杜成斌 楊 羿 陳玉泉 余 磊

(河海大學(xué) 工程力學(xué)系， 南京 211100)

我國(guó)建成許多高混凝土壩，且不少已達(dá)300 m級(jí)．這些高混凝土壩常年在高水壓情況下運(yùn)行，混凝土微裂縫極易擴(kuò)展甚至降低混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力[1]．同時(shí)，這些高壩壩址通常位于環(huán)境惡劣、地質(zhì)條件復(fù)雜、地震烈度高的地區(qū)，例如小灣拱壩設(shè)計(jì)地震水平加速度峰值為0.308g，溪洛渡拱壩為0.321g，錦屏一級(jí)拱壩為0.197g[2]．因此，高水壓和動(dòng)載共同作用下混凝土水力劈裂的研究具有重要意義．

目前，水力劈裂試驗(yàn)因?yàn)榇嬖谒畨好芊饫щy、內(nèi)部水壓力以及裂尖擴(kuò)展位置難以測(cè)量的難點(diǎn)，進(jìn)行的有效研究較少．Brühwiler等[3-4]進(jìn)行了混凝土室內(nèi)水力劈裂試驗(yàn)，研究了裂縫中靜水壓力對(duì)混凝土宏觀斷裂能和宏觀斷裂韌度的影響、根據(jù)實(shí)驗(yàn)給出水力劈裂過程中裂縫內(nèi)水壓力分布規(guī)律：當(dāng)裂縫口張開寬度(crack mouth opening displacement ，CMOD)小于臨界值(全水頭對(duì)應(yīng)的裂縫口張開寬度)時(shí)，裂縫內(nèi)水壓隨CMOD非線性增加，當(dāng)CMOD達(dá)到臨界值時(shí)，水壓力分布為全水頭．徐世烺等[5-6]在靜水壓力環(huán)境下進(jìn)行了楔入式緊湊拉伸斷裂試驗(yàn)，通過無(wú)水壓情況與有水壓情況下的試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，分別求得兩種情況下的雙K斷裂韌度值，推導(dǎo)出了有水壓環(huán)境下的雙K斷裂參數(shù)的求解公式．杜成斌等[7]針對(duì)現(xiàn)有水力劈裂試驗(yàn)中密封裝置采用環(huán)氧樹脂膠存在的密封強(qiáng)度不夠、外加密封裝置增加混凝土試件約束的缺點(diǎn)，研發(fā)了一種新型的密封裝置．進(jìn)行了有無(wú)密封裝置的對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了此密封裝置對(duì)試件材料參數(shù)影響較小，并得到了不同加載速率下縫內(nèi)水壓的分布模型．甘磊[8-9]針對(duì)以往水力劈裂試驗(yàn)采用混凝土楔形劈裂試件無(wú)法密封高水壓作用和圓柱形混凝土試件無(wú)法測(cè)量試驗(yàn)過程中的裂縫開度、水壓、水溫等重要數(shù)據(jù)的缺陷，研制了一套混凝土結(jié)構(gòu)水力劈裂試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了應(yīng)力狀態(tài)、荷載施加方式對(duì)試件裂縫擴(kuò)展過程的影響，分析了裂縫擴(kuò)展路徑上縫內(nèi)水壓演化規(guī)律，擬合得到了混凝土試件臨界劈裂水壓預(yù)測(cè)模型的定量關(guān)系式．袁俊平[10]分別在加載速率為5和25 kPa/min時(shí)，對(duì)不同初始裂縫深度的試樣進(jìn)行了水力劈裂試驗(yàn)，結(jié)果表面：初始裂縫深度越大、加載速率越高，越容易發(fā)生水力劈裂．佘嬌[11]對(duì)厚壁空心圓柱體試件進(jìn)行了水力劈裂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試件在內(nèi)外水壓差作用下，發(fā)生徑向變形后才會(huì)發(fā)生水力劈裂，并針對(duì)土石壩裂縫可能發(fā)生的水力劈裂問題，通過實(shí)驗(yàn)得到對(duì)堵縫有較好效果的合適比重膨潤(rùn)土．Patel[12]指出水力劈裂過程中裂縫張開，液體流動(dòng)將引起水壓力下降，并提出一種計(jì)算縫內(nèi)水壓擴(kuò)散的方法．

本文從混凝土單裂縫水力劈裂問題出發(fā)，針對(duì)文獻(xiàn)[7]研制的密封加載裝置，為避免水壓力較大時(shí)硅膠板變形過大，用硅膠套替代原來(lái)的硅膠板，并用夾子固定在混凝土試件上．同時(shí)為了追蹤水力劈裂過程中裂縫尖端開裂位置變化，在混凝土預(yù)留縫端部布置了一排防水應(yīng)變片．進(jìn)行不同外水壓力作用下的混凝土試件快速劈拉試驗(yàn)，同步實(shí)時(shí)觀測(cè)裂縫開裂位置及縫內(nèi)水壓，研究在不同外水壓力下，混凝土裂尖擴(kuò)展過程及內(nèi)部水壓力分布的變化情況．

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制備

試驗(yàn)混凝土試件一次性澆筑完成，共6個(gè)試件，試件分為3組，分別進(jìn)行0、0.2、0.4 MPa下的快速劈拉試驗(yàn)．試件采用的水泥為32.5普通硅酸鹽水泥，粗骨料最大粒徑為25 mm，細(xì)骨料最大粒徑為12.5 mm，材料配合比見表1．

表1 混凝土試件配合比 (單位：kg/m3)

結(jié)合《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[13]和Brühwiler[3]的試驗(yàn)澆筑用于楔入劈裂抗拉試驗(yàn)的預(yù)制縫試件，試件尺寸為200 mm×200 mm×200 mm．頂部設(shè)置預(yù)制縫，尺寸為2 mm×80 mm×200 mm．為了測(cè)量裂縫擴(kuò)展路徑上的水壓力分布，試件內(nèi)部預(yù)留5個(gè)直徑為1.5 mm的貫穿孔，兩端預(yù)埋直徑為6 mm的螺母，預(yù)埋深度為30 mm．試件澆筑設(shè)計(jì)尺寸如圖1所示．成型后試件如圖2所示．

圖1 試件尺寸圖/mm

圖2 成型后試件

1.2 加載裝置

水壓加載設(shè)備采用2.5 MPa量程的電動(dòng)試壓泵DSY-25進(jìn)行水壓加載，荷載加載設(shè)備使用河海大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的電液伺服動(dòng)靜試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，加載方式為按位移加載，加載速度為200 μm/s．試驗(yàn)采用楔入劈拉試驗(yàn)加載裝置，楔形傳力裝置如圖3所示．圖4為試件受力示意圖．試件在水力劈裂試驗(yàn)過程中主要承受自重荷載G、劈拉力F(分解為Fv和Fh)、支座反力R以及縫面水壓力σw0．

圖3 楔形傳力裝置 圖4 試件受力示意圖

1.3 密封裝置

文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種新型密封裝置，解決了其它密封裝置使用環(huán)氧樹脂膠存在的問題．但是，由于硅膠板延展性好，在水壓力較大時(shí)，硅膠板會(huì)產(chǎn)生較大形變，使夾具發(fā)生位移，影響密封效果，另外密封裝置安裝時(shí)也略顯復(fù)雜．本文密封裝置在文獻(xiàn)[7]的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，將硅膠板改為硅膠套，去掉夾板，再安裝固定鐵圈阻止硅膠鼓起．安裝時(shí)先將一個(gè)硅膠套套入試件，覆蓋預(yù)制縫以及裂縫可能擴(kuò)展的區(qū)域，再用特制的夾子(圖5(a))將硅膠套夾緊在試件上，保證試件與硅膠套之間無(wú)出水縫隙，形成水壓密封區(qū)，然后在硅膠套之外安裝一個(gè)比試件稍大的固定鐵圈(圖5(b))，用于阻止硅膠套產(chǎn)生過大變形．圖5(c)為原密封裝置，如圖5(d)為試驗(yàn)所采用的密封裝置．

圖5 新改進(jìn)的密封裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

為了研究不同水壓對(duì)動(dòng)載下混凝土斷裂性能的影響，分別進(jìn)行了不同水壓力(0，0.2，0.4 MPa)條件下，加載速度200 μm/s情況下的3組楔入劈拉試驗(yàn)．其中每組試驗(yàn)采用兩個(gè)試件，共6個(gè)試件，每組取其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為完整的進(jìn)行分析．試驗(yàn)過程中，通過TJH-3型荷載傳感器和YHD-50型位移計(jì)來(lái)記錄施加外加荷載及裂縫口張開位移，從而得出試驗(yàn)過程中的荷載變化曲線及裂縫口張開位移CMOD曲線．

試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，先用電動(dòng)試壓泵施加水壓，待水壓穩(wěn)定后，使用電液伺服動(dòng)靜試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行位移控制加載，隨著荷載的增大，裂縫口張開位移增大，試件預(yù)制縫開始擴(kuò)展，混凝土試件發(fā)生劈裂破壞，裂縫口張開位移突然快速上升，荷載驟降．

2.1 裂縫擴(kuò)展模式

圖6 預(yù)留裂縫端部應(yīng)變片位置示意圖

圖7 應(yīng)變時(shí)間曲線

圖8 裂尖擴(kuò)展曲線

圖7表示水力劈裂試驗(yàn)中，應(yīng)變片值一開始均很小，起裂后的應(yīng)變均突變到很大值，應(yīng)變片曲線均很陡，從線彈性應(yīng)變到開裂應(yīng)變的時(shí)間非常短，明顯表現(xiàn)出脆性破壞；臨近破壞時(shí)，靠近試件底端的3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)應(yīng)變片位置幾乎同時(shí)開裂，說(shuō)明裂縫擴(kuò)展速度一開始比較穩(wěn)定，在臨近破壞時(shí)突然明顯增大；外水壓增大時(shí)，裂尖穩(wěn)定擴(kuò)展速度明顯增大．外水壓為0.2 MPa時(shí)，裂尖穩(wěn)定擴(kuò)展速度為0.5 m/s(圖8(a)中最下邊的斜線部分)；外水壓為0.4 MPa時(shí)，裂尖穩(wěn)定擴(kuò)展速度為2.0 m/s(圖8(b)中最下邊的斜線部分)．

2.2 外水壓力對(duì)試件破壞荷載影響

快速加載條件下，無(wú)水壓作用以及0.2 MPa和0.4 MPa水壓作用下荷載張開位移(CMOD)變化曲線如圖9所示．試件失穩(wěn)時(shí)裂縫口張開位移約為0.1 mm．隨著外加水壓力的增大，混凝土試件的失穩(wěn)荷載隨之降低．在0.4 MPa水壓條件下，試件的失穩(wěn)荷載只有無(wú)水壓條件下的一半．因此在水力劈裂試驗(yàn)中，水壓力對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響不可忽略．

圖9 不同水壓F-CMOD曲線

2.3 縫面水壓力分布

在試件澆筑時(shí)，設(shè)置了一個(gè)預(yù)留孔(圖1中靠最上部的傳感器)用于測(cè)量預(yù)制縫內(nèi)水壓力，使用擴(kuò)散硅傳感器通過試件中預(yù)留的測(cè)水壓孔得到縫面水壓力隨時(shí)間變化曲線，圖10(a)、(b)分別為水壓0.2 MPa和0.4 MPa時(shí)裂縫擴(kuò)展路徑上縫面水壓力隨時(shí)間的變化曲線．施加外水壓越高，裂縫擴(kuò)展路徑上水壓力越大，水壓0.2 MPa下縫面最大水壓力為62 kPa，水壓0.4 MPa最大縫面水壓力為75 kPa，均在失穩(wěn)時(shí)刻前一點(diǎn)．外水壓0.4 MPa縫面水壓變化更快，說(shuō)明高水壓情況下裂縫張開速度更快．根據(jù)文獻(xiàn)[7]假定裂縫內(nèi)水壓呈拋物線分布，對(duì)裂縫內(nèi)水壓分布進(jìn)行了擬合，給出不同時(shí)刻裂縫內(nèi)水壓力分布曲線并與裂縫尖端位置對(duì)比，如圖11(a)、(b)所示．

圖10 水壓力時(shí)間曲線

圖11 縫內(nèi)水壓與裂縫擴(kuò)展對(duì)比圖

從圖中可以看出：1)由于裂縫擴(kuò)展速度較快，當(dāng)試件起裂后，預(yù)制縫內(nèi)的水迅速涌入到擴(kuò)展裂縫中，預(yù)制縫內(nèi)的水來(lái)不及補(bǔ)充，造成縫內(nèi)水壓迅速下降，縫內(nèi)最大水壓只有外加水壓的25%．2)與前述一致，裂縫的擴(kuò)展速度隨時(shí)間而明顯增快，縫內(nèi)水壓也因裂縫張開變快而降低．試件發(fā)生失穩(wěn)貫穿時(shí)1號(hào)傳感器水壓只有起裂時(shí)水壓的60%左右．3)從圖11還可以看出：水前鋒滯后于裂縫尖端，且試件失穩(wěn)時(shí)滯后距離比起裂時(shí)滯后的要多，起裂時(shí)水前鋒滯后約10 mm，失穩(wěn)時(shí)最多滯后40 mm．

3 結(jié) 論

1)分別進(jìn)行了不同外水壓條件(0、0.2和0.4 MPa)下的水力劈裂試驗(yàn)，比較各組試驗(yàn)的F-CMOD曲線發(fā)現(xiàn)：試件極限破壞荷載隨外水壓的增大而明顯減?。?/p>

2)通過防水應(yīng)變片對(duì)試驗(yàn)過程中混凝土開裂路徑上應(yīng)變的量測(cè)表明：水力劈裂試驗(yàn)混凝土開裂過程可分為彈性，起裂，失穩(wěn)貫穿3個(gè)階段．外水壓增大時(shí)，裂尖穩(wěn)定擴(kuò)展速度明顯增大．外水壓為0.2 MPa時(shí)，裂尖穩(wěn)定擴(kuò)展速度為0.5 m/s；外水壓為0.4 MPa時(shí)，裂尖穩(wěn)定擴(kuò)展速度為2.0 m/s．

3)裂縫擴(kuò)展路徑和水壓分布實(shí)測(cè)表明：當(dāng)裂縫擴(kuò)展時(shí)，由于水涌入了新的通道，裂縫內(nèi)水得不到補(bǔ)充，最靠近外水壓的傳感器的最大水壓值均有所降低．水前鋒明顯滯后于裂縫尖端，且試件失穩(wěn)時(shí)滯后距離比起裂時(shí)滯后的要多，起裂時(shí)水前鋒滯后約10 mm，失穩(wěn)時(shí)最多滯后40 mm．

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