本發(fā)明涉及模擬高水壓下混凝土水力劈裂的試驗裝置及方法，屬于水利工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

水工混凝土結(jié)構(gòu)受設(shè)計、施工及養(yǎng)護等因素影響，裂縫的存在不可避免。裂縫的出現(xiàn)與擴展會影響結(jié)構(gòu)的安全性、實用性和耐久性。壩身存在的損傷裂縫在深水壓力和溫變作用下有可能進一步擴展，如果裂縫延伸較長，就有可能破壞壩體的整體性，發(fā)展成為滲漏通道，威脅壩體的安全，造成巨大的經(jīng)濟以及生命財產(chǎn)損失。因此，水工混凝土結(jié)構(gòu)水力劈裂問題已成為亟需研究解決的熱點問題。

在以往研究水力劈裂的試驗方法中，采用機械壓力模擬水壓的方法無法真實模擬高壓水在裂縫中作用；在水壓力作用下進行試驗的研究，其試樣澆筑繁瑣，高壓水密封問題未得到良好解決，且通過外力施壓密封的方法會影響試樣內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。且存在數(shù)據(jù)采集未同步，數(shù)據(jù)處理繁瑣等問題。此類試驗方法均存在缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述存在的問題，本發(fā)明公開了一種模擬高水壓下混凝土水力劈裂的試驗裝置及方法，其具體技術(shù)方案如下：

模擬高水壓下混凝土水力劈裂的試驗裝置，包括混凝土試樣、水壓供給系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，

所述混凝土試樣呈矩形體形狀，所述混凝土試樣預(yù)設(shè)有裂縫，所述裂縫從混凝土試樣的一面貫穿到其相對面，所述裂縫位于混凝土試樣的中線上；

所述水壓供給系統(tǒng)包括電調(diào)壓力泵，所述電調(diào)壓力泵連接電機，所述電調(diào)壓力泵的出水端通過輸送水管連接到裂縫，且在裂縫的兩端均鋪設(shè)有擋水板，所述擋水板覆蓋在插入到裂縫中的輸送水管的上面；

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括夾式引伸計、應(yīng)變片、測壓導管、輸入端水壓傳感器、輸出端水壓傳感器和多通道動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，

所述裂縫上設(shè)置有若干個夾式引伸計，所述夾式引伸計的兩個針腳分別插在裂縫的兩側(cè)，所述夾式引伸計的數(shù)據(jù)傳輸線連接到多通道動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，

所述裂縫的劈裂方向上的混凝土試樣表面鋪設(shè)有若干個應(yīng)變片，所述應(yīng)變片的數(shù)據(jù)傳輸線連接到多通道動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，

所述混凝土試樣內(nèi)插有若干個測壓導管，所述測壓導管插入到混凝土試樣內(nèi)的一端超出所述裂縫的劈裂面，所述測壓導管通過輸出端水壓傳感器連接到多通道動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，

所述輸入端水壓傳感器的測壓水管與輸送水管接通，所述輸入端水壓傳感器的數(shù)據(jù)傳輸線連接到多通道動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，

所述裂縫的兩端和中間位置分別設(shè)置有夾式引伸計。

所述混凝土試樣的規(guī)格為各邊長均為15mm，所述測壓導管插入到混凝土試樣內(nèi)的一端超出所述裂縫的劈裂面5mm。

模擬高水壓下混凝土水力劈裂的試驗裝置的試驗方法，包括如下操作步驟：

（1）制作模具：選取1個矩形的底板及4個邊框板，所述邊框板的一側(cè)表面預(yù)留有插槽，用螺栓將邊框板固定在底板的四個邊緣，使其形成一個矩形框，邊框板的插槽朝向矩形框的內(nèi)側(cè)，在邊框板的插槽內(nèi)插入橫向擋板，在橫向擋板預(yù)留的插槽內(nèi)插入縱向擋板，所述矩形框的內(nèi)部分割成若干個立方體空間，在橫向擋板上切割出貫通的水平的刀口，在所述刀口中插入板片，在所述板片的上方布置若干根測壓導管，所述測壓導管分布在板片的延伸方向上，相鄰的測壓導管之間留有間距，所述測壓導管內(nèi)置一根鋼棒，并且通過鐵絲纏繞將測壓導管固定定位，得到模具；

（2）澆筑試樣：在步驟（1）得到的模具的內(nèi)部表面和板片表面涂抹脫模劑，拌和混凝土，攪拌均勻后澆入模具，進行振搗，振搗密實至表面范漿，在振搗過程中需在混凝土料下降后及時補充混凝土，振搗后抹平表面；

（3）脫模養(yǎng)護：完成步驟（2）后2-3h拔出板片，形成裂縫，完成步驟（2）后24h脫除模具，得到若干個混凝土試樣，對混凝土試樣進行自然養(yǎng)護；

（4）裝樣：將步驟（3）得到的混凝土試樣取出，干燥處理后，在裂縫延伸的方向上的混凝土試樣表面粘貼若干個應(yīng)變片，所述裂縫的兩端分別粘貼有應(yīng)變片；在裂縫上安裝若干個夾式引伸計，所述裂縫的中間和兩端均安裝有夾式引伸計；在裂縫周圍涂抹膠黏劑，并將擋水板粘貼密封在裂縫上，該擋水板的中心設(shè)置有進水孔，另一側(cè)的擋水板中心布置有出水孔，將電調(diào)壓力泵的水管插入擋水板中心的進水孔，通過電調(diào)壓力泵向裂縫中輸水，排出裂縫內(nèi)的氣體，關(guān)閉電調(diào)壓力泵，電調(diào)壓力泵的水管通過三接頭連接進水端水壓傳感器，裂縫擴展過程中的縫內(nèi)水壓通過測壓導管與相應(yīng)出水端水壓傳感器連接，將應(yīng)變片、夾式引伸計、進水端水壓傳感器和出水端水壓傳感器的數(shù)據(jù)傳輸線分別連接到多通道動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀的對應(yīng)的接口；

（5）試驗：通過電調(diào)壓力泵向裂縫中輸入水，提高裂縫中的水壓，并通過輸入端水壓傳感器實時記錄水壓的輸入值，通過夾式引伸計、應(yīng)變片、測壓導管實時記錄混凝土試樣內(nèi)部的水壓力，通過夾式引伸計、應(yīng)變片實時記錄混凝土試樣的變形特征，逐步提高水壓直至混凝土試樣被破壞；

（6）水力劈裂分析：更換混凝土試樣，重復步驟（4）和步驟（5），根據(jù)若干次試驗的結(jié)果，對混凝土試樣的水力劈裂所呈現(xiàn)的現(xiàn)象及機理進行分析。

所述步驟（1）中板片選用鋼片，所述鋼片的兩端經(jīng)過打磨處理。

所述步驟（4）中擋水板選用鋼板，所述鋼板通過鋼膠粘貼在混凝土試樣表面，且鋼板的四周還涂刷有耐高壓防滲膠。

所述步驟（4）中設(shè)置三個夾式引伸計，三個夾式引伸計依次設(shè)置在裂縫的兩端和中間位置。

所述混凝土試樣的規(guī)格為邊長15cm的正方體，所述步驟（4）中設(shè)置八個應(yīng)變片，八個應(yīng)變片均設(shè)置在所述裂縫的延伸方向上，所述裂縫兩端分別設(shè)置有四個應(yīng)變片。

本發(fā)明的工作原理是：

本發(fā)明，通過電調(diào)壓力泵朝向裂縫中輸送水，隨著裂縫中的水壓升高，水最終將裂縫撐開，記錄輸入端的水壓，以及裂縫劈裂開后，靠近混凝土試樣邊緣處的水壓，和混凝土試樣在開裂過程中的變形量變化。經(jīng)過做多個混凝土試樣的劈裂試驗，對混凝土試樣的水力劈裂所呈現(xiàn)的現(xiàn)象及機理進行分析。

本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明方法澆筑混凝土試樣便捷，所制模具為活動可拆卸模具，且可一次成形多個混凝土試樣；

2. 本發(fā)明解決了以往裝置高壓水密封困難，通過外力施壓密封影響混凝土試樣內(nèi)部應(yīng)力的問題，與實際工程更吻合；

3. 本發(fā)明試驗過程中水壓、應(yīng)變由同一儀器同步采集，試驗數(shù)據(jù)處理方便。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的澆筑混凝土試樣所用模具結(jié)構(gòu)示意圖，

圖2是圖1的A向結(jié)構(gòu)示意圖，

圖3是本發(fā)明的混凝土試樣結(jié)構(gòu)示意圖，

圖4是本發(fā)明的試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖，

附圖標記列表：1、底板；2、邊框板；3、橫向擋板；4、縱向擋板；5、板片；6、混凝土試樣；7、測壓導管；8、應(yīng)變片；9、裂縫；10、電調(diào)壓力泵；11、輸入端水壓傳感器；12、輸出端水壓傳感器；13、多通道動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀；14、夾式引伸計；15、輸送水管；16、數(shù)據(jù)傳輸線；17、測壓水管；18、擋水板。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式，進一步闡明本發(fā)明。應(yīng)理解下述具體實施方式僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。

結(jié)合附圖可見，本模擬高水壓下混凝土水力劈裂的試驗裝置，包括混凝土試樣6、水壓供給系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本發(fā)明，通過水壓供給系統(tǒng)給混凝土試樣6內(nèi)的裂縫9中輸送水，在混凝土試樣6中形成高壓，直到將混凝土試樣6劈裂開，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集混凝土試樣6在劈裂過程中的水壓數(shù)據(jù)以及變形數(shù)據(jù)，便于分析。

所述混凝土試樣6呈矩形體形狀，所述混凝土試樣6預(yù)設(shè)有裂縫9，所述裂縫9從混凝土試樣6的一面貫穿到其相對面，所述裂縫9位于混凝土試樣6的中線上；裂縫9的位置便于在高壓水作用下，裂縫9能同時朝向兩端劈裂。

所述水壓供給系統(tǒng)包括電調(diào)壓力泵10，所述電調(diào)壓力泵10連接電機，所述電調(diào)壓力泵10的出水端通過輸送水管15連接到裂縫9，且在裂縫9的兩端均鋪設(shè)有擋水板18，所述擋水板18覆蓋在插入到裂縫9中的輸送水管15的上面；通過電機驅(qū)動電調(diào)壓力泵10向裂縫9中輸送水，通過調(diào)節(jié)電調(diào)壓力泵10的輸出功率，調(diào)節(jié)向裂縫9中輸水的流量，便于分析不同水壓變化下的裂縫9劈裂情況。

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括夾式引伸計14、應(yīng)變片8、測壓導管7、輸入端水壓傳感器11、輸出端水壓傳感器12和多通道動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀13。

所述裂縫9上設(shè)置有若干個夾式引伸計14，所述夾式引伸計14的兩個針腳分別插在裂縫9的兩側(cè)，所述夾式引伸計14的數(shù)據(jù)傳輸線16連接到多通道動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀13。所述裂縫9的劈裂方向上的混凝土試樣6表面鋪設(shè)有若干個應(yīng)變片8，所述應(yīng)變片8的數(shù)據(jù)傳輸線16連接到多通道動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀13。所述混凝土試樣6內(nèi)插有若干個測壓導管7，所述測壓導管7插入到混凝土試樣6內(nèi)的一端超出所述裂縫9的劈裂面5cm左右，所述測壓導管7通過相應(yīng)的輸出端水壓傳感器12及數(shù)據(jù)傳輸線16連接到多通道動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀13。通過夾式引伸計14、應(yīng)變片8和測壓導管7測量裂縫9劈裂過程中，混凝土試樣6的壓力變化。

所述輸入端水壓傳感器11的測壓水管17與輸送水管15接通，所述輸入端水壓傳感器11的數(shù)據(jù)傳輸線16連接到多通道動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀13。輸入端水壓傳感器11監(jiān)測朝向裂縫9中輸水的水壓力，通過多通道動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀13記錄該水壓力變化數(shù)據(jù)。

所述裂縫9的兩端和中間位置分別設(shè)置有夾式引伸計14。能夠記錄裂縫9兩端和裂縫9中間部位的變形變化。

模擬高水壓下混凝土水力劈裂的試驗裝置的試驗方法，包括如下操作步驟：

（1）制作模具：選取1個矩形的底板1及4個邊框板2，所述邊框板2的一側(cè)表面預(yù)留有插槽，用螺栓將邊框板2固定在底板1的四個邊緣，使其形成一個矩形框，邊框板2的插槽朝向矩形框的內(nèi)側(cè)，在邊框板2的插槽內(nèi)插入橫向擋板3，在橫向擋板3預(yù)留的插槽內(nèi)插入縱向擋板4，所述矩形框的內(nèi)部分割成若干個立方體空間，在橫向擋板3上切割出貫通的水平的刀口，在所述刀口中插入板片5，在所述板片5的上方布置若干根測壓導管7，所述測壓導管7分布在板片5的延伸方向上，相鄰的測壓導管7之間留有間距，所述測壓導管7內(nèi)置一根鋼棒，并且通過鐵絲纏繞將測壓導管7固定定位，得到模具；

（2）澆筑試樣：在步驟（1）得到的模具的內(nèi)部表面和板片5表面涂抹脫模劑，拌和混凝土，攪拌均勻后澆入模具，進行振搗，振搗密實至表面范漿，在振搗過程中需在混凝土料下降后及時補充混凝土，振搗后抹平表面；

（3）脫模養(yǎng)護：完成步驟（2）后2-3h拔出板片5，形成裂縫9，完成步驟（2）后24h脫除模具，得到若干個混凝土試樣6，對混凝土試樣6進行自然養(yǎng)護；

（4）裝樣：將步驟（3）得到的混凝土試樣6取出，干燥處理后，在裂縫9延伸的方向上的混凝土試樣6表面粘貼若干個應(yīng)變片8，所述裂縫9的兩端分別粘貼有應(yīng)變片8；在裂縫9上安裝若干個夾式引伸計14，所述裂縫9的中間和兩端均安裝有夾式引伸計14；在裂縫9周圍涂抹膠黏劑，并將擋水板18粘貼密封在裂縫9上，該擋水板18的中心設(shè)置有進水孔，將電調(diào)壓力泵10的水管插入擋水板18中心的進水孔，通過電調(diào)壓力泵10向裂縫9中輸水，排出裂縫9內(nèi)的氣體，關(guān)閉電調(diào)壓力泵10，在混凝土試樣6另一側(cè)表面的擋水板18中心布置有出水孔，電調(diào)壓力泵10的水管通過三接頭連接進水端水壓傳感器，擋水板18的端部的進水孔中插入出水端水壓傳感器的水管，將應(yīng)變片8、夾式引伸計14、進水端水壓傳感器和出水端水壓傳感器的數(shù)據(jù)傳輸線16分別連接到多通道動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀13的對應(yīng)的接口；

（5）試驗：通過電調(diào)壓力泵10向裂縫9中輸入水，提高裂縫9中的水壓，并通過輸入端水壓傳感器11實時記錄水壓的輸入值，通過夾式引伸計14、應(yīng)變片8、測壓導管7實時記錄混凝土試樣6內(nèi)部的水壓力，通過夾式引伸計14、應(yīng)變片8實時記錄混凝土試樣6的變形特征，逐步提高水壓直至混凝土試樣6被破壞；

（6）水力劈裂分析：更換混凝土試樣6，重復步驟（4）和步驟（5），根據(jù)若干次試驗的結(jié)果，對混凝土試樣6的水力劈裂所呈現(xiàn)的現(xiàn)象及機理進行分析。

本發(fā)明方法利用模具能夠一次制作多個混凝土試樣6，通過試驗多個混凝土試樣6，得出多組實驗數(shù)據(jù)，便于分析。

所述步驟（1）中板片5選用鋼片，所述鋼片的一端經(jīng)過打磨處理，用于引導裂縫9開展方向。

所述步驟（4）中擋水板18選用鋼板，所述鋼板通過鋼膠粘貼在混凝土試樣6表面，且鋼板的四周還涂刷有耐高壓防滲膠。實現(xiàn)鋼板與混凝土試樣6完全密封。

所述步驟（4）中設(shè)置三個夾式引伸計14，三個夾式引伸計14依次設(shè)置在裂縫9的兩端和中間位置。夾式引伸計14設(shè)置在具有代表性的三個位置，采集變形參數(shù)。

所述步驟（4）中設(shè)置八個應(yīng)變片8，八個應(yīng)變片8均設(shè)置在所述裂縫9的延伸方向上，所述裂縫9兩端分別設(shè)置有四個應(yīng)變片8。應(yīng)變片8的數(shù)量根據(jù)混凝土試樣6的大小確定，混凝土試樣6的規(guī)格為邊長15cm時，在裂縫9一端延伸方向上貼四個應(yīng)變片8采集的數(shù)據(jù)就能夠滿足分析使用。

本發(fā)明方案所公開的技術(shù)手段不僅限于上述技術(shù)手段所公開的技術(shù)手段，還包括由以上技術(shù)特征任意組合所組成的技術(shù)方案。

以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。