度等)。再根据所测的力学参数，通过有限单元法，计算出带有裂缝的所述试件开裂时的水压力，然后进行所述的步骤三。

[0018] 步骤二中所述装置为本实验设计方法的主体部件，不仅可以用于密封带裂缝的试件段，而且随着水压的变化可以对试件施加动荷载。其特征包括两对特制1/2钢筒、橡胶圈和网状钢罩、出气管、进水管；每对1/2钢筒一端开口并制有环形凹槽，另一端有一方孔，垫上硅胶垫后，套于试件的方形凹槽处；钢筒壁上管口朝上的水管称为出气管，管口朝下的水管称为注水管；两对钢筒之间通过橡胶圈连接；橡胶圈外侧包裹网状钢罩。

[0019] 所述钢筒筒壁边沿均突出一部分，为20～30mm为宜，突出部分上分布有螺栓孔，用于密封。

[0020] 所述橡胶圈两端均采用钢压条反向压置于钢筒端面环形凹槽边沿的螺栓孔处，并将螺栓拧紧。

[0021] 步骤三中，所述注水过程中，注水管连接高压加水装置进行注水，出气管处于打开状态，以排尽装置中的空气，当出气管有水溢出时，将其关闭。

[0022] 工作原理：

[0023] 试验过程中，由于橡胶圈具有良好的延展性，随着水压的增加，装置逐渐向两侧延伸，钢筒端面挤压硅胶垫，实现与试件间的自封式压紧密封；观测窗口中水压力直接作用于橡胶圈，为确保橡胶圈的径向刚度，在其外侧包裹网状钢罩，橡胶圈紧压钢筒侧壁的环形凹槽，实现了自封式压紧密封。模拟试件水力劈裂过程的作用力由两部分组成：一为裂缝间的水压力P，另一为水压力通过钢筒端面作用于两侧方形凹槽的侧向均布荷载q。

[0024] 侧向均布荷载q受水压力P、钢筒端面面积S1，以及凹槽侧面积S2的共同影响，其计算公式为：

[0025] q＝P·S1/S2

[0026] 在实验过程中通过水压测压孔测得水力劈裂过程中，裂缝间的水压变化情况；透过橡胶圈，使用高分辨高速相机连续记录裂缝附近区域的应变场及裂缝扩展的实时状况。

[0027] 有益效果：本发明提供的同步加载的混凝土构件水力劈裂实验设计方法，可随水压力的变化在混凝土构件上同步施加侧向均布荷载，不需要额外施加荷载；可在向装置内注水加压过程中，实现高水压下自封式压紧密封，密封安全可靠；在实验过程中，可透过非接触光测窗口进行非接触、高精度监测水力劈裂过程，并通过预留的水压测压孔测得裂缝端面的水压力分布情况。本发明提供的所述实验方法中使用的装置，结构简单，高水压下也能密封安全可靠，可重复利用，制备的混凝土试件符合实验要求。

附图说明

[0028] 图1为本发明同步加载的混凝土构件水力劈裂模拟实验设计方法实施时的示意图；

[0029] 图2为本发明同步加载的混凝土构件水力劈裂模拟实验设计方法实施时的正面示意图；

[0030] 图3为图2的a部局部放大结构示意图；

[0031] 图4为本发明所述装置的示意图；

[0032] 图5为图4的b部局部放大结构示意图。

[0033] 图中：

[0034] 1—出气管      2—网状钢罩

[0035] 3—橡胶圈      4—1/2钢筒

[0036] 5—M8螺栓孔    6—M10螺栓孔

[0037] 7—混凝土试件  8—水压测压孔

[0038] 9—硅胶垫      10—注水管

[0039] 11—预制裂缝

具体实施方式

[0040] 以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。

[0041] 如图1所示，为本发明提供的同步加载的混凝土构件水力劈裂模拟实验设计方法实施时的示意图，包括出气管(1)、网状钢罩(2)、橡胶圈(3)、1/2钢筒(4)、M8螺栓孔(5)、M10螺栓孔(6)、硅胶垫(9)、注水管(10)；每对1/2钢筒(4)与混凝土试件(7)之间垫有硅胶垫(6)，紧靠方形凹槽的外侧壁，通过M10螺栓孔(6)紧箍；两对1/2钢筒(4)之间通过橡胶圈(3)连接；每对1/2钢筒(4)通过钢壁边沿上的M8螺栓孔(5)连接；橡胶圈(3)外侧包裹一网状钢罩(2)；通过注水管(10)向所述装置内注水，由出气管(1)排出所述装置内的空气；实验过程中透过橡胶圈(3)记录整个水力劈裂过程，通过水压测压孔(8)测得预制裂缝(11)的缝间水压力。

[0042] 具体地，所述混凝土试件(7)为全级配混凝土试件，尺寸为450×450×1700mm；预留的水压测压孔(8)线性阵列分布于裂缝下侧，直径2mm；预制裂缝(11)宽2mm，深200mm，位于试件中心线处；试件两侧对称切割出60×50mm方形凹槽，凹槽的内侧面距离试件中心线500mm，如图2所示。还需要制备一些与混凝土试件(7)同一工况，同一配比的常规混凝土力学性能测试试件。

[0043] 具体地，安装所述装置并实现自封式压紧密封：1/2钢筒(4)与配混凝土试件(7)垫有硅胶垫(9)，如图3所示；每对1/2钢筒(4)通过侧壁边沿上的M8螺栓孔(5)连接，通过M10螺栓孔(6)紧箍，实现与混凝土试件(7)方形凹槽的径向密封；两对1/2钢筒(4)之间制有环形凹槽，通过M8螺栓孔(5)连接橡胶圈(3)，如图4所示；打开出气管(1)，采用水压加压装置由注水管(10)向所述装置内注水，直至出气管有水溢出时，关闭出气管(1)；随着水压的增加，由于橡胶圈(3)的可延展性，使其紧压1/2钢筒(4)侧壁上的环形凹槽壁，实现橡胶圈(3)与1/2钢筒(4)的自封式压紧密封，如图5所示，每对1/2钢筒(4)向两侧挤压硅胶垫(9)，实现与混凝土试件(7)凹槽外侧壁的自封式压紧密封。

[0044] 具体地，本发明提供的同步加载的混凝土构件水力劈裂模拟实验设计方法和装置，无需额外施加荷载。混凝土试件(7)发生水力劈裂过程除了受水压力的作用外，还受到一均布荷载q的作用，该荷载是由于1/2钢筒(4)，通过硅胶垫(9)挤压该试件方形凹槽外侧壁而产生的，其大小为：

[0045] q＝P·S1/S2

[0046] 式中，P为水压力，S1为1/2钢筒(4)的端面面积，S2为该试件方形凹槽侧壁面积。

[0047] 具体地，本发明提供的同步加载的混凝土构件水力劈裂模拟实验设计方法和装置，可通过水压测压孔(8)测得预制裂缝(11)的缝间水压力分布；可采用现代光测力学实验技术，透过橡胶圈(3)，进行非接触、高精度测量，记录下发生水力劈裂过程中，预制裂缝(11)尖端区域的应变场分布及该裂缝扩展的实时路径；为确保橡胶圈(3)在高水压作用下的径向刚度，包裹一网状钢罩(2)。

[0048] 所述的橡胶圈(3)为透明橡胶圈。

[0049] 本发明提供的同步加载的混凝土构件水力劈裂实验设计方法和装置，操作便捷，装置结构设计简单，高水压下也能密封安全可靠，可重复利用，制备的混凝土试件符合实验要求。