动载作用下的混凝土水力劈裂试验研究.pdf

2 0 1 6 年第 5 期 中州煤炭 第2 4 5 期 动载作 用下 的混凝土水 力劈裂试 验研究 游茂源 ， 杜 成斌 ， 陈玉泉 ， 孙立 国 ( 河海大学 力学与材料学院 ， 江苏 南京 2 1 1 1 0 0 ) 摘要 ： 针对现有水力劈裂试验 中密封装置采用环 氧树 脂胶存在的 密封强度不够 、 密封装置改变 了混凝土材料 力学参数的缺 点， 研发 了一种 新型的密封装 置。密封装置 由夹板 、 夹子和硅胶 板 3部分 组成 ， 其 中硅 胶板延 展 性较好 ， 可适应较大 的水压 变形 。首 先进 行有无密封装置的对 比试验 ， 论 证 了新型密封装置对混凝土 断裂 参 数的改变较小； 然后进行不 同加 载速 率下的水力劈裂试验 ， 得 到 了裂缝扩展路径上的水压分布规律 。结果 表 明， C MO D相 同时动载作用 下裂缝扩展路径上相 同位置 的水压较静 载时要小。 关键词 ： 水力劈裂 ； 密封装置 ； 加载速 率； 水压力分布 中图分类 号 ： T U 3 7 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 3 0 5 0 6 ( 2 0 1 6 ) 0 50 0 5 4 0 4 Ex p e r i m e n t a l S t u dy o n Hy dr a u l i c Fr a c t u r i ng o f Co nc r e t e Und e r Dy n a m i c Lo a d i ng Yo u Ma o y u a n， Du Ch e n g b i n， Ch e n Yu q ua n， S u n Li g u o ( C o l l e g e o fMe c h a n i c s a n d Ma t e r i a l s ， Ho h a i U n i v e r s i t y ， Na n j i n g 2 1 1 1 0 0， C h i n a ) Abs t r ac t ： I n h yd r a u l i c f r a c t u r i n g e x p e r i me n t s ， t he c o n v e n t i o na l s ea l i ng d e v i c e d o n t ha v e i n s uf f i c i e n t s e a l i ng s t r e n g t h by u s i ng e p o x y， a n d t h e a p pl i c a t i o n o f s e a l i n g d e v i c e h a s i n de e d c ha ng e d t he pa r a me t e r s o f t he s p e c i me n， a ne w s e a l i n g d e v i c e wa s d e v e l o pe d i n t h i s p a - p e r T h e n e w s e a l i n g me a n s c o n s i s t s o f t h r e e p a r t s ， i n c l u d i n g p l y w o o d ， c l i p s a n d s i l i c o n e p l a t e s w h i c h ma l l e a b l e t o a c c o mmo d a t e l a r g e d e f o r ma t i o n Th e t e s t o f t he s pe c i me n s wi t h s e a l i n g d e v i c e o r no t we r e a l l c o n d uc t e d， i t wa s o bs e r v e d， t h ei r p a r a me t e r we r e s u bs t a nt i a l l y t h e s a me The hy d r a u l i c f r a c t u r i n g e x p e r i me n t s u nd e r di f f e r e n t l o a d i n g r a t e s we r e c o n du c t e d， a nd t h e wa t e r p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n o n t h e c r a c k p r o p a g a t i o n p a t h wa s o b t a i n e d I t wa s f o u n d t h a t ， i n t h e c o n d i t i o n s o f s a me c r a c k mo u t h o p e n i n g d i s p l a c e me n t ( C MO D)， t h e w a t e r p r e s s u r e u n de r t he d y n a mi c l o a d wa s s ma l l e r t h a n t h a t u nd e r s t a t i c l o a d o n t he s a me p o s i t i o n o f t h e c r a c k p r o p a g a t i o n pa t h Ke y wo r ds： h y dr a ul i c f r a c t ur i n g； s e a l i n g de v i c e； l o a d i n g r a t e； wa t e r pr e s s ur e d i s t r i b ut i o n 为满 足我 国经 济 发 展 对 电力 的需 求 ， 一 大 批 世 界 水平 的超 高 大坝 已经 或 即将 在 中 国西南 和西北 等 强地震 活 动 区 开 工 建设 。其 中小 湾 拱 坝 高 2 9 2 IT I ， 溪 洛 渡拱 坝高 2 7 8 1 T I ， 锦 屏 一 级 拱 坝 高 3 0 5 m， 坝 高 均超 过世 界上 已建 最高 的前 苏联 的坝高 2 7 1 5 m 的 英 古 里拱 坝 。这些 大坝 的坝 址设 计地震 水 平加 速度 峰值 均 较 高 ， 小 湾 拱 坝 为 0 3 0 8 g， 溪 洛 渡 拱 坝 为 0 3 2 l g ， 锦屏一级拱坝为 0 1 9 7 g 。这些特高混凝 土坝 在静 载作 用下 的应 力 水 平 已很 高 ， 在 坝踵 附近 大都 已接 近或 超过 混 凝 土 的 极 限抗 拉 强 度 ， 在强 烈 地震 作 用 下 ， 极 易 出 现水 力 劈 裂 问题 。 因此 ， 动 载作 用下 的水 力劈 裂研 究具 有很 重要 的现 实 意义 。 收 稿 日期 ： 2 0 1 6 0 4 0 8 基金项 目：国家 自然科 学基金 项 目( 1 1 3 7 2 0 9 8 ， 1 1 1 3 2 0 0 3， 5 1 5 7 9 0 8 4 ， 5 1 3 0 8 1 8 8 ， 5 1 3 0 9 0 8 8 ) 作者简介 ：游茂源( 1 9 8 9 一 ) ， 男 ， 福建 柘荣人 ， 硕 士研究生在读 ， 主要 研究方向是动载作用下的混凝土水力劈裂研究。 5 4 1 9 9 5年 ， B r u h w i l e r和 S a o u m a 。 。 就 已经 给 出 了 静力 作用 下水 力劈 裂试 验缝 内水 压 的分布 规律 。他 们对 静力 荷载 作用 下 不 同水 压 、 不 同尺 寸 试 件 扩展 裂缝 中水 压力 分 布 进行 了试 验 研 究 。结 果 表 明 ， 在 裂 纹 扩 展 区 张 开 位 移C O D 大 于 临 界 张 开 位 移 C O D w o ( 全 水压 处 对 应 的 裂 纹 张 开 位 移 ) 处 水 压 分 布已为全水压 ； 在小于临界值 的裂纹扩展区， 水压分 布呈 非线 性下 降 ， 在扩展 区尖端存 在 干燥 区 ； 而临界 张开 位移 C O D w o与外部 作用 水压 大 小呈线 性 关 系 。 但是 对 于动载 作 用 下 的水 力 劈 裂 缝 内的 水 压 分 布 ， 试验 方 面 的文 献几 乎没 有 。 。 。 水 力劈 裂 试 验 中现 有 的 密 封 装 置 通 常 分 为 3 层 ， 自内而外 分别 为橡 胶板 密封 层 、 薄钢 板密 封层 和 球 角钢 架 密 封 层 。 。 。橡 胶 板 采 用 环 氧 树 脂 胶 粘 贴 在试 件上 ， 橡 胶板 以左 右对 称覆 盖预 制缝 为原 则 ， 将 橡胶 板粘 贴在 试 件 表 面 之 前 ， 在 预 制缝 的外 面覆 一 层塑 料 薄膜 ， 其 目的是 防止 环 氧 树 脂 胶 进 入 预制 zzzPsgiolePfrp zzzPsgiolePfrpzzzPsgiolePfrp 2 0 1 6 年第5 期 中州煤炭 总第 2 4 5 期 胶 板会 产生 较大 形变 ， 一方 面 可适应 较 大水 压变 形 ， 另 一方 面 为防止 硅 胶 板 过 大变 形 漏 水 ， 夹 子 和 夹 板 缝 隙 中可放 置橡 胶条 和木 条 。 2试 验 结 果 和 分 析 2 1密 封装 置 的影 响 为 了了解新 的 密封装 置 改变试 件材 料参 数 的程 度 ， 本 文分 别对 有 密封 装 置 和 没 有 密封 装 置 的试 件 进 行 了静 载 ( 裂 缝 口张 开 速 率 2 m s ) 和 动 载 ( 裂 缝 口张开 速率 2 0 0 m s ) 作 用 下 的 楔 入 劈 拉 试 验 ， 得 到 了 F C D D 曲线 ( 水 平 荷 载 和 裂 缝 口开 口位 移 的关 系 曲线 ) 。通 过 F c 0 D 曲线 确 定 起 裂 荷 载和失 稳 荷载 ， 根据 D L T 5 3 3 2 2 0 0 5 水工 混凝 土 断 裂试验规 程中的起 裂韧 度和失 稳韧 度 的计 算公 式 ， 就 可 以计算 出试 件 的起 裂 韧 度 和 失稳 韧 度 这 两 个 材料 参数 。对 比这 两 个参 数 ， 就 能 够知 道 密 封 装 置对试 件材 料参 数 的影 响 。 以 图 3为例 计算 起裂 韧度 和失 稳 韧度 。 图 3为 没有密 封 装 置 受 静 载 作 用 的试 件 F c D D 曲线 ， 通过该 曲线 的非 线 性转折 点 可得 到试 件起 裂荷 载为 9 9 8 7 k N， 最 大荷 载 ( 失稳 荷 载 ) 为 1 8 3 6 1 k N， 曲线 上升直 线段 斜率 ( 柔 度 ) C ：3 8 1 m k N。有 了这 些 参 数 ， 可计算 试 件 的 起 裂 韧度 和失 稳 韧 度 。各 组 试 件 计算 结果 见表 1 、 表 2 ， 从 中可 以发 现 ： 图 3无密封装置静载作用时试件的 F -C MO D 曲线 表 1 试 件起 裂荷载和失稳荷载计算 ( 1 ) 相 同荷 载 不 同 密 封 条 件 时 ， 试 件 的 起 裂 荷 载 的最 大 误 差 只有 1 1 8 ； 失 稳 荷 载 也 非 常 接 近 ， 最 大误 差 小 于 4 ； 失 稳 时 的 C MO D 值 也 十 分 接 5 6 近 ， 最 大误 差小 于 8 。 表 2 试 件起裂韧度和失稳韧度计算 ( 2 ) 相 同密 封条 件下 动 载 和 静 载作 用 时 的起 裂 荷载 以及 失 稳荷 载 基 本相 同 ， 计 算 弹性 模 量 E也相 近 ， 因此 它们 的 F C D D曲线 基本 相似 。 ( 3 ) 比较 得 到 的起 裂 韧 度 和 失 稳 韧 度 可 以发 现 ， 起 裂韧 度较 为 接近 ， 最 大 误差 为 1 3 ； 失 稳 韧度 非常 接近 ， 最 大误 差小 于 3 。 综 上 得 出初 步结 论 ： 本 文 所 采 用 的密 封 装 置对 试件 的断 裂参 数 的改 变 较小 ( 相 对一 般 混 凝 土 力学 性能试 验 结果 ) ， 可 以忽 略 不计 。 因此 ， 使 用 该 密 封 装置 进行 水力 劈裂 试验 得到 的结 果可 以较 为真 实 地 反 映混凝 土试 件 的力学 性能 。 2 2动载 作用 下 的水压 力分 布 为 了研 究 加 载速 率 对 水 压力 分 布 的影 响 ， 进 行 了裂 缝 口张开 速率 和水 压作 为变 量 的分组 试验 。按 水压 力大 小分 为 2组 ， 水 压 力 分 别 为 0 2 ， 0 4 MP a 。 每组 实验 根据 裂缝 口张 开速 率 分 为 2种 ， 分别 为 2 ， 2 0 0 m s 。每种 情况 做 3个 试 件 ， 共 计 1 2个 。测量 并记 录每 个试 件裂 缝扩 展路 径上 的水 压分 布 。水 压 力测 点共 有 5个 ， 其 到 预 制 缝 尖 端 的距 离 分 别 为 1 0 ， 3 0 ， 5 0， 7 0 ， 9 0 m m。 不 同时 刻 的缝 内水 压 分 布情 况如 图 4所 示 。 L mm ( a )静载作用 ，水压0 2 MP a ( b) 动载作用 ，水压0 2 MPa ( c ) 静载作用，水压0 4M P a ( d ) 动载作用，水压0 4 MP 图 4不 同 时 刻 裂 缝 扩 展 路 径 上 的水 压 分 布 zzzPsgiolePfrp 2 0 1 6年第 5期 游 茂源 ， 等 ： 动载 作 用下 的混 凝土水 力 劈裂试 验 研究 总第 2 4 5期 对 比动 载和 静 载 的水压 力 分 布 曲线 ， 可 以发现 静载 的 曲线相 对 动载 要平 缓 。这是 因为动 载作 用 时 裂 缝 迅速 开裂 ， 水 前锋 滞后 于裂 缝 扩展 尖端 ， 而 静载 作 用 时裂 缝扩 展 较 为 缓慢 ， 水 前 锋 较 动 载 作用 时滞 后 小 。 因此 ， 可 以 得 到结 论 ， 在 C MO D值 相 同 、 裂 缝 扩 展 长度 一样 时 ， 动 载 作用 时 的扩 展 裂 缝 内 的水 压 较 静 载 时要小 。 水 压 为 0 2 MP a时 不 同 加 载 速 率 下 的 F C MO D 曲线如 图 5所示 ， 从 图 5可 以得 到 以下结论 。 图 5不同加载速率 下动 载、 静载作用 下 F - C MO D 曲线 ( 1 ) 静 载作 用下 的荷 载 峰 值 比动 载作 用 时 的峰 值 小 。 ( 2 ) 在 整个荷 载 F C D D 曲线 上 ， 当裂缝 口张 开 位 移相 同时 ， 动 载 作用 时 的荷 载 比静 载 作 用 时 的 荷 载 大 。 前 已述 及 ， 无水 压荷 载 时静 、 动 载作用 下 的荷 载 F C D D 曲线 基本 相 同。 唯一 的解 释 就 是 静 载 相 比动载作用时的缝 内水压力更大 ， 因此所需 的破坏 荷 载就 较小 。 3 结论 ( 1 ) 新 研 制 的 密 封 装 置 不 再 使 用 环 氧 树 脂 胶 ， 操作简单 ， 而且可 以重复使用。通过有无密封装置 试件 的对 比试 验 ， 由 F c 0 D 曲线 计 算 得 到 了 混 凝 土试 件 的起 裂 韧 度 和失 稳 韧度 。结果 表 明 ， 本 文 采用 的密 封 装 置 对 试 件 的 材 料 参 数 产 生 的影 响 很 小 ， 可 以真 实反 映试 件 的力学 性 能 。 ( 2 ) 在无 水 压 作 用 的劈 裂 试 验 中 ， 通 过 比较 相 同密 封 条件 的试 件 的 F C D D 曲线 ， 发 现 动 载 和 静载 作 用下 的 F c 0 D 曲线 基 本相 似 。 ( 3 ) 进行 了裂 缝 张开 速 率 和 水压 作 为 变 量 的 分 组实 验 。发 现动 载 作 用 时 裂缝 迅 速 开 裂 ， 水 前锋 滞 后 于裂缝 扩展 尖 端 ， 而 静 载 作 用 时 裂 缝 扩 展 较 为缓 慢 ， 水前 锋较 动 载作 用时 滞后 小 。 ( 4 ) 对 比相 同 水 压 时 不 同加 载 速 率 下 的 F C MO D 曲线 ， 发现静载作用下 的荷载峰值 比动载作 用时 的峰 值小 ； 在 整个 荷 载 F C D D 曲线 上 ， 当裂 缝 口张 开位移 相 同 时 ， 动 载作 用 时 的荷 载 比静 载 作 用时 的荷 载大 。原 因就 在 于 动 载 作 用 时 ， 在 相 同 的 C MO D 时 ， 裂缝 扩 展 路 径 上 相 同 位 置 的水 压 较 静 载 时要小 ， 而缝 内水压 有利 于 裂缝 进一 步 开裂 扩展 。 参考 文献 ： 1 林 皋 混凝土大坝抗震 安全评 价 的发展趋 向 J 防灾 减灾工 程学报 ， 2 0 0 6 ， 2 6 ( 1 )： 1 1 2 2 周建平 ， 杨泽艳 ， 陈观福 我 国高 坝建设 的现 状和 面 临的挑战 J 水利 学报 ， 2 0 0 6 ， 3 7 ( 1 2 ) ： 1 4 3 3 - 1 4 3 8 3 朱伯芳 重力坝 的劈头裂缝 J 水 力发 电学报 ， 1 9 9 7 ( 7 )： 8 5 9 7 4 邢林生 我国水 电站 大坝事 故分析 与安全对 策 J 水 力水 电 科技进展 ， 2 0 0 1 ， 2 1 ( 2 )： 2 6 3 2 5 邢林 生 ， 聂广明 我国水 电站混凝 土建筑物耐久性分 析 J 水 力发电 ， 2 0 0 3， 2 9 ( 2) ： 2 7 - 3 2 6 B r u h w i l e r E， S a o u ma V Wa t e r f r a c t u r e i n t e r a c t i o n i n c o n c r e t e P a r t I I ： H y d r o s t a t i c p r e s s u r e i n c r a c k s J AC I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 5， 9 2( 3)： 3 8 3 - 3 9 0 7 李宗利 ， 任青文 ， 王亚 红 岩石 与混凝 土水力 劈裂缝 内水 压分 布的计算 J 水利学报 ， 2 0 0 5， 3 6( 6 ) ： 6 5 6 - 6 6 1 8 方修 君 ， 金 峰 裂 隙水 流与 混凝 土开 裂相 互作 用的耦 合模 型 J 水利 学报， 2 0 0 7 ， 3 8 ( 1 2 ) ： 1 4 6 6 1 4 7 4 9 B o l z o n G， C o c c h e t t i G D i r e c t a s s e s s me n t o f s t r u c t u r a l r e s i s t a n c e a g a i n s t p r e s s u r i z e d f r a c t u r e J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l f o r N u me r i c a l a n d A n a l y t i c a l Me t h o d s i n G e o me c h a n i c s ， 2 0 0 3 ( 2 7) ： 3 5 3 3 7 8 1 OS e g u r a J M， C a r o l I N u m e ri c a l mo d e l i n g o f p r e s s u ri z e d f r a c t u r e e v o l u t i o n i n c o n c r e t e u s i n g z e r o ， t h i c k n e s s i n t e r f a c e e l e m e n t s J En g i n e e r i n g F r a c t u r e Me c h a n i c s ， 2 01 0， 7 7： 1 3 8 6- 1 3 9 9 1 1 T i n a w i ， R ， a n d G u i z a n i ， L F o r m u l a t i o n o f h y d r o d y n a m i c p r e s s u r e s i n c r a c k s d u e t o e a r t h q u a k e s i n c o n c r e t e d a ms J E a r t h q u a k e E n g r g a n d S t r u c t D y n ， 1 9 9 4， 2 3 ( 7) ： 6 9 9 - 7 1 6 1 2 O h l s s o n U， N y s t r o m M， O l o f s s o n T ， e t a 1 I n fl u e n c e o f h y d r a u l i c p r e s s u r e i n f r a c t u r e me c h a n i c s mo d e l i n g o f c r a c k p r o p a g a t i o n i n c o n c r e t e J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 8 ( 3 1 ) ： 2 0 3 - 2 0 8 1 3 J a v a n m a r d i F ， L S g e r P， T i n a w i R S e i s mi c Wa t e r P r e s s u r e i n C r a c k e d Co n c r e t e Gr a v i t y Da ms ： Ex p e rime n t a l S t u d y a n d Th e o r e t i c a l M o d e l i n g J J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 5 ， 1 3 9 (1 )： 1 3 9- 1 5 0 1 4徐世娘 ， 王建敏 水压作用下大坝混凝土裂缝扩展与双 K断 裂 参 数 J 土木工程学报 ， 2 0 0 9， 4 2 ( 2 ) ： 1 1 9 1 2 5 1 5 中华 人 民共和 国 国家发展 和改 革 委员 会 D L T 5 3 3 2 -2 0 0 5 5 水 工混凝 土断裂试验规程 S 北京 ： 中 国电力出版社 ， 2 0 0 6 ( 责任编辑 ： 李留洋) 5 7 zzzPsgiolePfrp