本實用新型提供了水利水電工程領(lǐng)域中一種用于碾壓混凝土高壓水劈裂試驗的技術(shù)，尤其是一種可預(yù)加剪應(yīng)力的碾壓混凝土高壓水劈裂試驗用試件、及制備該試件的裝置。

背景技術(shù)：

隨著水資源開發(fā)需求的增長以及工程技術(shù)的進步，高壩大庫的建設(shè)日益增多，壩高200m以上的特高混凝土重力壩不斷涌現(xiàn)。壩高的增長帶來了新的問題，特別是碾壓混凝土壩，存在碾壓薄弱層面，薄弱面在庫水壓力作用下是否會發(fā)生高壓水劈裂是一個重要的工程安全問題。如果混凝土在高壓水作用下發(fā)生開裂，將會對大壩的正常工作帶來巨大的潛在危險。因此非常有必要研究碾壓混凝土層面在高壓水作用下的性能表現(xiàn)，以評估高壩的安全性。

碾壓混凝土重力壩的層面在高壓水作用下發(fā)生水力劈裂的機理復(fù)雜，其中一個重要原因既是實際工程中的碾壓混凝土是在復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下工作。在重力壩的上游表面，在不考慮水壓的情況下，碾壓混凝土層面的受到的力狀態(tài)可能是無應(yīng)力、受壓、受拉、受剪，以及這幾種力的疊加等情況。在考慮這些復(fù)雜外力條件下的碾壓混凝土層面的高壓水劈裂試驗裝置，尤其是能夠產(chǎn)生剪應(yīng)力作用的碾壓混凝土層面的高壓水劈裂裝置還未見報道。

中國發(fā)明專利申請(公開號為CN 103698218 A)公開了一種可模擬不同應(yīng)力條件下混凝土構(gòu)件水力劈裂試驗裝置，該裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，考慮了不同初始裂縫傾斜角情況下的水力劈裂試驗，然而僅實現(xiàn)了對常態(tài)混凝土的高壓水劈裂試驗。中國發(fā)明專利(公開號CN 102053036 A)公開了拉壓狀態(tài)下混凝土構(gòu)件高壓水劈裂模擬實驗設(shè)計方法和裝置，僅針對單軸受拉壓條件下的混凝土試件進行高壓水劈裂試驗，而且也僅是針對常態(tài)混凝土而言。可見考慮剪應(yīng)力狀態(tài)下的碾壓混凝土層面高壓水劈裂方面，還未有相關(guān)實驗方法及配套設(shè)配。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對以上問題，尤其是碾壓混凝土的層面特點，本實用新型結(jié)合碾壓混凝土高壩的工作特點，在反復(fù)試驗和工程實踐中提出了一種可預(yù)加剪應(yīng)力的碾壓混凝土高壓水劈裂試驗裝置。可有效地模擬碾壓混凝土高壩層間縫在高壓水作用下的工作工況，提高碾壓混凝土壩設(shè)計和研究水平，為碾壓混凝土壩高壩建設(shè)提供基礎(chǔ)保證，彌補國內(nèi)外這一領(lǐng)域的空白。

通過檢索國內(nèi)外有關(guān)混凝土高壓水劈裂試驗設(shè)備及方法文獻專利，表明在本實用新型之前，用于混凝土高壓水劈裂試驗的可預(yù)加剪應(yīng)力的試驗設(shè)備及方法還沒有報道。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本實用新型主要目的在于提供一種可預(yù)加剪應(yīng)力的碾壓混凝土高壓水劈裂試驗用試件，其可以考慮剪應(yīng)力的影響，從而可以更真實、有效地模擬碾壓混凝土層面在高壓水作用下的工作工況。

本實用新型又一目的在于提供一種試件制備用裝置，其可供制備可預(yù)加剪應(yīng)力的碾壓混凝土高壓水劈裂試驗用試件，且可以使試件的制備簡單、可靠。

為了達到上述目的，本實用新型提供的主要技術(shù)方案包括：

一種可預(yù)加剪應(yīng)力的碾壓混凝土高壓水劈裂試驗用試件，該試件具有一延伸方向，在該延伸方向具有依次設(shè)置的第一混凝土塊、第二混凝土塊、第三混凝土塊和第四混凝土塊，其中，第一混凝土塊與第二混凝土塊的接觸面構(gòu)成第一層面，第二混凝土塊與第三混凝土塊的接觸面構(gòu)成第二層面，第三混凝土塊與第四混凝土塊的接觸面構(gòu)成第三層面，該第二層面與該延伸方向間具有一夾角α，該試件內(nèi)部于該第二層面處具有一預(yù)設(shè)裂縫，該預(yù)設(shè)裂縫通過一接口通道與試件外部連通。

其中，該預(yù)設(shè)裂縫位于試件的第二混凝土塊與第三混凝土塊的接觸面構(gòu)成第二層面，且位于試件延伸方向的長度的中間部位，以使預(yù)設(shè)裂縫附近幾乎不受試件兩端的應(yīng)力集中的影響。

其中，所述第一混凝土塊與第四混凝土塊為常態(tài)混凝土，所述第二混凝土塊與第三混凝土塊為碾壓混凝土。

其中，所述試件的兩端設(shè)有或不設(shè)連接裝置，該連接裝置設(shè)有露出試件外的連接部。所述連接裝置為一端埋設(shè)于第一混凝土塊和第四混凝土塊中的錨桿。該露出試件外的連接部為螺紋段。

其中，所述試件整體呈圓柱體。所述預(yù)設(shè)裂縫優(yōu)選為圓形。

一種試件制備用裝置，其包括：

殼模，具有容置空間，供制備上述試件用的常態(tài)混凝土和碾壓混凝土填入其中，該容置空間具有一延伸方向；

夯實設(shè)備，具有用于夯實殼模的容置空間中的碾壓混凝土的底板，該底板具有一斜面，該斜面與該延伸方向間具有一夾角α。

其中，所述殼模整體呈筒狀，其底端呈封閉狀，其封閉狀的底端的內(nèi)底部設(shè)有底蓋。

其中，所述底蓋設(shè)有或不設(shè)若干通孔，通孔供錨桿穿設(shè)。所屬錨桿靠近殼模內(nèi)底部的一側(cè)設(shè)有螺紋段和與螺紋段配合的螺母。

其中，所述底蓋與殼模內(nèi)底部之間設(shè)有墊塊。該墊塊與底蓋為一整體，對應(yīng)底蓋中部設(shè)置，若干錨桿環(huán)繞該墊塊設(shè)置。

其中，所述殼模的頂端呈開口狀，其開口狀的頂端內(nèi)部設(shè)有或者不設(shè)頂蓋。所述頂蓋設(shè)有若干通孔，供錨桿穿設(shè)。錨桿露出的一端設(shè)有螺紋段和與螺紋段配合的螺母。

其中，所述夯實設(shè)備為實驗室用于壓實碾壓混凝土的振動壓實成型儀。

其中，所述殼模為鋼模，整體呈圓柱體。

本實用新型的有益效果是：

本實用新型的可預(yù)加剪應(yīng)力的碾壓混凝土高壓水劈裂試驗用試件，其可以考慮剪應(yīng)力的影響，從而可以更真實、有效地模擬碾壓混凝土高壩碾壓層面在高壓水作用下的工作工況；

本實用新型的試件制備用裝置，其可供制備可預(yù)加剪應(yīng)力的碾壓混凝土高壓水劈裂試驗用試件，且可以使試件的制備簡單、可靠。

附圖說明

圖1為本實用新型預(yù)加剪應(yīng)力狀態(tài)下碾壓混凝土構(gòu)件高壓水劈裂模擬實驗的試驗原理示意圖；

圖2為本實用新型一個實施例的可預(yù)加剪應(yīng)力的碾壓混凝土高壓水劈裂試驗用試件的結(jié)構(gòu)示意圖(同時示出了制備該試件用的模具，即模具拆除前的狀態(tài))。

【主要元件符號說明】

(1)圓柱體鋼模，(2)預(yù)設(shè)裂縫，(3)碾壓混凝土層面，(4)錨桿，(5)墊塊，(6)螺栓，(7)螺母，(8)上層常態(tài)混凝土，(9)上層碾壓混凝土，(10)下層碾壓混凝土，(11)下層常態(tài)混凝土。

具體實施方式

為了更好的解釋本實用新型，以便于理解，下面結(jié)合附圖，通過具體實施方式對本實用新型作詳細說明。

參見圖1，本實用新型的試驗原理圖，其通過在試件中設(shè)置預(yù)設(shè)斜裂縫，將單軸試驗機提供的拉壓荷載轉(zhuǎn)化為剪應(yīng)力，在一定的預(yù)加剪應(yīng)力之下，向試件中通入高壓水進行試驗，以模擬碾壓混凝土高壩層間縫在高壓水作用下的工作工況。

參見圖2，本實用新型一個實施例的可預(yù)加剪應(yīng)力的碾壓混凝土高壓水劈裂試驗用試件，其包括三個圓柱體鋼模1，三個圓柱體鋼模1兩兩之間通過螺栓連接構(gòu)成一個整體的筒狀模具。模具內(nèi)灌注碾壓混凝土和常態(tài)混凝土，包括中部的兩層碾壓混凝土9、10和兩端的兩層常態(tài)混凝土8、11，得到混凝土構(gòu)件(即所述試件)，混凝土構(gòu)件中間澆筑成斜面狀態(tài)，并且在兩層碾壓混凝土的接觸斜面處(即碾壓混凝土層面3)預(yù)設(shè)1根高壓水管。

具體的，所述試件整體呈圓柱體狀，底面直徑450mm，高度1350mm，其上下兩端為常態(tài)混凝土8、11，且上下兩端的常態(tài)混凝土8、11中埋設(shè)有8根錨桿4，錨桿4露出的一端設(shè)有螺紋(優(yōu)選為設(shè)成一螺栓6)，螺紋處螺合有螺母7；試件的中部設(shè)有兩層碾壓混凝土9、10，兩層碾壓混凝土9、10之間，以及其與上下兩端的常態(tài)混凝土8、11之間形成三處45°的斜面，兩層碾壓混凝土9、10為150mm厚，即相鄰斜面間的間距為150mm，并且在兩層碾壓混凝土9、10之間的斜面處(即碾壓混凝土層面3)設(shè)有預(yù)設(shè)裂縫2，該預(yù)設(shè)裂縫2恰位于試件的整體長度的中間位置，該預(yù)設(shè)裂縫2通過一預(yù)先埋設(shè)于其中的高壓水管與外部連通，以向其中輸入試驗用的高壓水。

其中，其模具包括三個規(guī)格為Φ450mm×450mm的圓柱體鋼模1，該三個規(guī)格為Φ450mm×450mm的圓柱體鋼模1兩兩之間通過4個螺栓連接。其位于頂端的一個圓柱體鋼模兩端呈開口狀，且于頂側(cè)設(shè)有頂蓋，頂蓋上環(huán)設(shè)有8個通孔，供穿設(shè)錨桿；其位于底端的一個圓柱體鋼模一端(即底端)呈封口狀，該封口狀的底端的內(nèi)底面設(shè)有底蓋，底蓋上環(huán)設(shè)有8個通孔，供穿設(shè)錨桿，底蓋的中部與內(nèi)底面之間設(shè)有墊塊5；其位于中部的，一個圓柱體鋼模兩端呈開口狀，且于側(cè)壁設(shè)有側(cè)開口，以供高壓水管設(shè)置。

其中，所述混凝土試件的制備包括：

制備Φ450mm×1350mm的圓柱形試件需3個Φ450mm×450mm的圓柱形試模。裂縫設(shè)置在試件長度的中間部位，從而使裂縫附近幾乎不受兩端應(yīng)力集中的影響。由于在試件中間部位成一45°斜縫，將Φ3mm-6mm高壓水管置于試件中間，沿斜裂縫敷設(shè)伸出試件。

具體的，成縫構(gòu)件的制作有以下幾個要點：

①將帶有6個錨桿的底蓋置于Φ450mm×1350mm圓柱形模內(nèi)，使底蓋下端螺栓高度低于鋼制墊塊，保證底蓋處于水平狀態(tài)；

②往試模里加入全級配常態(tài)混凝土淹沒錨桿，再在在斜面處加上層厚為150mm的碾壓混凝土。用改裝的45°傾斜底板的振動碾夯實；

③沿夯實面橢圓長軸方向鋪設(shè)一條高壓水管，并做好保護措施(包括管嘴用塑料紙堵上，防止異物進入)，水管其余部分沿圓柱形模具壁面伸出；

④再往鋪設(shè)水管的碾壓混凝土層面澆筑一層層厚為150mm的碾壓混凝土，并用上述振動碾夯實；

⑤在上述碾壓混凝土層面澆筑常態(tài)混凝土至圓柱形模頂端，用振搗棒振搗密實，并蓋上帶有6個錨桿的頂蓋；

⑥試件原地靜置一周后，拆模，測試試件是否進水通暢，確定進水通暢后，將進水口封堵保護，錨桿6的螺絲上涂一層黃油，進行防銹保護。試件小心運至養(yǎng)護室，養(yǎng)護至相應(yīng)齡期。

具體的，所述試件的試驗方法包括：

試件安裝——將試件安裝在萬能試驗機上，將上下錨桿6與萬能試驗機的錨栓連接，準備開始試驗；

水壓加壓——試驗前首先對測試相應(yīng)材料的強度，通過有限元計算，預(yù)估試件的劈裂水壓，據(jù)此確定水壓的加壓步長和閾值；

萬能試驗機對試件施加恒定拉力——該拉力通過45°碾壓混凝土的層面轉(zhuǎn)化為剪力作用，在高壓水管中按照一定的步長通入高壓水，在整個試驗過程中仔細觀察試件表面有無漏水情況，并記錄壓力表的讀數(shù)有無驟降現(xiàn)象，據(jù)此判斷水力劈裂是否發(fā)生，壓力表所達到的最高值就是劈裂時候的水壓力。

綜上所述，本實用新型基于傳統(tǒng)高壓水劈裂模擬實驗設(shè)計方法和裝置常只針對單軸受拉壓條件下的混凝土試件進行高壓水劈裂試驗且難以考慮剪應(yīng)力影響的不足，研究和開發(fā)的可預(yù)加剪應(yīng)力的碾壓混凝土高壓水劈裂試驗用試件，其可以考慮剪應(yīng)力的影響，從而可以更真實、有效地模擬碾壓混凝土高壩層間縫在高壓水作用下的工作工況，且方法簡單、可行；

本實用新型的試件制備用裝置，其可供制備可預(yù)加剪應(yīng)力的碾壓混凝土高壓水劈裂試驗用試件，且可以使試件的制備簡單、可靠。