水压力与外力联合作用下混凝土Ⅰ型断裂试验.pdf

第38卷第7期 2016年7月 人民黄河 YELLOW RIVER V1.38,No.7 Jul. ,2016 【 工 程 建 设 管 理 】 水压力与外力联合作用下混凝土I型断裂试验 任莉莉1,王学志2,邹浩飞2,刘钓玉3,郑淑文2,贺晶晶2 (1.辽宁铁道职业技术学院铁道工程系， 辽 宁 锦 州 121001; 2.辽宁工业大学土木建筑工程学院， 辽 宁 锦 州 121001; 3.沈阳工业大学建筑工程学院， 辽 宁 沈 阳 110870) 摘 要 ：为分析水压力和外力联合作用下混凝土的断裂现象， 采用轴拉试件的形式进行了混凝土在恒定轴力施加水压力 和恒定水压力施加轴力两种加载方式的I型断裂试验研究， 得到了两种加载方式下混凝土 I型断裂的双尺断裂参数。 试验结果表明， 恒定水压力施加轴力试件与恒定轴力施加水压力试件相比， 其黏聚力提供的断裂韧度更小； 两种不同加 载方式造成试件的破坏过程差异很大。 关键词：水压力；外力；轴拉试件；I型断裂；双尺断裂参数；混凝土 中图分类号：TV313 文献标志码：A doi:10.3969/j.iwn.1000-1379.2016.07.031 我国在建和拟建的混凝土坝已发展到300 m级 ， 与 100 m级高坝相比， 设计这种高混凝土坝的重要区 别是注意高压水劈裂问题1。国内外关于混凝土等 脆性材料水力劈裂的研究中既有纯水压下或水压力和 外力联合作用下混凝土的断裂试验研究1 ,也有裂 缝中水压变化规律及水流变化对混凝土断裂影响的研 究5-10,还有关于岩石水力劈裂机理的研究11,但对 于不同外载条件下混凝土断裂性能及参数的对比研究 较少。笔者通过混凝土轴拉试件在恒定轴力变水压和 恒定水压变轴力两种情况下的断裂试验， 分析混凝土 在两种不同水压力和外力联合作用下的I型双尺断 裂参数和试验现象。 1试验概况1试验概况 试验采用轴向拉伸试件(尺寸见表1,试件形状见图 1),根据加载方式的不同分为两组试件:恒定水压下施加 轴力的试件和恒定轴力作用下施加水压的试件。试件的 配合比为水泥： 砂 ： 石 子 ： 水=1.00 : 1.32 : 3.06 : 0.50。 水泥采用P.S.A32.5的矿渣硅酸盐水泥， 粗骨料为最大粒 径不超过25 mm的碎石， 细骨料为粒径小于5 mm的天然 中砂， 水采用生活用自来水。 表1试件尺寸 mm 长度L宽度高度缝长a缝深A 900600450130350 试件所受外力包括作用在试件两端的轴向拉力和 作用在裂缝面上的水压力。其中： 轴向拉力由两个同 步千斤顶结合钢梁施加,水压力由电动油压泵中的油 压挤压裂缝内的水来提供。为实现水压的施加和试验 过程中的密闭状态， 在裂缝周围预埋8 根螺杆,螺杆内 侧布置数层胶垫， 上面布置钢盖板， 通过拧螺栓使螺杆 和盖板对胶垫形成挤压， 以实现内部水的密闭和水压 的稳定施加， 注水口和排气口在盖板的上端， 用于试验 时注水和排气。试验中裂缝尖端通过粘贴应变片（ 见 图 2)测量缝尖的应变情况， 通过环氧树脂进行绝缘处 理。在缝尖端和缝中间分别安装课题组研制的可用于 水中的夹式引伸仪用来测量水压力下裂缝尖端和中间 的位移变化情况。荷载传感器采用100 t拉压传感器 测量轴向拉力值,加载装置见图3。 图2应变片布置方式 收稿日期=2014 12 10 基金项目：国家自然科学基金资助项目（ 51109134);辽宁 省百千万人才千人层次项目（ 2011921059);辽宁省教育厅一 般项目（L2013535)。 作者简介:任莉莉（ 1983)，女，辽宁丹东人，讲师，研究方 向为混凝土断裂分析。 通信作者：王学志（ 1976)，男，辽宁锦州人，教授，博士， 研究方向为混凝土断裂分析。 E-mail： myemai1wxz 123 人 民 黄 河 2016年 第 7 期 图3试件加载装置 2双2双X断裂参数计算公式的确定断裂参数计算公式的确定 2 . 1 模型的选择2 . 1 模型的选择 根据试验中试件的类型以及加载方式， 选择 应 力强度因子手册 |2的第二部分相应裂缝形式（ 见图 4)的应力强度因子的计算公式作为本试验中试件的 应力强度因子的初始计算公式： 图4 I型试件断裂韧度计算 Kl - a jn a Ft(a,/3) (1) 式中： (a，） 为边界修正因子, = , 卜 2 ,由 应 W W 力强度因子手册查找， 可根据线性内插法得到； a为裂 缝长度; W为试件宽度;2好为试件长度； 为荷载。 计算参数取值见表2 。 表2 I型断裂韧度计算参数 2丑 F,(a, 抝a = W办= W 0.216 71 . 51.036 4 2 . 2 双反断裂模型2 . 2 双反断裂模型 徐世烺等 I3-|S在多年的断裂理论和试验研究的 基础上总结出一套完整的混凝土非线性断裂破坏理 论双K断裂准则。它将混凝土材料裂缝扩展过 程分为裂缝起裂、 稳定扩展和失稳破坏3 个阶段， 并用 双K断裂准则描述材料破坏全过程|3: K = Kf， 裂缝起裂； K f K K; : : 1 ,裂缝处于稳定扩展阶段； K為， 裂缝处于失稳扩展阶段。 式中： 巧卩和Kn 分别为起裂断裂韧度和失稳断裂韧 度。 巧卩与试件的起裂荷载和初始裂缝长度a有关， 而 K与试件的最大荷载和对应的裂缝长度（ 初始长度 加有效裂纹扩展量（ a + Aa) )有关。 目前， 双K断裂理论已在水工断裂试验规程中采 用。基于此， 这里采用双K断裂理论计算水压力与外 力联合作用下混凝土的断裂参数。由于双K断裂参 数确定中采用的试件形式不是轴拉试件， 且施加的都 是单一荷载， 因此这里需依据双K断裂理论对本试验 中应力强度因子的初始计算公式进行调整。 2 . 3 双反断裂韧度公式的确定2 . 3 双反断裂韧度公式的确定 2 2. 3 3. 1 1起裂断裂初度的确定 将式（ 1)与双K断裂理论中关于起裂韧度的概念 相结合， 可以得到本试验中试件在单一荷载作用下的 起裂断裂韧度计算公式： Klni =Pim na Fi(a，jB) (2) 式 中 im为起裂荷载对应的试件受到的拉应力； 其他 符号意义同前。 这里的关键是起裂荷载的确定。本次试验采用半 桥测定法来确定,起裂点通过裂缝尖端的应变片的应 变回缩来确定， 图 5 为两种典型试件的裂缝尖端的 P e曲线， 其 中P为轴向拉力，Pw为作用在裂纹面 上的水压力,应变突变点对应的荷载即为Pim。 由于试验是在水压和外荷载共同作用下进行的， 故试件的起裂断裂韧度由外荷载作用下的起裂断裂韧 度和水压下的起裂断裂韧度叠加而成： Klm=K|； m + K L (3) 式中：K;n i为I型起裂断裂韧度；K| ； m 为轴向力作用下 的I型起裂断裂韧度；K L为水压力作用下的I型起 裂断裂韧度。 2 2. 3 3. 2 2 失稳初度的确定 将式（ 1)与双K断裂理论中关于失稳断裂韧度的 124 人 民 黄 河 2016年 第 7 期 概念相结合， 可以得到本试验中试件在单一荷载作用 下的失稳断裂韧度计算公式为 =Pn B n (a + Aa) Ft( a ,jB) (4) 式中为最大荷载对应的试件受到的拉应力， 最大 荷载为试验曲线峰值荷载， 图 6 为两种典型试件的 PCMOD(荷载一裂缝口张开位移） 曲线， 其中的峰值 荷载即为最大荷载；A a为裂缝的扩展长度， 查表求 (a， 奶时,也要将扩展长度计算在内进行查找， 即裂 缝长度为（ a + Aa) 。 A a的测量方法:在加载的初期， 裂缝尖端的应变 随着荷载的增加而增加， 能量不断积聚,应变达到最大 值时， 裂缝尖端向前继续扩展， 而后应变回缩， 因此某 一个应变片的应变开始回缩说明裂缝已扩展至此应变 片处。这里根据每一对应变片的应变回缩监测裂缝的 扩展过程， 直至试件失稳断裂。试件失稳断裂时， 裂缝 尖端位置所对应的应变片的应变刚到最大值， 即在荷 载达到最大值时该应变片的应变达到最大值， 所 以Aa 即为该应变片到初始裂缝尖端的距离。 I型断裂的失稳断裂总韧度同样应该考虑轴向力 和水压力的共同作用， 将失稳断裂韧度进行叠加， 得到 失稳断裂韧度计算公式： dm + ( (5) 式中： 尺r为I型失稳断裂韧度； 尺匕为轴向力作用下 的I型失稳断裂韧度；为水压力作用下的I型失 稳断裂韧度。 3试验结果分析3试验结果分析 3 . 1 双双 瓦断裂韧度分析断裂韧度分析 依据式(3)和式(5)计算可得双K断裂参数试验值, 见表3。其中:SH表示在水压恒定的情况下加轴力,ZH 表示在恒定轴力下加水压； 1、 2、 3表示试件编号。 表 3双X断裂参数试验结果 MPa.ml/2 编 号蚪4, SH-10.6050.8420.8530.6741.4471.527 SH-20.7700.7390.8490.4871.5091.336 SH-30.5580.3701.0190.3140.9281.333 平 均0.6440.6500.9070.4831.2951.399 ZH-10.8250.4960.8250.9411.3211.739 ZH-20.8670.1970.8870.8661.0641.753 ZH-30.7010.5050.7010.6461.2061.347 平 均0.7980.3990.8040.8181.1971.613 由表3 可以看出， 两种加载方式下混凝土的起裂 韧度和失稳韧度都存在差异， 这与目前认为断裂韧度 是材料常数的观点不一致。分析其原因， 一方面， 水压 力与外力联合作用下， 计算时将二者分开考虑,事实上 二者是耦合在一起的， 存在相互影响， 而这部分影响在 计算中无法考虑;另一方面， 由于加载方式不同， 两种 不同性质的外力对于试件断裂破坏的影响也不相同， 因此必然会引起裂缝尖端应力状态的差异， 进而影响 其断裂韧度。 分析表3 中试件断裂参数会发现,在恒定水压加 轴力情况下， 轴力引起的起裂断裂韧度与失稳断裂韧 度相差较小， 平均相差0.263 MPa ml/2,而与水压引 起的起裂断裂韧度相比,水压引起的失稳断裂韧度却 有减小的趋势， 这说明试件失稳时水压力已经无法继 续施加， 此时裂纹贯穿于试件， 水开始渗出， 导致恒定 的水压力开始减小。在恒定轴力加水压的情况下， 水 压力引起的起裂断裂韧度与失稳断裂韧度相差较大， 平均相差0.419 M Pa.ml/2,恒定轴力引起的起裂断裂 韧度和失稳断裂韧度基本一致。 恒定水压加轴力作用下混凝土总的起裂断裂韧度 为 1.295 M Pa.ml/2,略大于恒定轴力加水压作用下混 凝土总的起裂断裂韧度1.197 MPa ml/2;恒定水压加 轴力作用下混凝土总的失稳断裂韧度为1.399 MPa m1/2,小于恒定轴力加水压作用下混凝土总的失稳断 裂韧度1.613 M Pa.m1/2。由此可见， 恒定水压力的施 加使得混凝土总体的黏聚力提供的断裂韧度要小于施 加恒定轴力而未施加水压力时混凝土总体的黏聚力提 供的断裂韧度， 二者相差0.312 MPa m1/2。这应该是 因为施加恒定水压力时,水对试件裂缝表面材料有一 个相对时间较长的浸泡过程， 这会弱化材料的黏结 性能。 3 . 2 试验现象分析3 . 2 试验现象分析 对比两种加载方式下荷载一应变的变化特点和试 件的破坏特征， 可以发现,两种不同加载方式下试件的 破坏过程有很大的差异。对于恒定轴力加水压力的试 件 ， 当一些微裂缝出现时,压力水的渗透导致施加的水 125 人 民 黄 河 2016年 第 7 期 压力被削弱， 但削弱的速度较慢,此时若继续让压力泵 工作仍然可以实现水压力的维持和增大， 但应变会增 加,维持水压力一段时间后试件内部的裂纹会越来越 多,压力水渗透越来越快， 导致无法继续维持水压力， 至此认为试件破坏， 此时试件内部和表面会有渗水但 试件通常不会断裂,试件状态见图7( a)。对于恒定水 压力加轴力试件， 轴力的增加会使裂纹增多增大， 水压 将无法稳定控制， 但继续施加轴力， 试件通常会以预制 裂缝处断裂的形式破坏,破坏状态见图7(b)。 图7不同加载方式下试件的破坏状态 4结 论4结 论 采用轴拉试件的形式对不同加载方式下混凝土I 型断裂进行了试验研究， 结论如下。 (1) 获得了恒定水压力施加轴力试件与恒定轴力 施加水压力试件的双K断裂参数。恒定水压力施加 轴力试件与恒定轴力施加水压力试件相比， 其黏聚力 提供的断裂韧度要小， 二者相差0.312 MPa .ml/2。 (2) 两种不同加载方式下试件的破坏过程有很大 差异。当轴力恒定施加水压力时， 微裂缝形成， 压力水 渗透， 此时继续施加水压应变还会增加， 维持一段时间 后试件才会破坏;当水压力恒定施加轴力时， 荷载的增 大使裂纹分布密集时， 恒定的水压力将无法控制， 此时 继续施加轴力， 试件将沿着裂缝的方向立即破坏。 参考文献：参考文献： 1 贾金生， 李新宇， 郑璀莹.特髙重力坝考虑髙压水劈裂影响的 初步研究J.水利学报， 2006 , 37(12):1509-1515. 2 徐世烺， 王建敏.静水压力下混凝土双K断裂参数试验测 定J.水利学报， 2007,38(7) :792-798. 3 徐世烺， 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， 2009,42(2) :119-125. 4 王建敏， 徐世烺.水压下混凝土断裂试验研究J.施工 技术， 2011,40(11) :43-47. 5 BRUHWILER E， SAOUMA V. 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Jointless Construction Technology for Super Long Permeability-Resistant Concrete Structures QU Yuanyuan ( Henan Water Conserancy No. 1 Engineering Bureau, Zhengzhou 450003, China) Abstract ： Most of hydraulic engineering works have complex concrete structure and long lengthways infrastructure and thus need to change the conventional settings of the expansion joints. For the specific engineering, by considering the influence of structural stress, permeability and groundwater, in this paper we proposed three kinds of seepage control solutions that contained concrete structures self-waterproof scheme comparison； concrete pouring 【 责任编辑马广州】 (上接第126页） Experimental Study on Mode I Fracture of Concrete Under Combined Effects of Water Pressure and External Force REN L ili1 ,WANG Xuezhi2, ZOU Haofei2, LIU Junyu3, ZHENG Shuwen2, HE Jingjing2 ( LDepartment of Railway Engineering, Liaoning Railway Vocational and Technical College, Jinzhou 121001, China； 2.College of Civil Engineering and Architecture, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China; 3.College of Architectural Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China) Abstract： For the fracture analysis of the concrete under combined effects of water pressure and external force, the mode I fracture experiment was carried out with concrete tensile specimens under the constant axial force variable water pressure and the constant water pressure variable axial. The double K parameters for mode I fracture of concrete under the two loading ways were gotten. The test results are concluded that fracture toughness from cohesive force of the specimen under the constant axial force variable water pressure is smaller than that under the constant water pressure variable axial force and the failure process of the specimen by the two loading ways have great differences. Key words： water pressure； external force； tensile specimen； mode I fracture; double K parameters； concrete 【 责任编辑马广州】 129