杜成斌 楊 羿 陳玉泉 余 磊

(河海大學 工程力學系， 南京 211100)

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

目前，水力劈裂試驗因為存在水壓密封困難、內部水壓力以及裂尖擴展位置難以測量的難點，進行的有效研究較少．Brühwiler等[3-4]進行了混凝土室內水力劈裂試驗，研究了裂縫中靜水壓力對混凝土宏觀斷裂能和宏觀斷裂韌度的影響、根據(jù)實驗給出水力劈裂過程中裂縫內水壓力分布規(guī)律：當裂縫口張開寬度(crack mouth opening displacement ，CMOD)小于臨界值(全水頭對應的裂縫口張開寬度)時，裂縫內水壓隨CMOD非線性增加，當CMOD達到臨界值時，水壓力分布為全水頭．徐世烺等[5-6]在靜水壓力環(huán)境下進行了楔入式緊湊拉伸斷裂試驗，通過無水壓情況與有水壓情況下的試驗結果的對比，分別求得兩種情況下的雙K斷裂韌度值，推導出了有水壓環(huán)境下的雙K斷裂參數(shù)的求解公式．杜成斌等[7]針對現(xiàn)有水力劈裂試驗中密封裝置采用環(huán)氧樹脂膠存在的密封強度不夠、外加密封裝置增加混凝土試件約束的缺點，研發(fā)了一種新型的密封裝置．進行了有無密封裝置的對比試驗，驗證了此密封裝置對試件材料參數(shù)影響較小，并得到了不同加載速率下縫內水壓的分布模型．甘磊[8-9]針對以往水力劈裂試驗采用混凝土楔形劈裂試件無法密封高水壓作用和圓柱形混凝土試件無法測量試驗過程中的裂縫開度、水壓、水溫等重要數(shù)據(jù)的缺陷，研制了一套混凝土結構水力劈裂試驗系統(tǒng)，研究了應力狀態(tài)、荷載施加方式對試件裂縫擴展過程的影響，分析了裂縫擴展路徑上縫內水壓演化規(guī)律，擬合得到了混凝土試件臨界劈裂水壓預測模型的定量關系式．袁俊平[10]分別在加載速率為5和25 kPa/min時，對不同初始裂縫深度的試樣進行了水力劈裂試驗，結果表面：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]對厚壁空心圓柱體試件進行了水力劈裂試驗發(fā)現(xiàn)，試件在內外水壓差作用下，發(fā)生徑向變形后才會發(fā)生水力劈裂，并針對土石壩裂縫可能發(fā)生的水力劈裂問題，通過實驗得到對堵縫有較好效果的合適比重膨潤土．Patel[12]指出水力劈裂過程中裂縫張開，液體流動將引起水壓力下降，并提出一種計算縫內水壓擴散的方法．

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

1 試驗概況

1.1 試件制備

試驗混凝土試件一次性澆筑完成，共6個試件，試件分為3組，分別進行0、0.2、0.4 MPa下的快速劈拉試驗．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)

結合《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[13]和Brühwiler[3]的試驗澆筑用于楔入劈裂抗拉試驗的預制縫試件，試件尺寸為200 mm×200 mm×200 mm．頂部設置預制縫，尺寸為2 mm×80 mm×200 mm．為了測量裂縫擴展路徑上的水壓力分布，試件內部預留5個直徑為1.5 mm的貫穿孔，兩端預埋直徑為6 mm的螺母，預埋深度為30 mm．試件澆筑設計尺寸如圖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

水壓加載設備采用2.5 MPa量程的電動試壓泵DSY-25進行水壓加載，荷載加載設備使用河海大學力學實驗中心的電液伺服動靜試驗機進行加載，加載方式為按位移加載，加載速度為200 μm/s．試驗采用楔入劈拉試驗加載裝置，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[7]設計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，硅膠板會產生較大形變，使夾具發(fā)生位移，影響密封效果，另外密封裝置安裝時也略顯復雜．本文密封裝置在文獻[7]的基礎上進行了改進，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．安裝時先將一個硅膠套套入試件，覆蓋預制縫以及裂縫可能擴展的區(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出水縫隙，形成水壓密封區(qū)，然后在硅膠套之外安裝一個比試件稍大的固定鐵圈(圖5(b))，用于阻止硅膠套產生過大變形．圖5(c)為原密封裝置，如圖5(d)為試驗所采用的密封裝置．

圖5 新改進的密封裝置

2 試驗結果和分析

為了研究不同水壓對動載下混凝土斷裂性能的影響，分別進行了不同水壓力(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．其中每組試驗采用兩個試件，共6個試件，每組取其中一個實驗數(shù)據(jù)較為完整的進行分析．試驗過程中，通過TJH-3型荷載傳感器和YHD-50型位移計來記錄施加外加荷載及裂縫口張開位移，從而得出試驗過程中的荷載變化曲線及裂縫口張開位移CMOD曲線．

試驗準備階段，先用電動試壓泵施加水壓，待水壓穩(wěn)定后，使用電液伺服動靜試驗機進行位移控制加載，隨著荷載的增大，裂縫口張開位移增大，試件預制縫開始擴展，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 裂縫擴展模式

圖6 預留裂縫端部應變片位置示意圖

圖7 應變時間曲線

圖8 裂尖擴展曲線

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

2.2 外水壓力對試件破壞荷載影響

快速加載條件下，無水壓作用以及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)荷載只有無水壓條件下的一半．因此在水力劈裂試驗中，水壓力對裂縫擴展的影響不可忽略．

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，設置了一個預留孔(圖1中靠最上部的傳感器)用于測量預制縫內水壓力，使用擴散硅傳感器通過試件中預留的測水壓孔得到縫面水壓力隨時間變化曲線，圖10(a)、(b)分別為水壓0.2 MPa和0.4 MPa時裂縫擴展路徑上縫面水壓力隨時間的變化曲線．施加外水壓越高，裂縫擴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)時刻前一點．外水壓0.4 MPa縫面水壓變化更快，說明高水壓情況下裂縫張開速度更快．根據(jù)文獻[7]假定裂縫內水壓呈拋物線分布，對裂縫內水壓分布進行了擬合，給出不同時刻裂縫內水壓力分布曲線并與裂縫尖端位置對比，如圖11(a)、(b)所示．

圖10 水壓力時間曲線

圖11 縫內水壓與裂縫擴展對比圖

從圖中可以看出：1)由于裂縫擴展速度較快，當試件起裂后，預制縫內的水迅速涌入到擴展裂縫中，預制縫內的水來不及補充，造成縫內水壓迅速下降，縫內最大水壓只有外加水壓的25%．2)與前述一致，裂縫的擴展速度隨時間而明顯增快，縫內水壓也因裂縫張開變快而降低．試件發(fā)生失穩(wěn)貫穿時1號傳感器水壓只有起裂時水壓的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)時滯后距離比起裂時滯后的要多，起裂時水前鋒滯后約10 mm，失穩(wěn)時最多滯后40 mm．

3 結 論

1)分別進行了不同外水壓條件(0、0.2和0.4 MPa)下的水力劈裂試驗，比較各組試驗的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)通過防水應變片對試驗過程中混凝土開裂路徑上應變的量測表明：水力劈裂試驗混凝土開裂過程可分為彈性，起裂，失穩(wěn)貫穿3個階段．外水壓增大時，裂尖穩(wěn)定擴展速度明顯增大．外水壓為0.2 MPa時，裂尖穩(wěn)定擴展速度為0.5 m/s；外水壓為0.4 MPa時，裂尖穩(wěn)定擴展速度為2.0 m/s．

3)裂縫擴展路徑和水壓分布實測表明：當裂縫擴展時，由于水涌入了新的通道，裂縫內水得不到補充，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)時滯后距離比起裂時滯后的要多，起裂時水前鋒滯后約10 mm，失穩(wěn)時最多滯后40 mm．

參考文獻：

[1] 潘家錚．斷裂力學在水工結構設計中的應用[J]．水利學報，1980(1):47-61．

[2] 林 皋．混凝土大壩抗震安全評價的發(fā)展趨向[J]．防災減災工程學報，2006，26(1):1-12．

[3] Brühwiler E， Saouma V． Water Fracture Interaction in Concrete， part I: Fracture Properties [J]．Aci Materials Journal， 1995， 92(3):296-303．

[4] Brühwiler E， Saouma V． Water Fracture Interaction in Concrete， part II: Hydrostatic Pressure in Cracks[J]．Aci Materials Journal， 1995， 92(3):383-390．

[5] 徐世烺，王建敏．水壓作用下大壩混凝土裂縫擴展與雙K斷裂參數(shù)[J]．土木工程學報，2009(2):119-125．

[6] 王建敏．靜水壓力環(huán)境下混凝土裂縫擴展與雙K斷裂參數(shù)試驗研究[D]．大連：大連理工大學，2008．

[7] 杜成斌，陳小翠，陳玉泉，等．混凝土水力劈裂試驗研究[J]．水利學報，2017，48(9):1047-1054．

[8] 甘 磊，沈振中，張 騰，等．混凝土結構水力劈裂試驗裝置研究及應用[J]．水利與建筑工程學報，2015(4):130-136．

[9] 甘 磊，沈心哲，王 瑞，等．單裂縫混凝土結構水力劈裂試驗[J]．水利水電科技進展，2017，37(4):30-35．

[10] 袁俊平，王啟貴．水力劈裂楔劈效應試驗研究[J]．巖土力學，2015，36(12):3360-3364．

[11] 佘 嬌．瀝青混凝土水力劈裂及裂縫淤堵試驗研究[J]．三峽大學學報(自然科學版)， 2015， 37(1):67-70．

[12] Patel S M， Sondergeld C H， Rai C S． Hydraulic Fracture Permeability Estimation Using Stimulation Pressure Data[J]．International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2018， 101(1): 50-53.

[13] 中華人民共和國建設部批準．普通混凝土力學性能試驗方法標準[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003．

[14] 梁昌玉，李 曉，李守定，等．巖石靜態(tài)和準動態(tài)加載應變率的界限值研究[J]．巖石力學與工程學報，2012，31(6):1156-1161．

[15] 河海大學．水工鋼筋混凝土結構學[M]．5版．北京：中國水利水電出版社，2016．