王建敏 邵 玲

近幾十年來(lái)，對(duì)于混凝土大壩安全的研究日益成為各國(guó)壩工界十分關(guān)注的一個(gè)研究課題。對(duì)于水工混凝土結(jié)構(gòu)壩，裂縫問(wèn)題是普遍存在的，許多混凝土在施工期和運(yùn)行期就產(chǎn)生了各種各樣的裂縫，裂縫的存在將會(huì)影響大壩的安全性和耐久性。對(duì)于在地震或循環(huán)荷載作用下的水工結(jié)構(gòu)，水進(jìn)入裂縫，水壓使得裂縫擴(kuò)展，從而對(duì)水下結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生影響。為此國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在此方面進(jìn)行了研究，但由于水壓力作用下的混凝土斷裂試驗(yàn)難度非常大，裝置較為復(fù)雜，國(guó)外只是少數(shù)學(xué)者開(kāi)展過(guò)這方面的試驗(yàn)研究。Brhuwiler和Saouma對(duì)不同水壓下擴(kuò)展裂縫中水壓力分布進(jìn)行了研究［1，2］。Volker Slowik和Saouma針對(duì)不同加載速率和裂縫突然閉合下，裂縫內(nèi)水壓力、水前峰和裂縫擴(kuò)展之間的關(guān)系進(jìn)行了研究［3］。李宗利對(duì)巖體水力劈裂機(jī)理進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬研究，并將其應(yīng)用于地下洞室圍巖穩(wěn)定分析中［4］;黃云、金峰等人［5］研究了水力劈裂對(duì)某壩高278 m的拱壩上游面初始裂縫穩(wěn)定性的影響，考慮了縫內(nèi)水壓分布呈矩形、三角形等不同分布形式時(shí)裂縫開(kāi)展情況及壩體應(yīng)力特性。

1 試驗(yàn)概述

試驗(yàn)采用楔入式緊湊拉伸試件，具體尺寸如表1所示。試驗(yàn)采用商品混凝土一次性澆筑完畢，配合比為水泥∶砂∶石子∶水= 1∶2.17∶3.29∶0.52。水泥采用大連小野田水泥廠生產(chǎn)的325號(hào)普通硅酸鹽水泥，粗骨料為青碎石，最大粒徑為30 mm;細(xì)骨料為河砂，最大粒徑為5 mm。試件為一次商品混凝土澆筑成型，總計(jì)個(gè)數(shù)為40個(gè)，由于試驗(yàn)的難度和前期的準(zhǔn)備，成功施加水壓的個(gè)數(shù)為11個(gè)，試驗(yàn)中的編號(hào)為按照40個(gè)試件的統(tǒng)一編號(hào)。

表1 試件尺寸參數(shù)表

2 加載方式

水壓施加共分為四個(gè)等級(jí)，分別為0.1 MPa，0.2 MPa，0.3 MPa和0.4 MPa。試驗(yàn)中采用雙重壓力加載方式，其中由試驗(yàn)機(jī)提供的機(jī)械荷載用以模擬混凝土壩所受的外水壓力，由電動(dòng)試壓泵提供的加載在預(yù)制縫中的水壓力用以模擬混凝土壩裂縫內(nèi)的內(nèi)水壓力。水壓采取加卸載的循環(huán)方式［6-8］。橫向荷載每增加3 kN，穩(wěn)定荷載，施加一個(gè)水壓循環(huán)，即快速加載至設(shè)定值，穩(wěn)定20 s后卸載。在此過(guò)程中，時(shí)刻監(jiān)視荷載的變化，根據(jù)位移曲線調(diào)整荷載實(shí)驗(yàn)機(jī)油門大小，保證荷載穩(wěn)定。由計(jì)算結(jié)果得出，隨著水壓的增加，試件所承受的最大荷載逐漸減小，相應(yīng)的水壓加載循環(huán)也在逐漸減小。在0.1 MPa增加到0.4 MPa的過(guò)程中，試件的最大荷載減小了一半，這說(shuō)明裂縫內(nèi)水壓的劈裂作用是不容忽視的，需進(jìn)行詳細(xì)的分析研究。

3 縫內(nèi)水壓擴(kuò)展規(guī)律模擬研究

3.1 縫內(nèi)水壓擴(kuò)展曲線的實(shí)驗(yàn)測(cè)定

擴(kuò)展裂縫內(nèi)的水壓測(cè)量方法是利用埋入試件側(cè)面的壓力傳感器進(jìn)行測(cè)定的，考慮壓力傳感器的大小以及試件孔洞應(yīng)力集中的影響，每個(gè)傳感器中心的設(shè)定間距為50 mm，但由于試件打制的問(wèn)題，傳感器之間的距離會(huì)與設(shè)定值有一定的差距，為此在試件劈裂之后量取預(yù)留孔中心至裂縫尖端的距離作為裂縫擴(kuò)展位置。每個(gè)壓力傳感器在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行過(guò)標(biāo)定，由IMC數(shù)據(jù)采集儀所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果為真實(shí)水壓力，勿需再進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

圖1列出了0.3 MPa水壓下擴(kuò)展裂縫內(nèi)的水壓變化隨記錄點(diǎn)數(shù)的變化規(guī)律。隨著裂縫寬度的逐漸增大，壓力水才開(kāi)始進(jìn)入擴(kuò)展裂縫中，否則其余部分水壓均為零，所以為了曲線清晰，只將有水壓變化的部分列入圖中，數(shù)字所標(biāo)記為擴(kuò)展裂縫距裂縫尖端的垂直距離。由圖1可以看出，水壓尖端即水前鋒的發(fā)展滯后于干裂縫的擴(kuò)展，這是由于在干裂縫形成初期，裂縫寬度較小，不足以壓力水進(jìn)入，待裂縫寬度發(fā)展到一定程度時(shí)，水壓才開(kāi)始擴(kuò)展，并隨著外水壓的增大而逐漸增加最后達(dá)到全水頭。

3.2 水壓規(guī)律的監(jiān)測(cè)與擬合

對(duì)于縫內(nèi)水壓的擴(kuò)展規(guī)律的研究，作者采用二次參數(shù)模型對(duì)水壓斷裂規(guī)律進(jìn)行了擬合，得到水壓零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度。具體計(jì)算參照文獻(xiàn)［8］，擬合公式為c，擬合結(jié)果列于表2中。

表2 水壓擬合結(jié)果

對(duì)于確定裂縫擴(kuò)展寬度COD與水壓分布σw之間的關(guān)系是研究靜水壓力下縫內(nèi)水壓分布的重點(diǎn)，但由于實(shí)驗(yàn)難度的限制與理論分析的復(fù)雜性，目前并沒(méi)有確定的理論或者實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本次試驗(yàn)中根據(jù)已測(cè)定的較為簡(jiǎn)單的參數(shù)，通過(guò)數(shù)值擬合的二次曲線確定之間相應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)擬合方程的系數(shù)在一可接受的范圍內(nèi)波動(dòng)，但由于實(shí)驗(yàn)樣本較少，所以還需進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)得到了水壓擴(kuò)展的零點(diǎn)，為下一步計(jì)算擴(kuò)展縫內(nèi)壓力對(duì)試件劈裂的影響奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了擴(kuò)展縫內(nèi)水壓力分布情況，利用安裝在側(cè)面的壓力傳感器，測(cè)定了壓力水全過(guò)程的水壓擴(kuò)展情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著水壓的逐漸增加，混凝土所承受的最大荷載逐漸減小，當(dāng)水壓加到0.4 MPa時(shí)，試件的最大荷載減小了一半，這說(shuō)明裂縫內(nèi)水壓的劈裂作用是不容忽視的。為了得到水壓零點(diǎn)，準(zhǔn)確計(jì)算水壓力對(duì)試件劈裂的影響，對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)采用二次函數(shù)進(jìn)行擬合，得到零點(diǎn)，反算裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度，得到下一部分計(jì)算所需要的數(shù)據(jù)結(jié)果。

［1］ Brhuwiler E，Saouma V.Water Fracture interaction in concrete-PartⅠ:Facture properties［J］.ACIMaterials Journal，1995，92 (3):296-303.

［2］ Brhuwiler E，Saouma V.Water fracture interaction in concrete-PartⅡ:Hydrostatic pressure in cracks［J］.ACIMaterials Journal，1995，92(3):383-390.

［3］ Slowik V，Saouma V.Water pressure in propagation concrete cracks［J］.Journal of Structural Engineering，2000，126(2):235-242.

［4］ 李宗利.巖體水力劈裂機(jī)理研究及其在地下洞室圍巖穩(wěn)定分析中應(yīng)用［D］.南京:河海大學(xué)博士學(xué)位論文，2005.

［5］ 黃 云，金 峰，王光綸，等.高拱壩上游壩踵裂縫穩(wěn)定性及其擴(kuò)展［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，42(4):555-559.

［6］ WANG JIANMIN，ZHANG XIUFANG，XU SHILANG.The Experimental Determination of Double-K Fracture Parameters of Concrete underWater Pressure(Frcos6).

［7］ 徐世烺，王建敏.靜水壓力下混凝土雙K斷裂參數(shù)試驗(yàn)測(cè)定［J］.水利學(xué)報(bào)，2007，38(7):26-32.

［8］ 王建敏.靜水壓力環(huán)境下混凝土裂縫擴(kuò)展與雙K斷裂參數(shù)試驗(yàn)研究［D］.大連:大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2008.