一種同步加載的混凝土構件水力劈裂模擬實驗設計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件水力劈裂模擬實驗設計方法，即：制備一帶預制裂縫和水壓測壓孔的全級配混凝土試件，兩側構建方形凹槽；安裝密封裝置；向裝置內注水加壓，直至試件被劈裂。本發明提供的方法不需要額外的施加荷載，由水壓力通過裝置產生一側向均布荷載作用于試件凹槽外側面，其大小可根據工作原理中提供的計算公式得到。實驗過程中可透過橡膠圈觀測裂縫附近區域的實時狀況，并由水壓測壓孔測得縫間水壓力分布，在注水加壓過程中，裝置與試件、裝置與橡膠圈均發生自封式壓緊密封，本發明方法和其中使用的裝置結構簡單，密封安全可靠，能夠用于高水壓作用下混凝土構件的水力劈裂問題研究。
【專利說明】
一種同步加載的混凝土構件水力劈裂模擬實驗設計方法和裝置
技術領域
[0001]本發明屬于水工混凝土建筑物水力劈裂模擬實驗技術領域，提供了一個模擬混凝土構件在全水環境下發生水力劈裂的方法。適用于探索水工混凝土結構發生水力劈裂的機理和規律，也可用于研究減小水力劈裂危害，確保結構安全的方法。本發明還提供了所述實驗方法中使用的裝置。
技術背景
[0002]將巖體或混凝土結構內已有的孔隙和裂縫在高壓水作用下，發生擴張、擴展、相互貫通等物理現象統稱為水力劈裂，其實質是指在高勢能的水壓作用下，結構內發生裂縫擴展的過程。水力劈裂最早被應用于石油工程中，用來加快石油開采速度和產量。在水利工程中，由于發生水力劈裂，引起了一系列重大安全事故，如美國的特頓壩(Teton)、法國的馬爾帕賽拱壩(Malpasset)和意大利的瓦伊昂拱壩(Va1nt)等。
[0003]近年來，我國在建或已建的一大批混凝土壩，多位于地震活動較為頻繁的西南、西北地區，其混凝土重力壩已高達200m級，混凝土拱壩已高達300m級，加之混凝土表面不可避免地會存在裂縫，這些都給水力劈裂的發生提供了可能。水工混凝土結構(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揮，而且會危及下游人民的生命財產安全。因此，深入研究高水壓下水工混凝土結構的水力劈裂問題具有重大的意義。
[0004]目前，已有學者采用楔入式緊湊型拉伸混凝土試件或通過導管對混凝土試件內部預制裂縫充水加壓來研究混凝土的水力劈裂問題。前者受密封裝置制作的限制，難于實現高水壓力的作用，且不便于觀測裂縫的擴展過程;后者只能測得試件發生水力劈裂時的靜水壓力和劈裂完成后裂縫的最終擴展路徑，但無法測試裂縫的實時擴展狀況。此外，這些試驗都需要通過額外的試驗機進行加載，大多用于靜荷載作用下的研究，難于實現動載作用下的測量。然而，實際工程中水工混凝土結構的水力劈裂問題復雜，建筑物不僅受靜荷載作用，而且往往也會受到動荷載的作用，尤其當出現洪峰或地震等極端情況下，動荷載往往與水壓力同步變化;而且混凝土結構涉水部分完全處于水環境下，裂縫中水壓形態多變，并非簡單的線性分布。因此，只通過靜載模擬水工混凝土構件的水力劈裂問題難于探究出水工混凝土結構發生水力劈裂的機理和規律。本發明將試件涉水部分處于全水環境中，通過調整水壓力，實現動荷載的同步加載，并可通過預留的水壓測壓孔測得縫間水壓力分布，采用現代光測力學實驗手段進行非接觸、高精度測量記錄裂縫擴展的實時狀況。

【發明內容】

[0005]技術問題:針對現有技術方案存在的問題，本發明公開了一種可同步加載的混凝土構件水力劈裂模擬實驗方法和裝置。該方法將混凝土構件涉水部分完全置于水環境中，在加大水壓過程中，可實現動荷載的同步加載，裝置與混凝土構件間的密封也隨著水壓的增加而實現自封式壓緊密封，為研究動載作用下混凝土構件的水力劈裂問題提供實驗條件。此外，本發明也提供上述實驗方法中所用的裝置。
[0006]技術方案:
[0007]一種同步加載的混凝土構件水力劈裂模擬實驗設計裝置，包括出氣管(1)、網狀鋼罩(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1/2鋼筒(4)側壁通過邊沿上的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壁，通過MlO螺栓孔(6)緊箍，另一端面通過橡膠圈(3)連接另一對1/2鋼筒(4)的端面;橡膠圈(3)外側包裹一網狀鋼罩(2);通過注水管(10)向所述裝置內注水，由出氣管(I)排出所述裝置內的空氣;實驗過程中透過橡膠圈(3)記錄裂縫附近區域的實時狀況，通過水壓測壓孔(8)裂縫面的水壓分布。
[0008]兩對1/2鋼筒(4)之間通過橡膠圈(3)連接，整個裝置具有較好的延展性，在注水加壓過程中，1/2鋼筒(4)端面能夠與所述試件凹槽外側壁之間實現自封式壓緊密封。
[0009]在注水加壓過程中，橡膠圈(3)緊壓1/2鋼筒(4)側壁上的環形凹槽，能夠實現自封式壓緊密封。
[0010]本同步加載的混凝土構件水力劈裂模擬實驗設計方法包括如下步驟:
[0011 ]步驟一:制備一全級配混凝土試件，在該試件表面的中間預制一裂縫，兩側對稱各切割出一圈方形凹槽，在裂縫下側預留一系列水壓測壓孔；
[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]記錄整個過程中水壓隨時間的變化情況，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;所述水壓測壓孔線性陣列于裂縫下側，直徑宜為I?3_。
[0016]在模擬帶裂縫的全級配試件發生水力劈裂的實驗設計方法中，所述試件的長度應大于1000mm，同時所述裂縫距離實驗時作用力施加部位應在500mm以上。這樣，可以確保兩端應力集中對裂縫擴展的影響幾乎為零。
[0017]為了使得對裝置中加水壓有一參考范圍，應同時澆筑一批同樣配比的無裂縫試件，并測定其力學參數(如:彈模、泊松比、抗拉強度等)。再根據所測的力學參數，通過有限單元法，計算出帶有裂縫的所述試件開裂時的水壓力，然后進行所述的步驟三。
[0018]步驟二中所述裝置為本實驗設計方法的主體部件，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試件施加動荷載。其特征包括兩對特制1/2鋼筒、橡膠圈和網狀鋼罩、出氣管、進水管;每對1/2鋼筒一端開口并制有環形凹槽，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;兩對鋼筒之間通過橡膠圈連接;橡膠圈外側包裹網狀鋼罩。
[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，所述注水過程中，注水管連接高壓加水裝置進行注水，出氣管處于打開狀態，以排盡裝置中的空氣，當出氣管有水溢出時，將其關閉。
[0022]工作原理:
[0023]試驗過程中，由于橡膠圈具有良好的延展性，隨著水壓的增加，裝置逐漸向兩側延伸，鋼筒端面擠壓硅膠墊，實現與試件間的自封式壓緊密封;觀測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，在其外側包裹網狀鋼罩，橡膠圈緊壓鋼筒側壁的環形凹槽，實現了自封式壓緊密封。模擬試件水力劈裂過程的作用力由兩部分組成:一為裂縫間的水壓力P，另一為水壓力通過鋼筒端面作用于兩側方形凹槽的側向均布荷載q。
[0024]側向均布荷載q受水壓力P、鋼筒端面面積S1，以及凹槽側面積S2的共同影響，其計算公式為:
[0025]q = P.S1/S2
[0026]在實驗過程中通過水壓測壓孔測得水力劈裂過程中，裂縫間的水壓變化情況;透過橡膠圈，使用高分辨高速相機連續記錄裂縫附近區域的應變場及裂縫擴展的實時狀況。
[0027]有益效果:本發明提供的同步加載的混凝土構件水力劈裂實驗設計方法，可隨水壓力的變化在混凝土構件上同步施加側向均布荷載，不需要額外施加荷載;可在向裝置內注水加壓過程中，實現高水壓下自封式壓緊密封，密封安全可靠;在實驗過程中，可透過非接觸光測窗口進行非接觸、高精度監測水力劈裂過程，并通過預留的水壓測壓孔測得裂縫端面的水壓力分布情況。本發明提供的所述實驗方法中使用的裝置，結構簡單，高水壓下也能密封安全可靠，可重復利用，制備的混凝土試件符合實驗要求。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發明同步加載的混凝土構件水力劈裂模擬實驗設計方法實施時的示意圖；
[0029]圖2為本發明同步加載的混凝土構件水力劈裂模擬實驗設計方法實施時的正面示意圖；
[0030]圖3為圖2的a部局部放大結構示意圖；
[0031 ]圖4為本發明所述裝置的示意圖；
[0032]圖5為圖4的b部局部放大結構示意圖。
[0033]圖中:
[0034]I 一出氣管 2—網狀鋼罩
[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—水壓測壓孔
[0038]9 一硅膠墊 10—注水管
[0039]11 一預制裂縫
【具體實施方式】
[0040]以下結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。
[0041]如圖1所示，為本發明提供的同步加載的混凝土構件水力劈裂模擬實驗設計方法實施時的示意圖，包括出氣管(I)、網狀鋼罩(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壁，通過MlO螺栓孔(6)緊箍;兩對1/2鋼筒(4)之間通過橡膠圈(3)連接;每對1/2鋼筒(4)通過鋼壁邊沿上的M8螺栓孔(5)連接;橡膠圈(3)外側包裹一網狀鋼罩(2);通過注水管(10)向所述裝置內注水，由出氣管(I)排出所述裝置內的空氣;實驗過程中透過橡膠圈(3)記錄整個水力劈裂過程，通過水壓測壓孔(8)測得預制裂縫(11)的縫間水壓力。
[0042]具體地，所述混凝土試件(7)為全級配混凝土試件，尺寸為450 X450 X 1700mm;預留的水壓測壓孔(8)線性陣列分布于裂縫下側，直徑2mm;預制裂縫(11)寬2mm
于試件中心線處;試件兩側對稱切割出60 X 50mm方形凹槽，凹槽的內側面距離試件中心線500mm，如圖2所示。還需要制備一些與混凝土試件(7)同一工況，同一配比的常規混凝土力學性能測試試件。
[0043]具體地，安裝所述裝置并實現自封式壓緊密封: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1/2鋼筒(4)通過側壁邊沿上的M8螺栓孔(5)連接，通過MlO螺栓孔(6)緊箍，實現與混凝土試件(7)方形凹槽的徑向密封;兩對1/2鋼筒(4)之間制有環形凹槽，通過M8螺栓孔(5)連接橡膠圈(3)，如圖4所示;打開出氣管(I)，采用水壓加壓裝置由注水管(10)向所述裝置內注水，直至出氣管有水溢出時，關閉出氣管(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)側壁上的環形凹槽壁，實現橡膠圈(3)與1/2鋼筒(4)的自封式壓緊密封，如圖5所示，每對1/2鋼筒(4)向兩側擠壓硅膠墊(9)，實現與混凝土試件(7)凹槽外側壁的自封式壓緊密封。
[0044]具體地，本發明提供的同步加載的混凝土構件水力劈裂模擬實驗設計方法和裝置，無需額外施加荷載。混凝土試件(7)發生水力劈裂過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)，通過硅膠墊(9)擠壓該試件方形凹槽外側壁而產生的，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壁面積。
[0047]具體地，本發明提供的同步加載的混凝土構件水力劈裂模擬實驗設計方法和裝置，可通過水壓測壓孔(8)測得預制裂縫(11)的縫間水壓力分布;可采用現代光測力學實驗技術，透過橡膠圈(3)，進行非接觸、高精度測量，記錄下發生水力劈裂過程中，預制裂縫
(11)尖端區域的應變場分布及該裂縫擴展的實時路徑;為確保橡膠圈(3)在高水壓作用下的徑向剛度，包裹一網狀鋼罩(2)。
[0048]所述的橡膠圈(3)為透明橡膠圈。
[0049]本發明提供的同步加載的混凝土構件水力劈裂實驗設計方法和裝置，操作便捷，裝置結構設計簡單，高水壓下也能密封安全可靠，可重復利用，制備的混凝土試件符合實驗要求。
【主權項】
1.一種同步加載的混凝土構件水力劈裂模擬實驗設計裝置，其特征在于:包括出氣管(I)、網狀鋼罩(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1/2鋼筒(4)側壁通過邊沿上的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壁，通過MlO螺栓孔(6)緊箍，另一端面通過橡膠圈(3)連接另一對1/2鋼筒(4)的端面;橡膠圈(3)外側包裹一網狀鋼罩(2);通過注水管(10)向所述裝置內注水，由出氣管(I)排出所述裝置內的空氣;實驗過程中透過橡膠圈(3)記錄裂縫附近區域的實時狀況，通過水壓測壓孔(8)裂縫面的水壓分布。2.根據權利要求1所述的一種同步加載的混凝土構件水力劈裂模擬實驗設計裝置，其特征在于:兩對1/2鋼筒(4)之間通過橡膠圈(3)連接，整個裝置具有較好的延展性，在注水加壓過程中，1/2鋼筒(4)端面能夠與所述試件凹槽外側壁之間實現自封式壓緊密封。3.根據權利要求1所述的一種同步加載的混凝土構件水力劈裂模擬實驗設計裝置，其特征在于:在注水加壓過程中，橡膠圈(3)緊壓1/2鋼筒(4)側壁上的環形凹槽，能夠實現自封式壓緊密封。4.根據權利要求1所述的一種同步加載的混凝土構件水力劈裂模擬實驗設計裝置的模擬實驗方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟一:制備一全級配混凝土試件，試件表面中心線處預制一裂縫，兩側對稱構建方形凹槽，在裂縫下側預制一系列水壓測壓孔； 步驟二:安裝密封裝置，將兩側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.根據權利要求4所述的一種同步加載的混凝土構件水力劈裂模擬實驗設計裝置的模擬實驗方法，其特征在于:安裝密封裝置后，向裝置注水，可由水壓力通過裝置同步產生一側向均布荷載作用于試件方形凹槽外側，無需施加額外荷載。
【文檔編號】G01N3/12GK106053240SQ201610341975
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月20日
【發明人】杜成斌, 趙文虎, 孫立國, 章鵬, 戴上秋, 田新冉, 李潤璞
【申請人】河海大學