董永福，葛楓炎，王 鍇

(1. 中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120；2.上海交通建設總承包有限公司，上海 200120)

水是人類生存不可或缺的一部分，如何有效利用水資源是千百年人類以來一直探索的問題，在水利工程領域中，建設人工大壩，幫助人類合理調(diào)度水資源，使人類生存環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展[1- 2]。在科技進步的今天，大部分河堤、水庫、大壩，包括農(nóng)田水利圍墾工程中壩體護面、防浪墻等結(jié)構(gòu)，均采用的是混凝土澆筑形成?；炷磷鳛楣こ探ㄔO的最根本材料，對其力學性能進行研究，有助于保障工程建設安全質(zhì)量[3- 4]，但由于壩體面臨水壓力的特殊性，因而針對水利工程中混凝土的水力拉伸劈裂效應研究很有必要。國內(nèi)外已有較多學者借助室內(nèi)試驗、數(shù)值分析及原型試驗等手段，開展混凝土水力劈裂效應研究[5- 8]。但由于水利大壩在施工過程中不可避免會有混凝土裂隙，因而借助人工預制裂隙[9]，探討不同預制裂縫夾角條件下混凝土斷裂特性具有重要意義。

1 試驗設備及方案

1.1 試驗設備

利用自主研發(fā)的加載裝置，開展混凝土斷裂特性分析，該加載裝置主要有一端固定支座的預制鋼板，承載能力達到500kN拉伸力的螺栓固定，接口適配于試樣尺寸，并具有伸縮性，適配于直徑為38、50、75、100、200、250mm的試樣，在試樣另一端同樣設置有預制鋼板連接縫，分別以千斤頂作為兩端鋼板支撐載體，鋼板厚度達60mm，能完成單軸拉伸及彎曲拉伸等斷裂試驗。兩端加壓動力設備主要來自手動液壓泵，控制好一定的加壓速度，保證管路內(nèi)壓力穩(wěn)定，關閉閥門后，保證軸力穩(wěn)定。水壓加載利用三相異步電動機提供水泵動力，電機頻率為50Hz，轉(zhuǎn)速1400r/min。為保證預制裂隙內(nèi)水壓均勻穩(wěn)定，在試驗前，抽混凝土試樣至真空飽和，并保證預制裂縫內(nèi)處于水壓飽滿狀態(tài)，另采用角鋼槽密封住裂縫外口，并在角鋼外表面設置螺紋孔，供內(nèi)置傳感器連接線通過。

實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用YD- 26B型電阻儀監(jiān)測采集混凝土試樣表面應變片傳回的應力、應變等數(shù)據(jù)，該檢測系統(tǒng)有4個通道，分辨率達到0.001mm，誤差控制在0.05%內(nèi)，可實現(xiàn)室溫～80℃數(shù)據(jù)采集，裂縫擴展位移CMOD具有自動校準功能，采用半橋搭接的方式，保證各項數(shù)據(jù)傳回到檢測系統(tǒng)里不失真。數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)具有圖標顯示功能，能實現(xiàn)加載過程中實時獲得裂縫應變及加載應力變化曲線。

1.2 實驗方案

本次混凝土斷裂特性試驗樣品取自某圍墾工程堤壩原材料，主要為水泥及工程現(xiàn)場附近的粗骨料砂礫石，攪拌用水為天然河水，偏堿性，試樣室內(nèi)精加工打磨后為長方體形態(tài)，寬200mm、高600mm、長800mm，裂縫水平線夾角分別為0°、30°、60°，各試樣幾何形態(tài)如圖1所示。

圖1 混凝土試樣幾何形態(tài)示意圖

采用模板制作出匹配混凝土試樣的模具，逐一澆筑入混凝土，形成預制混凝土模板，切除掉模板后，打磨表面，裝入試驗加載系統(tǒng)中，用螺栓固定住試樣。試樣表面經(jīng)乙醇擦拭后，順時針方向粘貼應變片，并依次連接上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接線，所有連接線均為絕緣導線。待試驗準備工作就緒后，首先施加水壓力至1.2MPa，并保證水壓力恒定，水壓力加載速率為0.3MPa/min，而后施加軸向拉力，速率控制為5kN/min，采集系統(tǒng)實時間隔0.25s/次存盤數(shù)據(jù)，直至試樣出現(xiàn)貫穿性裂縫或內(nèi)部滲水，試驗結(jié)束，關閉所有加載設備，并導出采集數(shù)據(jù)。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 應力應變結(jié)果分析

圖2為恒定水壓力條件下，不同預制裂縫夾角的應力應變曲線，其中應變1～8是指預制裂縫內(nèi)上端部測試數(shù)據(jù)，應變9～12為預制裂縫下端部測試數(shù)據(jù)。從圖2中的變化關系可看出，隨著軸向拉力的增大，試樣變形逐漸增大，表明混凝土試樣內(nèi)部裂紋的擴張與軸力成正比。0°裂縫夾角試樣在1～8通道中最大應變達到312με，而在9～12通道中應變值最大超過580με，在30°與60°裂縫夾角試樣中亦是如此，依據(jù)應變片的位置可知裂縫下部擴張變形更大，且更劇烈。對比不同預制裂縫夾角試樣的應變值可知，隨著預制裂縫夾角的增大，在1～8通道中，試樣應力應變約呈“陡峭”，表明試樣脆性變形能力增強，在同為200kN軸力拉伸下，0°預制裂縫夾角試樣的1～8通道平均應變?yōu)?59.2με，30°與60°預制裂縫夾角試樣的1～8通道平均應變分別是前者的28.9%、24.8%，且三者數(shù)值均為峰值軸力前應變值。這表明隨著預制裂縫夾角的增大，試樣裂縫上端部變形能力逐漸減小，不易發(fā)生較大變形。從峰值軸力后應力應變表現(xiàn)來看，60°預制裂縫夾角試樣不論是1～8通道或是9～12通道，均不會產(chǎn)生應力跌落現(xiàn)象，峰值后均具有一定的殘余變形能力[10]，而在0°與30°預制裂縫夾角試樣預制裂縫上端部或在下端部，均會有一定應力跌落，即發(fā)生失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，表明該圍墾工程混凝土試樣在具備天然裂縫條件下，后期是否具有一定的承載能力與天然裂縫夾角有關。

圖2 不同預制裂縫夾角的應力應變曲線

圖3 不同預制裂縫夾角試樣起裂荷載曲線

2.2 斷裂特性參數(shù)分析

混凝土斷裂特性參數(shù)主要包括起裂荷載、失穩(wěn)荷載及起裂角等參數(shù)，研究斷裂特性參數(shù)有助于提升對混凝土試樣承受拉伸斷裂能力的理解。

(1)起裂荷載

起裂荷載是指試樣在初始裂縫條件下，隨著荷載超過某個數(shù)值，發(fā)生二次裂紋，反映在應力應變曲線上即是應變點增大到一定極限變形條件，試樣內(nèi)部顆粒無法再次承受極限拉力變形時，會發(fā)生顆?；破茐模藭r對應的荷載即為起裂荷載。為了計算方便，找出起裂應變，聯(lián)系式(1)、式(2)，獲得起裂荷載，即

(1)

(2)

圖3為典型試樣不同預制裂縫夾角試樣起裂荷載曲線。從圖3中可看出，除了0°預制裂縫夾角下起裂荷載達到150kN以上，另外兩種預制裂縫夾角試樣起裂荷載較為接近，表明隨著預制裂縫夾角增大，試樣內(nèi)部起裂荷載更小，更易于混凝土試樣內(nèi)部形成較大裂紋。

(2)失穩(wěn)荷載

失穩(wěn)荷載是指試樣應力達到極限程度時，混凝土試樣內(nèi)部應力無法承受更大程度，試樣應力應變發(fā)生跌落，失穩(wěn)破壞，如圖4所示。

圖4 失穩(wěn)荷載示意圖

由于試樣在承受拉伸軸力前，已預制裂縫，故而有效裂紋長度包括二次裂紋長度與預制裂縫長度，以二次裂紋長度達到最大為衡量標準，相對應的應力認為是失穩(wěn)破壞荷載，計算如下式：

圖5 試樣失穩(wěn)破壞荷載曲線

(3)

(4)

圖5為典型試樣失穩(wěn)破壞荷載曲線。從圖5中可看出，隨著預制裂縫夾角增大，失穩(wěn)荷載逐漸增大，60°夾角裂縫失穩(wěn)荷載是0°夾角裂縫的1.1倍。由于施加水壓作用，更符合圍墾工程堤壩實際工況，表明天然裂縫夾角的存在有利于增加混凝土試樣承受荷載能力。

(3)起裂角

由于測量復合型斷裂形式下的起裂角會受到一定的表面粗糙影響，本文將以最終破壞角作為起裂角[11]，如圖6所示，β表示預制裂縫與混凝土試樣Y軸的夾角，β0表示預制裂縫與混凝土試樣X軸的夾角，θ0表示試樣起裂角。

圖6 起裂角示意圖

表1為典型試樣起裂角與斷裂韌度的結(jié)果。從表1中可看出，隨著預制裂縫夾角增大，試樣起裂角增大，兩者呈正相關。另一方面，Ⅱ型-Ⅰ型起裂斷裂韌度值與Ⅱ型-Ⅰ型失穩(wěn)斷裂韌度值基本接近，但斷裂韌度值隨著預制裂縫夾角的增大而增大，預制裂縫夾角增大，斷裂形式逐漸趨于復合斷裂形式。

表1 試樣起裂角與斷裂韌度結(jié)果

2.3 雙K斷裂準則應用

雙K斷裂準則通常來說主要包括直線型、二次函數(shù)型及多次函數(shù)型[12- 13]，如下式所示。

直線型：aKΙ+bKΙΙ=KΙC

(5)

(6)

(7)

式中，a，b，α，β—與試驗相關的常數(shù)。

基于對試樣斷裂韌度結(jié)果的分析，獲得起裂韌度擬合曲線公式，并以此獲得Ⅰ- Ⅱ型復合斷裂曲線，如圖7所示。從圖7中的整體表現(xiàn)可看出，起裂韌度與失穩(wěn)韌度擬合曲線劃分出試樣在受拉過程中內(nèi)部變形破壞過程：在失穩(wěn)韌度曲線之上時，試樣處于破壞失穩(wěn)階段；介于起裂韌度與失穩(wěn)韌度之間區(qū)域時，試樣裂紋處于可控性擴張階段；在起裂韌度曲線以下時，試樣內(nèi)部主要還是預制裂縫承受拉伸作用，并未產(chǎn)生二次裂紋。比較Ⅰ型斷裂韌度與Ⅱ型斷裂韌度，不論是起裂韌度值或是失穩(wěn)韌度值，總是Ⅰ型斷裂韌度值更大[14- 15]。

表2 斷裂韌度擬合方程式

圖7 Ⅰ- Ⅱ型復合斷裂曲線

3 結(jié)論

(1)混凝土試樣內(nèi)部裂紋的擴張與軸向拉伸作用成正比，且預制裂縫下端部擴張變形更大；隨著預制裂縫夾角的增大，試樣脆性變形能力增強，預制裂縫上端部變形能力減小；60°裂縫夾角下峰值軸力后仍具有一定殘余變形能力。

(2)分析了混凝土起裂荷載、失穩(wěn)荷載及起裂角三個斷裂特性參數(shù)，0°預制裂縫夾角下起裂荷載達150kN以上，30°與60°預制裂縫夾角下試樣起裂荷載接近一致；隨著預制裂縫夾角的增大，失穩(wěn)荷載與起裂角均增大，60°夾角裂縫失穩(wěn)荷載是0°夾角裂縫失穩(wěn)荷載的1.1倍。

(3)Ⅱ型- Ⅰ型起裂斷裂韌度值與Ⅱ型- Ⅰ型失穩(wěn)斷裂韌度值基本接近，但斷裂韌度值隨著預制裂縫夾角的增大而增大；不論是起裂韌度值還是失穩(wěn)韌度值，總是Ⅰ型斷裂韌度值更大。