碾压混凝土诱导缝断裂性能试验分析.pdf

2 0 1 1年 第 3期 (总 第 2 5 7期) N u mb e r 3 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 5 7 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE ORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 3 0 1 8 碾压混凝土诱导缝断裂性能试验分析 徐宗超 ，王学志，毕重，李洋 ( 辽宁工业大学 土木建筑学 院，辽宁 锦州1 2 1 0 0 1 ) 摘要 ： 针对多种 因素可能对诱导缝开裂产生的影响 ， 进行了碾压混凝土单向间隔诱导缝和双向间隔诱导缝轴拉试验 。 通 过对试验结果 进行分析 ， 得到了诱导缝等效强度与诱导片数量及削弱度的关系 。 通过荷载位移和荷载应变 曲线对碾压混凝土诱导缝断裂扩展规律进行了分 析， 得到了诱 导缝 由起裂向稳定扩展临界荷载在最大荷载的 5 0 6 0 之间等结论。 关键词 ： 诱 导缝 ；等效强度 ；轴拉试验 ；削弱度 ；断裂特性 中图分类号： T U5 2 8 1 0 1 文献标志码 ： A 文章编 号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 5 5 0 4 Ex pe r i me n t a l a na l y s i s f or f r a c t ur e c ha r acte r o f e qui v a l e n t s t r e ng t h fo r RCC c r a c k di r ector s XU Zo 一 c h a o， WANG Xu e - z h i ， BI Zh o n g， LI Ya n g ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， L i a o n i n g Un i v e r s i ty o f T e c h n o l o g y ， J i n z h o u 1 2 1 0 0 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Ac c o r d i n g t o s o me f a c t o r s e ffe c t o n fr a c t u r e o fc r a c k d i r e c t o r s ， t h e a x i a l t e n s i o n t e s t s f o r u n i d i r e c t i o n a l i n t e r v a l c r a c k d i r e c t o r s a n d b i l a t e r a l i n t e rv a l c r a c k d i r e c t o rs s p e c i me n s we r e c a r r i e d o u t T h e r e l a t i o n s h i p b e tw e e n e q u i v a l e n t s t r e n g t h f o r c r a c k d i r e c t o r a n d t h e n u mb e r o f c r a c k d i r e c t o r a n d we a k e n l e v e l wa s g o tt e n b y a n a l y z i n g the t e s t r e s u l t s t h e f r a c t u r e e x p a nd l a w fo r RCC c r a c k di r e c t o r wa s a n a l y z e d t h r o u g h t h e l o a d d i s p l a c e me n t a n d l o a d s tr a i n c u r v e s ， a n d i t i s i n d i c a t e d tha t c rit i c a l l o a d b e tw e e n i n i t i a l fra c t u r e a n d s t e a d y fra c tur e fo r c r a c k d i r e c t o r i s th e 5 0 - 6 0 o f t h e ma x l o a d K eywor ds ： c r a c kd i r e c t o r ； e q u i v a l e n t s t r e n gth； a x i a l t e n s i o nt e s t ； we a k e nd e g r e e ； fra c tur ep r o pe r t i e s 0 引言 为了控制温度应力产生的坝体裂缝， 国内外已建成的碾压混 凝土拱坝中普遍设置了诱导缝【 ， 实际拱坝中诱导缝的构造、 布置、 成缝方式及诱导片的尺寸等都会变化。 而这些因素对诱导缝的扩 展过程及开裂判断非常重要。 目前， 关于诱导缝试验方面的研究主 要集中于整体结构模型试验7- 1 、 诱导缝开裂计算条件 等。 根据 实际工程中常设置的单向间隔诱导缝( 穿透型诱导缝) 和双向间隔 诱导缝 ( 非穿透型诱导缝 ) 旧， 本研究基于碾压混凝土穿透型和非 穿透型诱导缝轴拉试验， 对诱导片形式、 削弱度对等效强度的影响 及试件表面应变的变化规律， 裂缝随荷载的扩展规律等进行了研究。 1 碾压混凝土诱导缝等效强度试验概述 1 1 试验 材料及 配合 比 试 验用 水为生活用 自来水 ， 水泥 为 P 0 3 2 5级水 泥 ， 粉煤 灰选用 I I 级粉煤灰 ， 砂子为天然中砂， 筛出粒径大于 5 m m的 颗粒 ， 细度模数大于 2 6 ， 含泥量不大于 2 。 粗骨料采用最大粒 径为2 0 mm的一级配碎石。 外加剂为 D K 5混凝土高效减水剂， 试验中选用的碾压混凝土配合比见表 1 。 碾压混凝土试件为实 验室制作， 采用附着式振动器碾压成型。 1 2 轴拉 试验 照片 试验采用辽宁工业大学土建学院2 0 0 t 拉力试验机， 试验中 加载装置、 试验曲线及试件破坏形式等照片如图 1 4所示。 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 0 - 0 6 基金项 目：国家 自然科学基金( 5 0 7 0 9 0 1 3 ) 表 1 试验 中碾压混凝 土配合 比 图 1 加载装置 图 2 试 验曲线 55 图 3 试件破坏形式 图 4 大部分试件照片 2 试验结果及 分析 2 1 碾压混凝土诱导缝等效强度试验值 通过对尺寸为 9 0 0 mmx 5 O O mmx 1 5 0 ra m( 长X 宽 高) 分别埋 置穿透型裂纹 ( 1 、 3 、 5片 ) 和非 穿透 型裂纹 ( 1 、 3 、 5片 ) 的多种试 件 ( 总计 2 4 件 ) 进行轴拉试 验 ， 得到诱导缝 的等效强度值 。 试 件 的等效强度按式( 1 ) 计算 ： D = ( 1 ) 式 中： 最大荷载； t 、 试件的宽度 、 高度 。 2 2 轴拉 试验 结果 分析 从表 2 可 以发现 ， 非穿透型五片诱导缝试件与 穿透 型试件 表 2 碾压混凝土诱导缝等效强度试验值 5 6 在削弱度相同条件下 ， 非穿透诱导缝等效强度值比穿透型小的 多， 将其运用在实际情况之中， 即当坝体应力达到较小时， 诱导 缝所在的薄弱面就能首先拉开 ， 由此可以初步得出双向间隔诱 导缝 比单项 间隔诱导缝削弱作用要强的结论 。 双 向间隔诱 导缝 随削弱度 的变化 ： 即双向间隔诱导缝等效 强度随削弱度的增大而减小。 适当增大截面削弱度可使诱导缝 等效强度降得更快 。 关于等效强度和削弱度 的关系， 在 图 5的关 系曲线 中可以更好的体现 。 日 羔 、 鹱 辩 削弱度 图 5非穿透试件诱导缝等效强度与削弱度关 系曲线 2 2 1 诱导缝等效强度与削弱度的关 系 通过对 削弱度和等效强度 曲线进行线性 回归 ， 发现非穿透 型诱导缝等效强度 与削弱度有较好的线性关系 ， 说 明随着削弱 度的增 大非穿透型诱导缝等效强度在减小 。 2 2 2 轴拉试验中的荷载一位移曲线分析 由于试件数量较多， 下面仅给出部分具有代表意义的试验 曲线 ， 见图 6 8 。 ： ： z 4O 30 。 位移 mm 图 6 碾压穿透 1片荷载位移试验曲线 位移 mm 图 7 碾压非穿透 1片荷载位移试 验曲线 位 移 mr n 图 8 碾压非穿透 3片荷载位移试验 曲线 试验中， 在轴拉试件的诱导缝尖端夹持了一个夹式引伸仪， 测量标距 为 1 0 4 r r l l T l ， 通过 动态采集系统 ， 记录了夹式 引伸仪两 侧之 间的位移与相应荷载值 。 对所有轴拉试件轴拉试验所得的荷载位移曲线分析可知， 其变形开裂全过程是一个非线性过程。 分析其原因： 随着荷载的 增加， 诱导缝前缘存在的大量微裂纹过程区逐渐发展， 当积累 到一定程度后， 发展成为真实的裂纹， 缝端前移 ， 也就增大了诱 导缝 的削弱面积 ， 从而导致 了拉应力随之增 加 ， 进一 步促进 了 裂缝 的形成和扩展 ， 继而诱导缝继续削弱。 当诱导缝应力强度 因 子达到材料的断裂 韧度 时 ， 诱导缝 开始失稳扩展 ， 表现 为混凝 土表层拉伸应变值有突然增加。 当诱导缝进入裂缝扩展阶段 ， 随后很短时间 内， 荷载达到最大破坏荷载 ， 试件拉断破坏 ， 夹 式 引伸仪随之弹开。 2 2 3 轴拉试验中的裂缝尖端荷载应变曲线分析 为了能够充分说明应变随离缝尖距离的变化， 分别列出穿 透 i 片和非穿透 I 片两种试件的荷载应变试验曲线。 混凝土应 变片采用栅长 栅 宽为 1 0 0 ram 4 mm 的电阻应变计 ， 通过应变 采集系统监测混凝 土的应变发展情况 ， 见图 9 1 0 。 图 9穿透型 1片试件正面应变片布置 图 1 0 非 穿透型 1片试件正面应变片布置 穿 透型 I 片和非穿透型 l片的贴片方式 为从 缝尖位 置开 始 每隔 1 0 mm布置一个应变片。 如图 1 1 、 1 2 所示 曲线 由下至上 依 次为缝尖至距缝尖 5 0 mm 出的 6 个应变片变化曲线 。 从中我 们可以看出诱导片周围应变随荷载的变化情况， 即荷载一定， 离 诱导片距离越远， 其应变值越小。 90 0 80 0 7 00 60 0 50O 400 3 00 200 1 0O 0 荷载 k N 图 1 1 穿透 1片荷载应变试验曲线 荷载 k N 图 1 2 非穿透 1片荷载应变试验曲线 2 2 4 轴拉试件侧面荷载应变曲线分析 对穿透型和非穿透型试件侧面应变随荷载的变化进行比 较 ， 如图 l 5 、 1 6 ， 发现 穿透 型试 件应变从上而下依次减 小 ， 非穿 透 型试件三个应变 从上而下依次 增大 ， 从 而可以分析 出 ， 穿透 型试件侧面的断裂是自上而下的， 而非穿透试件侧面的断裂则 是 由里 向外的。 图 1 3 穿透型试 件侧面应变片布置 i 、 制 图 1 4非穿透型试件侧面应 变片布置 荷载 k N 图 1 5 穿透型试 件侧面荷载应变曲线 荷 载 k N 图 1 6 非穿透型试 件侧面荷载应变 曲线 从荷载位移 曲线 中可 以看 出 ， 在 达到最大荷载 时 ， 穿透 型 试件的变形值要比非穿透型的变形值要大。 这是因为穿透型试 件的夹式引伸仪在裂缝的尖端， 而非穿透试件在混凝土的表层， 离裂缝尖端有一定的厚度。 对照 裂缝尖 端荷载 位移 曲线 和荷 载应变 曲线 可以得 出 ： 穿透型试件的裂缝断裂是从中间向两侧， 自上而下的扩展过程； 非穿透型试件的裂缝断裂由里向外的扩展过程。 当然， 从上述分 析也表明了碾压混凝土的断裂过程确实经历裂纹的起裂、 发展 ， 直至最后 的破坏过程。 经过对试件两侧同一位置应变的的变化进行分析( 图 1 7 ) ， 发现两侧的荷载应变曲线基本上符合上图的规律， 从图中可以 看出两条曲线的发展变化比较接近， 从而为判断试件在加载过 程中是否为轴拉提供了依据。 2 2 5 混凝土的断裂特性分析 从整个轴拉试验中的荷载应变曲线发展规律可以看出， 应变 经历了均匀发展到不均匀发展 ， 即线性到非线性的变化过程。 57 知 如 加 m 0 1 6 1 4 1 2 1 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 2 0 荷 载 k N 图 1 7 穿透型 5片试件两侧 同一位置荷载应变 曲线 利用线性回归分别对穿透 1 、 3 、 5片试件裂缝尖端荷载应变曲 线进行了单独分析： 对穿透 5片试件分别在最大荷载的 5 0 、 6 0 、 7 0 处的荷 载应变曲线进行了线 生回归， 从中可以看 在最大荷载 5 0 、 6 0 处 ， 线性 相关性较好 ， 达到 7 0 后 ， 相关性明显下降 。 将 图 1 8与 图2 l 进行对照， 可看出随着荷载增加相关性将继续减小。 又通 过对穿透 1 、 3片进行分 析发现穿透 1 片 巾在最 大荷载的 6 0 处线性相关性最强， 随后开始下降； 穿透 3片中在最大荷载的 5 0 处线性相关性最强 ， 随后开始下降。 40 z 3 0 螺 2 0 蜒 1 0 0 应变 ， 图 1 8 穿透 5片裂缝尖端荷载应变曲线 l 0 0 1 0 20 应变 ， 图 1 9 荷载达到 5 0 时荷载应变线性 回归 曲线 应变 u 图 2 0 荷载达到 6 0 时荷载应变线性回归曲线 应 受 us 图 2 1 荷载达到 7 0 时荷载应变线性回归 曲线 在应变的均匀发展过程中，包含了诱导缝的起裂阶段， 在 应变的不均匀发展过程中包含了诱导缝 的稳定扩展过程。 经过 对穿透 1 、 3 、 5片试件分别在最大荷载的 5 0 、 6 0 、 7 0 处的荷 S R 载应变曲线 进行 了线性 回归分析 ， 基本确定 了诱 导缝 的起 裂阶 段出现在最大荷载 的 5 0 0 0 - 6 0 之间 ， 诱导缝的稳定扩展阶段 出 现在最大荷载的 5 0 6 0 之后， 可以得出当荷载达到最大荷载 的 5 0 o ,- 6 0 1t ， 是诱导缝由起裂向稳定扩展的一个过渡阶段 。 3 总结 本文基于碾压混凝土穿透型和非穿透型诱导缝等效强度 试验， 对诱导片形式 、 削弱度等对等效强度的影响及应变的变 化规律 等进行 了研究 ， 得到如下结论 ： ( 1 ) 碾压混凝土诱 导缝结 构中非穿透 型诱导缝设计要好 于 穿透型诱导缝。 ( 2 ) 非穿透试件 中诱导缝等效强度随削弱度 的增大而减小。 ( 3 ) 随着应变片距离诱导片越远， 其对应的应变值也越小。 ( 4 ) 诱导缝 由起裂向稳定扩展临界位置是在最大荷载的 5 0 6 0 之 间。 参考文献 ： 1 H OL I I N G WOR T H F， H OO P E R D J ， G E R I N G E R J J R o l l e r c o mp a c t e d a r c h e d d a m s J I n t e r n a t i o n a l Wa t e r P o w e r a n d D a m C o n s t r u c t i o n ， 1 9 8 9 ， 1 4 ( 1 1 ： 2 9 3 4 【 2 杨洪才， 陈宗卿 普定水电站碾压混凝土拱坝工程技术总结 贵州 水力发电 ， 1 9 9 6 ( 2 ) ： 8 - 1 2 【 3 】陈宗卿 普定碾压混凝土拱坝布置和结构设计【 J J 冰力发电， 1 9 9 5 ( 1 0 ) ： 5 一l 4 4 严尚源普定全断面碾压混凝土拱坝中细部结构的施工 J 1 水利水电 技术 ， 1 9 9 5 ( 1 O ) ： 4 1 4 4 5 】陈秋华 碾压混凝土拱坝成缝新技术 J J 水力发电， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 2 3 3 6 【 6 陈秋华， 丁予通 沙牌碾压混凝土拱坝结构分缝设计研究 J 1 水电站 设计 ， 2 0 0 2 ， 1 3 ( 1 ) ： 2 1 2 5 7 】陈媛， 张林， 何江达， 等 碾压混凝土断裂特性与诱导缝开裂条件研 究I J 四川大学学报， 2 0 0 5 ， 3 7 ( 3 ) ： 1 5 1 9 【 8 陈媛， 张林， 周坤， 等高碾压混凝土拱坝分缝形式及破坏机理研究田 水利 学报 ， 2 0 0 5 ， 3 6 ( 5 ) ： 5 1 9 5 2 4 9 】 李桂林， 张林， 何江达 ， 等 物理模型与数学模型对比分析沙牌拱坝 的结构特性【 J J 水力发电， 2 0 0 5 ， 3 1 ( 2 ) ： 3 1 3 4 1 0 1 支 0 小强， 张林， 陈建叶 ， 等 高碾压混凝土拱坝不同分缝形式结构特 性的试验研究【 J J 水电站设计， 2 0 0 3 ， 1 9 ( 4 ) ： 3 2 3 5 1 l 】 张林， 陈建康， 陈林 沙牌拱坝结构开裂及破坏机理研究 J 1 _ 水电站设 计 ， 2 0 0 3 ， 1 9 ( 4 ) ： 1 6 1 9 I 1 2 】 陈建叶， 胡成秋， 张林 碾压混凝土拱坝破坏试验中诱导缝相识模拟 研究 J 1 四川大学学报， 2 0 0 3 ， 3 5 ( 6 ) ： 3 9 4 1 【 1 3 J 曾昭扬， 马黝 高碾压混凝土拱坝构造缝研究 J 1 水利发电， 1 9 9 8 ( 2 ) ： 3 0 - 3 4 作者 简介 联系地址 联系电话 徐宗超( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 硕士研究生， 主要从事混凝土断裂 力学研究。 锦州市古塔区辽宁工业大学青工楼4 1 4 ( 1 2 1 0 0 1 ) 1 51 7 4 0 6 9 0 2 2