CN105784506B - 预加剪应力试件、试件制备装置和方法及劈裂试验方法 - Google Patents

预加剪应力试件、试件制备装置和方法及劈裂试验方法 Download PDF

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    • G01N3/12—Pressure testing

Abstract

一种可预加剪应力的碾压混凝土高压水劈裂试件、试件制备装置和方法以及劈裂试验方法，以解决基于传统高压水劈裂模拟试验设计方法和装置常只针对单轴受拉压条件，难以考虑剪应力，且试件只能是常态混凝土的不足。所述试件具有一延伸方向，在该延伸方向的长度方向的中部位置设有倾斜层面，该倾斜层面与该预定方向间具有一夹角α，于该倾斜层面处具有一预设裂缝，该预设裂缝通过一接口通道与试件外部连通。试验方法是向该预设裂缝中通入高压水至劈裂，并通过单轴试验机对试件进行剪应力的施加。本发明的试件、装置及试验方法，可考虑碾压混凝土层面的剪应力的影响，从而可更真实、有效地模拟碾压混凝土高坝的碾压层面在高压水作用下的工作工况。

Description

预加剪应力试件、试件制备装置和方法及劈裂试验方法
技术领域
本发明提供了水利水电工程领域中一种用于碾压混凝土高压水劈裂试验的技术，尤其是一种可预加剪应力的碾压混凝土高压水劈裂试验用试件、及制备该试件的装置和制备方法，以及利用该试件的可预加剪应力的碾压混凝土高压水劈裂试验方法。
背景技术
随着水资源开发需求的增长以及工程技术的进步，高坝大库的建设日益增多，坝高200m以上的特高混凝土重力坝不断涌现。坝高的增长带来了新的问题，特别是碾压混凝土坝，存在碾压薄弱层面，薄弱面在库水压力作用下是否会发生高压水劈裂是一个重要的工程安全问题。如果混凝土在高压水作用下发生开裂，将会对大坝的正常工作带来巨大的潜在危险。因此非常有必要研究碾压混凝土层面在高压水作用下的性能表现，以评估高坝的安全性。
碾压混凝土重力坝的层面在高压水作用下发生水力劈裂的机理复杂，其中一个重要原因既是实际工程中的碾压混凝土是在复杂的应力状态下工作。在重力坝的上游表面，在不考虑水压的情况下，碾压混凝土层面的受到的力状态可能是无应力、受压、受拉、受剪，以及这几种力的叠加等情况。在考虑这些复杂外力条件下的碾压混凝土层面的高压水劈裂试验装置，尤其是能够产生剪应力作用的碾压混凝土层面的高压水劈裂装置还未见报道。
中国发明专利申请(公开号为CN 103698218 A)公开了一种可模拟不同应力条件下混凝土构件水力劈裂试验装置，该装置结构较为复杂，考虑了不同初始裂缝倾斜角情况下的水力劈裂试验，然而仅实现了对常态混凝土的高压水劈裂试验。中国发明专利(公开号CN 102053036 A)公开了拉压状态下混凝土构件高压水劈裂模拟实验设计方法和装置，仅针对单轴受拉压条件下的混凝土试件进行高压水劈裂试验，而且也仅是针对常态混凝土而言。可见考虑剪应力状态下的碾压混凝土层面高压水劈裂方面，还未有相关实验方法及配套设配。
发明内容
针对以上问题，尤其是碾压混凝土的层面特点，本发明结合碾压混凝土高坝的工作特点，在反复试验和工程实践中提出了一种可预加剪应力的碾压混凝土高压水劈裂试验装置及方法。可有效地模拟碾压混凝土高坝层间缝在高压水作用下的工作工况，提高碾压混凝土坝设计和研究水平，为碾压混凝土坝高坝建设提供基础保证，弥补国内外这一领域的空白。
通过检索国内外有关混凝土高压水劈裂试验设备及方法文献专利，表明在本发明之前，用于混凝土高压水劈裂试验的可预加剪应力的试验设备及方法还没有报道。
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明主要目的在于提供一种可预加剪应力的碾压混凝土高压水劈裂试验用试件，其可以考虑剪应力的影响，从而可以更真实、有效地模拟碾压混凝土层面在高压水作用下的工作工况。
本发明又一目的在于提供一种试件制备用装置，其可供制备可预加剪应力的碾压混凝土高压水劈裂试验用试件，且可以使试件的制备简单、可靠。
本发明又一目的在于提供一种可预加剪应力的碾压混凝土高压水劈裂试验方法，其可以考虑剪应力的影响，从而可以更真实、有效地模拟碾压混凝土高坝层面在高压水作用下的工作工况，且方法简单、可行。
为了达到上述目的，本发明提供的主要技术方案包括：
一种可预加剪应力的碾压混凝土高压水劈裂试验用试件，该试件具有一延伸方向，在该延伸方向具有依次设置的第一混凝土块、第二混凝土块、第三混凝土块和第四混凝土块，其中，第一混凝土块与第二混凝土块的接触面构成第一层面，第二混凝土块与第三混凝土块的接触面构成第二层面，第三混凝土块与第四混凝土块的接触面构成第三层面，该第二层面与该预定方向间具有一夹角α，该试件内部于该第二层面处具有一预设裂缝，该预设裂缝通过一接口通道与试件外部连通。
其中，该预设裂缝位于试件的第二混凝土块与第三混凝土块的接触面构成第二层面，且位于试件延伸方向的长度的中间部位，以使预设裂缝附近几乎不受试件两端的应力集中的影响。
其中，所述第一混凝土块与第四混凝土块为常态混凝土，所述第二混凝土块与第三混凝土块为碾压混凝土。
其中，所述试件的两端设有或不设连接装置，该连接装置设有露出试件外的连接部。所述连接装置为一端埋设于第一混凝土块和第四混凝土块中的锚杆。该露出试件外的连接部为螺纹段。
其中，所述试件整体呈圆柱体。所述预设裂缝优选为圆形。
一种试件制备用装置，其包括：
壳模，具有容置空间，供制备上述任一种试件用的常态混凝土和碾压混凝土填入其中，该容置空间具有一延伸方向；
夯实设备，具有用于夯实壳模的容置空间中的碾压混凝土的底板，该底板具有一斜面，该斜面与该延伸方向间具有一夹角α。
其中，所述壳模整体呈筒状，其底端呈封闭状，其封闭状的底端的内底部设有底盖。
其中，所述底盖设有或不设若干通孔，通孔供锚杆穿设。所属锚杆靠近壳模内底部的一侧设有螺纹段和与螺纹段配合的螺母。
其中，所述底盖与壳模内底部之间设有垫块。该垫块与底盖为一整体，对应底盖中部设置，若干锚杆环绕该垫块设置。
其中，所述壳模的顶端呈开口状，其开口状的顶端内部设有或者不设顶盖。所述顶盖设有若干通孔，供锚杆穿设。锚杆露出的一端设有螺纹段和与螺纹段配合的螺母。
其中，所述夯实设备为实验室用于压实碾压混凝土的振动压实成型仪。
其中，所述壳模为钢模，整体呈圆柱体。
一种试件制备方法，其包括步骤：
S1、将底盖、垫块、锚杆组装于壳模内底部，使底盖垂直于壳模的容置空间的延伸方向；
S2、步骤S1之后，在壳模的容置空间中填入第四混凝土，其为常态混凝土，将其振捣密实，并于其顶端形成一与所述延伸方向呈夹角α的斜面，优选为至淹没锚杆；
S3、步骤S2之后，再填入预定厚度的第三混凝土，其为碾压混凝土，并于其顶端形成一与所述延伸方向呈夹角α的斜面；再利用夯实设备夯实，即用夯实设备的底板的斜面接触第三混凝土的顶端的斜面夯实；
S4、步骤S3之后，在第三混凝土的顶端面，铺设预设裂缝；
S5、步骤S4之后，再填入预定厚度的第二混凝土，其为碾压混凝土，并于其顶端形成一与所述延伸方向呈夹角α的斜面；再利用夯实设备夯实，即用夯实设备的底板的斜面接触第二混凝土的顶端的斜面夯实；
S6、步骤S5之后，再填入第一混凝土，其为常态混凝土，填至壳模的顶端开口，将混凝土振捣密实，再于其顶端盖上带有锚杆的顶盖。
S7，步骤S6之后，试件静止预定的时间后，优选试件原地静止一周，再拆除壳模，再测试试件的预设裂缝是否进水通畅，确定通畅后，将水管的进水口封堵。在顶盖和/或底盖的锚杆的螺纹涂防护油，之后将试件运至养护室，养护至预定龄期。
其中，步骤S1至S7制作的试件的两端设有连接装置，如果制作的试件两端不设连接装置，则在步骤S1中，只将底盖、垫块组装于壳模内底部，而且步骤S6中，不需要于其顶端盖上带有锚杆的顶盖，其余的步骤则与上述步骤相同。
一种可预加剪应力的碾压混凝土高压水劈裂试验方法，其利用上述任一种试件进行试验，其包括步骤：
对试件的两端施加恒定拉力/压力，该拉力/压力通过倾斜的第二层面转化为剪力作用，按照预定的步长在预设裂缝处通入预定压力的水，并监测水压力，发生水力劈裂时，测得的水压力的最高值即为劈裂时的水压力。
所述的试验方法，其还包括步骤：试验前首先对测试相应材料的强度，通过有限元计算，预估试件的劈裂水压，据此确定水压的加压步长和阙值。
所述的试验方法，其还包括步骤：利用试件两端的锚杆与单轴试验机的锚栓连接，将试件安装在单轴试验机上，利用单轴试验机对试件施加恒定拉力；或者对于不设锚杆的试件，将试件直接安装在单轴试验机上，利用单轴试验机对试件施加恒定压力；该拉力/压力通过倾斜角α的层面转化为剪力作用。
所述的试验方法，其还包括步骤：在加压过程中观察试件表面有无漏水情况，并记录压力表的读数有无骤降现象，据此判断水力劈裂是否发生。
本发明的有益效果是：
本发明的可预加剪应力的碾压混凝土高压水劈裂试验用试件，其可以考虑剪应力的影响，从而可以更真实、有效地模拟碾压混凝土高坝碾压层面在高压水作用下的工作工况；
本发明的试件制备用装置及试件制备方法，其可供制备可预加剪应力的碾压混凝土高压水劈裂试验用试件，且可以使试件的制备简单、可靠；
本发明的可预加剪应力的碾压混凝土高压水劈裂试验方法，其可以考虑剪应力的影响，从而可以更真实、有效地模拟碾压混凝土高坝层间缝在高压水作用下的工作工况，且方法简单、可行。
附图说明
图1为本发明预加剪应力状态下碾压混凝土构件高压水劈裂模拟实验的试验原理示意图；
图2为本发明一个实施例的可预加剪应力的碾压混凝土高压水劈裂试验用试件的结构示意图(同时示出了制备该试件用的模具，即模具拆除前的状态)。
【主要元件符号说明】
(1)圆柱体钢模，(2)预设裂缝，(3)碾压混凝土层面，(4)锚杆，(5)垫块，(6)螺栓，(7)螺母，(8)上层常态混凝土，(9)上层碾压混凝土，(10)下层碾压混凝土，(11)下层常态混凝土。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式对本发明作详细说明。
参见图1，本发明的试验原理图，其通过在试件中设置预设斜裂缝，将单轴试验机提供的拉压荷载转化为剪应力，在一定的预加剪应力之下，向试件中通入高压水进行试验，以模拟碾压混凝土高坝层间缝在高压水作用下的工作工况。
参见图2，本发明一个实施例的可预加剪应力的碾压混凝土高压水劈裂试验用试件，其包括三个圆柱体钢模1，三个圆柱体钢模1两两之间通过螺栓连接构成一个整体的筒状模具。模具内灌注碾压混凝土和常态混凝土，包括中部的两层碾压混凝土9、10和两端的两层常态混凝土8、11，得到混凝土构件(即所述试件)，混凝土构件中间浇筑成斜面状态，并且在两层碾压混凝土的接触斜面处(即碾压混凝土层面3)预设1根高压水管。
具体的，所述试件整体呈圆柱体状，底面直径450mm，高度1350mm，其上下两端为常态混凝土8、11，且上下两端的常态混凝土8、11中埋设有8根锚杆4，锚杆4露出的一端设有螺纹(优选为设成一螺栓6)，螺纹处螺合有螺母7；试件的中部设有两层碾压混凝土9、10，两层碾压混凝土9、10之间，以及其与上下两端的常态混凝土8、11之间形成三处45°的斜面，两层碾压混凝土9、10为150mm厚，即相邻斜面间的间距为150mm，并且在两层碾压混凝土9、10之间的斜面处(即碾压混凝土层面3)设有预设裂缝2，该预设裂缝2恰位于试件的整体长度的中间位置，该预设裂缝2通过一预先埋设于其中的高压水管与外部连通，以向其中输入试验用的高压水。
其中，其模具包括三个规格为Φ450mm×450mm的圆柱体钢模1，该三个规格为Φ450mm×450mm的圆柱体钢模1两两之间通过4个螺栓连接。其位于顶端的一个圆柱体钢模两端呈开口状，且于顶侧设有顶盖，顶盖上环设有8个通孔，供穿设锚杆；其位于底端的一个圆柱体钢模一端(即底端)呈封口状，该封口状的底端的内底面设有底盖，底盖上环设有8个通孔，供穿设锚杆，底盖的中部与内底面之间设有垫块5；其位于中部的，一个圆柱体钢模两端呈开口状，且于侧壁设有侧开口，以供高压水管设置。
其中，所述混凝土试件的制备包括：
制备Φ450mm×1350mm的圆柱形试件需3个Φ450mm×450mm的圆柱形试模。裂缝设置在试件长度的中间部位，从而使裂缝附近几乎不受两端应力集中的影响。由于在试件中间部位成一45°斜缝，将Φ3mm-6mm高压水管置于试件中间，沿斜裂缝敷设伸出试件。
具体的，成缝构件的制作有以下几个要点：
①将带有6个锚杆的底盖置于Φ450mm×1350mm圆柱形模内，使底盖下端螺栓高度低于钢制垫块，保证底盖处于水平状态；
②往试模里加入全级配常态混凝土淹没锚杆，再在在斜面处加上层厚为150mm的碾压混凝土。用改装的45°倾斜底板的振动碾夯实；
③沿夯实面椭圆长轴方向铺设一条高压水管，并做好保护措施(包括管嘴用塑料纸堵上，防止异物进入)，水管其余部分沿圆柱形模具壁面伸出；
④再往铺设水管的碾压混凝土层面浇筑一层层厚为150mm的碾压混凝土，并用上述振动碾夯实；
⑤在上述碾压混凝土层面浇筑常态混凝土至圆柱形模顶端，用振捣棒振捣密实，并盖上带有6个锚杆的顶盖；
⑥试件原地静置一周后，拆模，测试试件是否进水通畅，确定进水通畅后，将进水口封堵保护，锚杆6的螺丝上涂一层黄油，进行防锈保护。试件小心运至养护室，养护至相应龄期。
具体的，所述试件的试验方法包括：
试件安装——将试件安装在万能试验机上，将上下锚杆6与万能试验机的锚栓连接，准备开始试验；
水压加压——试验前首先对测试相应材料的强度，通过有限元计算，预估试件的劈裂水压，据此确定水压的加压步长和阀值；
万能试验机对试件施加恒定拉力——该拉力通过45°碾压混凝土的层面转化为剪力作用，在高压水管中按照一定的步长通入高压水，在整个试验过程中仔细观察试件表面有无漏水情况，并记录压力表的读数有无骤降现象，据此判断水力劈裂是否发生，压力表所达到的最高值就是劈裂时候的水压力。
综上所述，本发明基于传统高压水劈裂模拟实验设计方法和装置常只针对单轴受拉压条件下的混凝土试件进行高压水劈裂试验且难以考虑剪应力影响的不足，研究和开发的可预加剪应力的碾压混凝土高压水劈裂试验用试件及试验方法，其可以考虑剪应力的影响，从而可以更真实、有效地模拟碾压混凝土高坝层间缝在高压水作用下的工作工况，且方法简单、可行；
本发明的试件制备用装置及制备方法，其可供制备可预加剪应力的碾压混凝土高压水劈裂试验用试件，且可以使试件的制备简单、可靠。

Claims (13)

1.一种试件制备用装置，其特征在于，其包括：壳模，具有容置空间，供制备可预加剪应力的碾压混凝土高压水劈裂试验用试件用的常态混凝土和碾压混凝土填入其中，该容置空间具有一延伸方向；还包括夯实设备，具有用于夯实壳模的容置空间中的碾压混凝土的底板，该底板具有一斜面，该斜面与该延伸方向间具有一夹角α；其中，所述碾压混凝土高压水劈裂试验用试件具有一延伸方向，在该延伸方向具有依次设置的第一混凝土块、第二混凝土块、第三混凝土块和第四混凝土块，其中，第一混凝土块与第二混凝土块的接触面构成第一层面，第二混凝土块与第三混凝土块的接触面构成第二层面，第三混凝土块与第四混凝土块的接触面构成第三层面，该第二层面与该延伸方向间具有一夹角α，该试件内部于该第二层面处具有一预设裂缝，该预设裂缝通过一接口通道与试件外部连通。
2.如权利要求1所述的试件制备用装置，其特征在于：所述壳模整体呈筒状，其底端呈封闭状，其封闭状的底端的内底部设有底盖，所述底盖设有或不设若干通孔，通孔供锚杆穿设，所述锚杆靠近壳模内底部的一侧设有螺纹段和与螺纹段配合的螺母，所述底盖与壳模内底部之间设有垫块，该垫块与底盖为一整体，对应底盖中部设置，若干锚杆环绕该垫块设置。
3.如权利要求1所述的试件制备用装置，其特征在于：所述壳模的顶端呈开口状，其开口状的顶端内部设有或者不设顶盖，所述顶盖设有若干通孔，供锚杆穿设，锚杆露出的一端设有螺纹段和与螺纹段配合的螺母。
4.如权利要求1所述的试件制备用装置，其特征在于：所述夯实设备为实验室用于压实碾压混凝土的振动压实成型仪，所述壳模为钢模，整体呈圆柱体。
5.如权利要求1所述的试件制备用装置，其特征在于：所述预设裂缝位于试件的第二混凝土块与第三混凝土块的接触面构成的第二层面，且该预设裂缝位于试件延伸方向的长度的中间部位。
6.如权利要求1所述的试件制备用装置，其特征在于：所述第一混凝土块与第四混凝土块为常态混凝土，所述第二混凝土块与第三混凝土块为碾压混凝土。
7.如权利要求1所述的试件制备用装置，其特征在于：所述试件的两端设有或不设连接装置，该连接装置设有露出试件外的连接部，所述连接装置为一端埋设于第一混凝土块和第四混凝土块中的锚杆，该露出试件外的连接部为螺纹段。
8.如权利要求1所述的试件制备用装置，其特征在于：所述试件整体呈圆柱体，所述预设裂缝为圆形。
9.一种试件制备方法，其特征在于，利用权利要求1至8中任一项所述的试件制备用装置制备试件，其包括步骤：
S1、将底盖、垫块、锚杆组装于壳模内底部，使底盖垂直于壳模的容置空间的延伸方向；
S2、步骤S1之后，在壳模的容置空间中填入第四混凝土，其为常态混凝土，将其振捣密实，并于其顶端形成一与所述延伸方向呈夹角α的斜面；
S3、步骤S2之后，再填入预定厚度的第三混凝土，其为碾压混凝土，并于其顶端形成一与所述延伸方向呈夹角α的斜面；再利用夯实设备夯实，即用夯实设备的底板的斜面接触第三混凝土的顶端的斜面夯实；
S4、步骤S3之后，在第三混凝土的顶端面，铺设预设裂缝；
S5、步骤S4之后，再填入预定厚度的第二混凝土，其为碾压混凝土，并于其顶端形成一与所述延伸方向呈夹角α的斜面；再利用夯实设备夯实，即用夯实设备的底板的斜面接触第二混凝土的顶端的斜面夯实；
S6、步骤S5之后，再填入第一混凝土，其为常态混凝土，填至壳模的顶端开口，将混凝土振捣密实，再于其顶端盖上带有锚杆的顶盖；
S7、步骤S6之后，试件静止预定的时间后，再拆除壳模，再测试试件的预设裂缝是否进水通畅，确定通畅后，将水管的进水口封堵，在顶盖和/或底盖的锚杆的螺纹涂防护油，之后将试件运至养护室，养护至预定龄期；
其中，步骤S1至S7制作的试件的两端设有连接装置，如果制作的试件两端不设连接装置，则在步骤S1中，只将底盖、垫块组装于壳模内底部，而且步骤S6中，不需要于其顶端盖上带有锚杆的顶盖，其余的步骤则与上述步骤相同。
10.一种可预加剪应力的碾压混凝土高压水劈裂试验方法，其特征在于，其利用可预加剪应力的碾压混凝土高压水劈裂试验用试件进行试验，其包括步骤：对试件的两端施加恒定拉力/压力，该拉力/压力通过倾斜的第二层面转化为剪力作用，按照预定的步长在预设裂缝处通入预定压力的水，并监测水压力，发生水力劈裂时，测得的水压力的最高值即为劈裂时的水压力；其中，所述碾压混凝土高压水劈裂试验用试件具有一延伸方向，在该延伸方向具有依次设置的第一混凝土块、第二混凝土块、第三混凝土块和第四混凝土块，其中，第一混凝土块与第二混凝土块的接触面构成第一层面，第二混凝土块与第三混凝土块的接触面构成第二层面，第三混凝土块与第四混凝土块的接触面构成第三层面，该第二层面与该延伸方向间具有一夹角α，该试件内部于该第二层面处具有一预设裂缝，该预设裂缝通过一接口通道与试件外部连通。
11.如权利要求10所述的可预加剪应力的碾压混凝土高压水劈裂试验方法，其特征在于其还包括步骤：试验前首先测试相应材料的强度，通过有限元计算，预估试件的劈裂水压，据此确定水压的加压步长和阙值。
12.如权利要求10所述的可预加剪应力的碾压混凝土高压水劈裂试验方法，其特征在于其还包括步骤：利用试件两端的锚杆与单轴试验机的锚栓连接，将试件安装在单轴试验机上，利用单轴试验机对试件施加恒定拉力；或者对于不设锚杆的试件，将试件直接安装在单轴试验机上，利用单轴试验机对试件施加恒定压力；该拉力/压力通过倾斜角α的层面转化为剪力作用。
13.如权利要求10所述的可预加剪应力的碾压混凝土高压水劈裂试验方法，其特征在于其还包括步骤：在加压过程中观察试件表面有无漏水情况，并记录压力表的读数有无骤降现象，据此判断水力劈裂是否发生。
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