一種同步加載的混凝土構(gòu)件水力劈裂模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和裝置的制造方法
【專利摘要】一種同步加載的混凝土構(gòu)件水力劈裂模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，即：制備一帶預(yù)制裂縫和水壓測(cè)壓孔的全級(jí)配混凝土試件，兩側(cè)構(gòu)建方形凹槽；安裝密封裝置；向裝置內(nèi)注水加壓，直至試件被劈裂。本發(fā)明提供的方法不需要額外的施加荷載，由水壓力通過(guò)裝置產(chǎn)生一側(cè)向均布荷載作用于試件凹槽外側(cè)面，其大小可根據(jù)工作原理中提供的計(jì)算公式得到。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可透過(guò)橡膠圈觀測(cè)裂縫附近區(qū)域的實(shí)時(shí)狀況，并由水壓測(cè)壓孔測(cè)得縫間水壓力分布，在注水加壓過(guò)程中，裝置與試件、裝置與橡膠圈均發(fā)生自封式壓緊密封，本發(fā)明方法和其中使用的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封安全可靠，能夠用于高水壓作用下混凝土構(gòu)件的水力劈裂問(wèn)題研究。
【專利說(shuō)明】
一種同步加載的混凝土構(gòu)件水力劈裂模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于水工混凝土建筑物水力劈裂模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，提供了一個(gè)模擬混凝土構(gòu)件在全水環(huán)境下發(fā)生水力劈裂的方法。適用于探索水工混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生水力劈裂的機(jī)理和規(guī)律，也可用于研究減小水力劈裂危害，確保結(jié)構(gòu)安全的方法。本發(fā)明還提供了所述實(shí)驗(yàn)方法中使用的裝置。
技術(shù)背景
[0002]將巖體或混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)已有的孔隙和裂縫在高壓水作用下，發(fā)生擴(kuò)張、擴(kuò)展、相互貫通等物理現(xiàn)象統(tǒng)稱為水力劈裂，其實(shí)質(zhì)是指在高勢(shì)能的水壓作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生裂縫擴(kuò)展的過(guò)程。水力劈裂最早被應(yīng)用于石油工程中，用來(lái)加快石油開(kāi)采速度和產(chǎn)量。在水利工程中，由于發(fā)生水力劈裂，引起了一系列重大安全事故，如美國(guó)的特頓壩(Teton)、法國(guó)的馬爾帕賽拱壩(Malpasset)和意大利的瓦伊昂拱壩(Va1nt)等。
[0003]近年來(lái)，我國(guó)在建或已建的一大批混凝土壩，多位于地震活動(dòng)較為頻繁的西南、西北地區(qū)，其混凝土重力壩已高達(dá)200m級(jí)，混凝土拱壩已高達(dá)300m級(jí)，加之混凝土表面不可避免地會(huì)存在裂縫，這些都給水力劈裂的發(fā)生提供了可能。水工混凝土結(jié)構(gòu)(高混凝土壩等)作為水利工程的主體部分，其安全性不僅直接影響到工程效益的充分發(fā)揮，而且會(huì)危及下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，深入研究高水壓下水工混凝土結(jié)構(gòu)的水力劈裂問(wèn)題具有重大的意義。
[0004]目前，已有學(xué)者采用楔入式緊湊型拉伸混凝土試件或通過(guò)導(dǎo)管對(duì)混凝土試件內(nèi)部預(yù)制裂縫充水加壓來(lái)研究混凝土的水力劈裂問(wèn)題。前者受密封裝置制作的限制，難于實(shí)現(xiàn)高水壓力的作用，且不便于觀測(cè)裂縫的擴(kuò)展過(guò)程;后者只能測(cè)得試件發(fā)生水力劈裂時(shí)的靜水壓力和劈裂完成后裂縫的最終擴(kuò)展路徑，但無(wú)法測(cè)試裂縫的實(shí)時(shí)擴(kuò)展?fàn)顩r。此外，這些試驗(yàn)都需要通過(guò)額外的試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，大多用于靜荷載作用下的研究，難于實(shí)現(xiàn)動(dòng)載作用下的測(cè)量。然而，實(shí)際工程中水工混凝土結(jié)構(gòu)的水力劈裂問(wèn)題復(fù)雜，建筑物不僅受靜荷載作用，而且往往也會(huì)受到動(dòng)荷載的作用，尤其當(dāng)出現(xiàn)洪峰或地震等極端情況下，動(dòng)荷載往往與水壓力同步變化;而且混凝土結(jié)構(gòu)涉水部分完全處于水環(huán)境下，裂縫中水壓形態(tài)多變，并非簡(jiǎn)單的線性分布。因此，只通過(guò)靜載模擬水工混凝土構(gòu)件的水力劈裂問(wèn)題難于探究出水工混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生水力劈裂的機(jī)理和規(guī)律。本發(fā)明將試件涉水部分處于全水環(huán)境中，通過(guò)調(diào)整水壓力，實(shí)現(xiàn)動(dòng)荷載的同步加載，并可通過(guò)預(yù)留的水壓測(cè)壓孔測(cè)得縫間水壓力分布，采用現(xiàn)代光測(cè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行非接觸、高精度測(cè)量記錄裂縫擴(kuò)展的實(shí)時(shí)狀況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]技術(shù)問(wèn)題:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)方案存在的問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種可同步加載的混凝土構(gòu)件水力劈裂模擬實(shí)驗(yàn)方法和裝置。該方法將混凝土構(gòu)件涉水部分完全置于水環(huán)境中，在加大水壓過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)荷載的同步加載，裝置與混凝土構(gòu)件間的密封也隨著水壓的增加而實(shí)現(xiàn)自封式壓緊密封，為研究動(dòng)載作用下混凝土構(gòu)件的水力劈裂問(wèn)題提供實(shí)驗(yàn)條件。此外，本發(fā)明也提供上述實(shí)驗(yàn)方法中所用的裝置。
[0006]技術(shù)方案:
[0007]一種同步加載的混凝土構(gòu)件水力劈裂模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)裝置，包括出氣管(1)、網(wǎng)狀鋼罩(2)、橡膠圈(3)、1/2鋼筒(4)、M8螺栓孔(5)、M10螺栓孔(6)、硅膠墊(9)、注水管(10);每對(duì)1/2鋼筒(4)側(cè)壁通過(guò)邊沿上的M8螺栓孔(5)連接，一端面與混凝土試件(7)之間墊有硅膠墊(9)，緊靠方形凹槽的外側(cè)壁，通過(guò)MlO螺栓孔(6)緊箍，另一端面通過(guò)橡膠圈(3)連接另一對(duì)1/2鋼筒(4)的端面;橡膠圈(3)外側(cè)包裹一網(wǎng)狀鋼罩(2);通過(guò)注水管(10)向所述裝置內(nèi)注水，由出氣管(I)排出所述裝置內(nèi)的空氣;實(shí)驗(yàn)過(guò)程中透過(guò)橡膠圈(3)記錄裂縫附近區(qū)域的實(shí)時(shí)狀況，通過(guò)水壓測(cè)壓孔(8)裂縫面的水壓分布。
[0008]兩對(duì)1/2鋼筒(4)之間通過(guò)橡膠圈(3)連接，整個(gè)裝置具有較好的延展性，在注水加壓過(guò)程中，1/2鋼筒(4)端面能夠與所述試件凹槽外側(cè)壁之間實(shí)現(xiàn)自封式壓緊密封。
[0009]在注水加壓過(guò)程中，橡膠圈(3)緊壓1/2鋼筒(4)側(cè)壁上的環(huán)形凹槽，能夠?qū)崿F(xiàn)自封式壓緊密封。
[0010]本同步加載的混凝土構(gòu)件水力劈裂模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法包括如下步驟:
[0011 ]步驟一:制備一全級(jí)配混凝土試件，在該試件表面的中間預(yù)制一裂縫，兩側(cè)對(duì)稱各切割出一圈方形凹槽，在裂縫下側(cè)預(yù)留一系列水壓測(cè)壓孔；
[0012]步驟二:將試件中間至凹槽段置于裝置中，并密封；
[0013]步驟三:向裝置中注水，施加水壓，直至所述試件被劈裂。
[0014]記錄整個(gè)過(guò)程中水壓隨時(shí)間的變化情況，并繪制成曲線。
[0015]為便于步驟二的裝置密封，在步驟一中所述方形凹槽的寬度和深度均為30?50mm為宜;所述裂縫的寬度I?3mm，深度為150?200mm為宜;所述水壓測(cè)壓孔線性陣列于裂縫下側(cè)，直徑宜為I?3_。
[0016]在模擬帶裂縫的全級(jí)配試件發(fā)生水力劈裂的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法中，所述試件的長(zhǎng)度應(yīng)大于1000mm，同時(shí)所述裂縫距離實(shí)驗(yàn)時(shí)作用力施加部位應(yīng)在500mm以上。這樣，可以確保兩端應(yīng)力集中對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響幾乎為零。
[0017]為了使得對(duì)裝置中加水壓有一參考范圍，應(yīng)同時(shí)澆筑一批同樣配比的無(wú)裂縫試件，并測(cè)定其力學(xué)參數(shù)(如:彈模、泊松比、抗拉強(qiáng)度等)。再根據(jù)所測(cè)的力學(xué)參數(shù)，通過(guò)有限單元法，計(jì)算出帶有裂縫的所述試件開(kāi)裂時(shí)的水壓力，然后進(jìn)行所述的步驟三。
[0018]步驟二中所述裝置為本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的主體部件，不僅可以用于密封帶裂縫的試件段，而且隨著水壓的變化可以對(duì)試件施加動(dòng)荷載。其特征包括兩對(duì)特制1/2鋼筒、橡膠圈和網(wǎng)狀鋼罩、出氣管、進(jìn)水管;每對(duì)1/2鋼筒一端開(kāi)口并制有環(huán)形凹槽，另一端有一方孔，墊上硅膠墊后，套于試件的方形凹槽處;鋼筒壁上管口朝上的水管稱為出氣管，管口朝下的水管稱為注水管;兩對(duì)鋼筒之間通過(guò)橡膠圈連接;橡膠圈外側(cè)包裹網(wǎng)狀鋼罩。
[0019]所述鋼筒筒壁邊沿均突出一部分，為20?30mm為宜，突出部分上分布有螺栓孔，用于密封。
[0020]所述橡膠圈兩端均采用鋼壓條反向壓置于鋼筒端面環(huán)形凹槽邊沿的螺栓孔處，并將螺栓擰緊。
[0021 ]步驟三中，所述注水過(guò)程中，注水管連接高壓加水裝置進(jìn)行注水，出氣管處于打開(kāi)狀態(tài)，以排盡裝置中的空氣，當(dāng)出氣管有水溢出時(shí)，將其關(guān)閉。
[0022]工作原理:
[0023]試驗(yàn)過(guò)程中，由于橡膠圈具有良好的延展性，隨著水壓的增加，裝置逐漸向兩側(cè)延伸，鋼筒端面擠壓硅膠墊，實(shí)現(xiàn)與試件間的自封式壓緊密封;觀測(cè)窗口中水壓力直接作用于橡膠圈，為確保橡膠圈的徑向剛度，在其外側(cè)包裹網(wǎng)狀鋼罩，橡膠圈緊壓鋼筒側(cè)壁的環(huán)形凹槽，實(shí)現(xiàn)了自封式壓緊密封。模擬試件水力劈裂過(guò)程的作用力由兩部分組成:一為裂縫間的水壓力P，另一為水壓力通過(guò)鋼筒端面作用于兩側(cè)方形凹槽的側(cè)向均布荷載q。
[0024]側(cè)向均布荷載q受水壓力P、鋼筒端面面積S1，以及凹槽側(cè)面積S2的共同影響，其計(jì)算公式為:
[0025]q = P.S1/S2
[0026]在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)水壓測(cè)壓孔測(cè)得水力劈裂過(guò)程中，裂縫間的水壓變化情況;透過(guò)橡膠圈，使用高分辨高速相機(jī)連續(xù)記錄裂縫附近區(qū)域的應(yīng)變場(chǎng)及裂縫擴(kuò)展的實(shí)時(shí)狀況。
[0027]有益效果:本發(fā)明提供的同步加載的混凝土構(gòu)件水力劈裂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，可隨水壓力的變化在混凝土構(gòu)件上同步施加側(cè)向均布荷載，不需要額外施加荷載;可在向裝置內(nèi)注水加壓過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)高水壓下自封式壓緊密封，密封安全可靠;在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可透過(guò)非接觸光測(cè)窗口進(jìn)行非接觸、高精度監(jiān)測(cè)水力劈裂過(guò)程，并通過(guò)預(yù)留的水壓測(cè)壓孔測(cè)得裂縫端面的水壓力分布情況。本發(fā)明提供的所述實(shí)驗(yàn)方法中使用的裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高水壓下也能密封安全可靠，可重復(fù)利用，制備的混凝土試件符合實(shí)驗(yàn)要求。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1為本發(fā)明同步加載的混凝土構(gòu)件水力劈裂模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法實(shí)施時(shí)的示意圖；
[0029]圖2為本發(fā)明同步加載的混凝土構(gòu)件水力劈裂模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法實(shí)施時(shí)的正面示意圖；
[0030]圖3為圖2的a部局部放大結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031 ]圖4為本發(fā)明所述裝置的示意圖；
[0032]圖5為圖4的b部局部放大結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖中:
[0034]I 一出氣管 2—網(wǎng)狀鋼罩
[0035]3一橡Jj父圈4一I/2鋼筒
[0036]5—M8螺栓孔 6—MlO螺栓孔
[0037]7—混凝土試件8—水壓測(cè)壓孔
[0038]9 一硅膠墊 10—注水管
[0039]11 一預(yù)制裂縫
【具體實(shí)施方式】
[0040]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0041]如圖1所示，為本發(fā)明提供的同步加載的混凝土構(gòu)件水力劈裂模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法實(shí)施時(shí)的示意圖，包括出氣管(I)、網(wǎng)狀鋼罩(2)、橡膠圈(3)、1/2鋼筒(4)、M8螺栓孔(5)、M10螺栓孔(6)、硅膠墊(9)、注水管(10);每對(duì)1/2鋼筒(4)與混凝土試件(7)之間墊有硅膠墊
(6)，緊靠方形凹槽的外側(cè)壁，通過(guò)MlO螺栓孔(6)緊箍;兩對(duì)1/2鋼筒(4)之間通過(guò)橡膠圈(3)連接;每對(duì)1/2鋼筒(4)通過(guò)鋼壁邊沿上的M8螺栓孔(5)連接;橡膠圈(3)外側(cè)包裹一網(wǎng)狀鋼罩(2);通過(guò)注水管(10)向所述裝置內(nèi)注水，由出氣管(I)排出所述裝置內(nèi)的空氣;實(shí)驗(yàn)過(guò)程中透過(guò)橡膠圈(3)記錄整個(gè)水力劈裂過(guò)程，通過(guò)水壓測(cè)壓孔(8)測(cè)得預(yù)制裂縫(11)的縫間水壓力。
[0042]具體地，所述混凝土試件(7)為全級(jí)配混凝土試件，尺寸為450 X450 X 1700mm;預(yù)留的水壓測(cè)壓孔(8)線性陣列分布于裂縫下側(cè)，直徑2mm;預(yù)制裂縫(11)寬2mm
于試件中心線處;試件兩側(cè)對(duì)稱切割出60 X 50mm方形凹槽，凹槽的內(nèi)側(cè)面距離試件中心線500mm，如圖2所示。還需要制備一些與混凝土試件(7)同一工況，同一配比的常規(guī)混凝土力學(xué)性能測(cè)試試件。
[0043]具體地，安裝所述裝置并實(shí)現(xiàn)自封式壓緊密封:1/2鋼筒(4)與配混凝土試件(7)墊有硅膠墊(9)，如圖3所示;每對(duì)1/2鋼筒(4)通過(guò)側(cè)壁邊沿上的M8螺栓孔(5)連接，通過(guò)MlO螺栓孔(6)緊箍，實(shí)現(xiàn)與混凝土試件(7)方形凹槽的徑向密封;兩對(duì)1/2鋼筒(4)之間制有環(huán)形凹槽，通過(guò)M8螺栓孔(5)連接橡膠圈(3)，如圖4所示;打開(kāi)出氣管(I)，采用水壓加壓裝置由注水管(10)向所述裝置內(nèi)注水，直至出氣管有水溢出時(shí)，關(guān)閉出氣管(I);隨著水壓的增加，由于橡膠圈(3)的可延展性，使其緊壓1/2鋼筒(4)側(cè)壁上的環(huán)形凹槽壁，實(shí)現(xiàn)橡膠圈(3)與1/2鋼筒(4)的自封式壓緊密封，如圖5所示，每對(duì)1/2鋼筒(4)向兩側(cè)擠壓硅膠墊(9)，實(shí)現(xiàn)與混凝土試件(7)凹槽外側(cè)壁的自封式壓緊密封。
[0044]具體地，本發(fā)明提供的同步加載的混凝土構(gòu)件水力劈裂模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和裝置，無(wú)需額外施加荷載?；炷猎嚰?7)發(fā)生水力劈裂過(guò)程除了受水壓力的作用外，還受到一均布荷載q的作用，該荷載是由于1/2鋼筒(4)，通過(guò)硅膠墊(9)擠壓該試件方形凹槽外側(cè)壁而產(chǎn)生的，其大小為:
[0045]q = P.S1/S2
[0046]式中，P為水壓力，&為1/2鋼筒(4)的端面面積，S2為該試件方形凹槽側(cè)壁面積。
[0047]具體地，本發(fā)明提供的同步加載的混凝土構(gòu)件水力劈裂模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和裝置，可通過(guò)水壓測(cè)壓孔(8)測(cè)得預(yù)制裂縫(11)的縫間水壓力分布;可采用現(xiàn)代光測(cè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，透過(guò)橡膠圈(3)，進(jìn)行非接觸、高精度測(cè)量，記錄下發(fā)生水力劈裂過(guò)程中，預(yù)制裂縫
(11)尖端區(qū)域的應(yīng)變場(chǎng)分布及該裂縫擴(kuò)展的實(shí)時(shí)路徑;為確保橡膠圈(3)在高水壓作用下的徑向剛度，包裹一網(wǎng)狀鋼罩(2)。
[0048]所述的橡膠圈(3)為透明橡膠圈。
[0049]本發(fā)明提供的同步加載的混凝土構(gòu)件水力劈裂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和裝置，操作便捷，裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，高水壓下也能密封安全可靠，可重復(fù)利用，制備的混凝土試件符合實(shí)驗(yàn)要求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種同步加載的混凝土構(gòu)件水力劈裂模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)裝置，其特征在于:包括出氣管(I)、網(wǎng)狀鋼罩(2)、橡膠圈(3)、1/2鋼筒(4)、M8螺栓孔(5)、M10螺栓孔(6)、硅膠墊(9)、注水管(10);每對(duì)1/2鋼筒(4)側(cè)壁通過(guò)邊沿上的M8螺栓孔(5)連接，一端面與混凝土試件(7)之間墊有硅膠墊(9)，緊靠方形凹槽的外側(cè)壁，通過(guò)MlO螺栓孔(6)緊箍，另一端面通過(guò)橡膠圈(3)連接另一對(duì)1/2鋼筒(4)的端面;橡膠圈(3)外側(cè)包裹一網(wǎng)狀鋼罩(2);通過(guò)注水管(10)向所述裝置內(nèi)注水，由出氣管(I)排出所述裝置內(nèi)的空氣;實(shí)驗(yàn)過(guò)程中透過(guò)橡膠圈(3)記錄裂縫附近區(qū)域的實(shí)時(shí)狀況，通過(guò)水壓測(cè)壓孔(8)裂縫面的水壓分布。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步加載的混凝土構(gòu)件水力劈裂模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)裝置，其特征在于:兩對(duì)1/2鋼筒(4)之間通過(guò)橡膠圈(3)連接，整個(gè)裝置具有較好的延展性，在注水加壓過(guò)程中，1/2鋼筒(4)端面能夠與所述試件凹槽外側(cè)壁之間實(shí)現(xiàn)自封式壓緊密封。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步加載的混凝土構(gòu)件水力劈裂模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)裝置，其特征在于:在注水加壓過(guò)程中，橡膠圈(3)緊壓1/2鋼筒(4)側(cè)壁上的環(huán)形凹槽，能夠?qū)崿F(xiàn)自封式壓緊密封。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步加載的混凝土構(gòu)件水力劈裂模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)裝置的模擬實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟一:制備一全級(jí)配混凝土試件，試件表面中心線處預(yù)制一裂縫，兩側(cè)對(duì)稱構(gòu)建方形凹槽，在裂縫下側(cè)預(yù)制一系列水壓測(cè)壓孔； 步驟二:安裝密封裝置，將兩側(cè)凹槽間的試件段置于裝置中； 步驟三:向裝置中注水，施加水壓，直至試件被劈裂。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種同步加載的混凝土構(gòu)件水力劈裂模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)裝置的模擬實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于:安裝密封裝置后，向裝置注水，可由水壓力通過(guò)裝置同步產(chǎn)生一側(cè)向均布荷載作用于試件方形凹槽外側(cè)，無(wú)需施加額外荷載。
【文檔編號(hào)】G01N3/12GK106053240SQ201610341975
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月20日
【發(fā)明人】杜成斌, 趙文虎, 孫立國(guó), 章鵬, 戴上秋, 田新冉, 李潤(rùn)璞
【申請(qǐng)人】河海大學(xué)