CN106596908A - 混凝土等孔隙类材料的基质体积模量测定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混凝土等孔隙类材料的基质体积模量测定方法及装置，制备立方体孔隙类材料试件，并于其六个面上贴设应变片，将应变片经数据传输线连接数据采集器，试件放置于恒压箱中，恒压箱装满水，通过水压控制器抽取水压箱中的水以对恒压箱加水压，直至水压稳定为T，根据应变片采集的应变数据定时记录立方体孔隙类材料试件于三个方向的应变值，直至应变值稳定不变，将三个方向的应变值相加得到加和应变值，并得到稳定不变时的终加和应变值，根据终加和应变值及水压T，计算该孔隙类材料试件的基质体积模量。本发明可测定孔隙类材料的基质体积模量数值，测量结果准确真实，能够为水工结构工程的有效应力研究提供科学的数据基础。

Description

混凝土等孔隙类材料的基质体积模量测定方法及装置

技术领域

本发明涉及一种混凝土等孔隙类材料的基质体积模量测定方法及装置，属于水利水电工程技术领域。

背景技术

大坝等混凝土结构经常在水环境中工作，水压力是构成结构的主要荷载，因此对于混凝土结构的工作环境和荷载特点，对在水荷载下的混凝土应力特征分析是十分必要的。由于混凝土硬化过程中的化学反应作用，导致胶凝材料的体积变形，从而会形成大量的孔隙。这些孔隙的存在，对混凝土结构的力学特性会有很大的影响，导致混凝土的某些特性十分复杂。其中在水荷载计算中，1941年Biot提出了有效应力法，其中的有效系数决定了孔隙水压力对混凝土结构的应力场影响程度，该有效系数为β＝1-K/K_m，其中，K为宏观体积模量，其可通过三轴实验确定，K_m为基质体积模量，其是计算有效系数的重要因子，是求得有效系数的关键所在。

因应水工结构工程的需要，对于孔隙结构的基质体积模量研究于20世纪60年代得到了空前的发展和广泛的应用。到目前为止，国内外很多学者都对岩石、混凝土等孔隙类材料的基质体积模量进行研究，主要通过理论宏观三轴实验结合理论公式反推法、经验法、电磁波法等取得混凝土等孔隙类材料的基质体积模量。这些方法均是通过间接方法获得基质体积模量，对于混凝土等孔隙类材料的基质体积模量尚没有统一数值，因而对于混凝土结构的水荷载计算，难以保证结果的准确性和真实性。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种混凝土等孔隙类材料的基质体积模量测定方法及装置，基于有效应力理论，测定孔隙类材料的基质体积模量数值，测量结果准确真实，能够为水工结构工程的有效应力研究提供科学的数据基础。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种混凝土等孔隙类材料的基质体积模量测定装置，包括恒压箱、水压箱、水压控制器、立方体孔隙类材料试件，

立方体孔隙类材料试件的六个面上分别设置应变片，各应变片分别经相应的数据传输线与用于采集应变数据的数据采集器相连接，水压箱与恒压箱通过水压控制器相连接，

立方体孔隙类材料试件放置于恒压箱中，使得立方体混凝土试件的六个面上同时受到同样大小的水荷载，恒压箱装满水，通过水压控制器抽取水压箱中的水以对恒压箱加水压，直至水压稳定为T，根据应变片采集的应变数据定时记录立方体孔隙类材料试件于三个方向的应变值，直至应变值稳定不变，将三个方向的应变值相加得到加和应变值，并得到稳定不变时的终加和应变值，根据公式(1)计算该孔隙类材料试件的基质体积模量：

其中，ε为终加和应变值，T为水压T，K_m为基质体积模量。

进一步的，

所述三个方向的应变值是指，立方体孔隙类材料试件具有两两相对的三个对应面，每个对应面的两个面对应一个方向，每个对应面的两个面上的应变片所采集的应变数据相加除以二得到对应该方向上的应变值。

所述立方体孔隙类材料试件的长、宽、高均为150毫米，所述恒压箱的长、宽、高均为20厘米。

所述恒压箱上设有排气口与排水口。

一种混凝土等孔隙类材料的基质体积模量测定方法，包括步骤：

1)制备立方体孔隙类材料试件，于该试件的六个面上分别设置应变片，各应变片经数据传输线连接数据采集器；

2)将该试件置于恒压箱中，保证该试件的六个面上同时受到同样大小的水荷载；

3)将恒压箱中蓄满水并排净箱内空气，通过水压控制器抽取水压箱中的水以对恒压箱加压，对恒压箱加压到T后保持水压T；

4)每隔一定时间记录一次该试件于三个方向的应变值，直至三个方向的应变值于一定时间间隔内稳定无变化时，停止记录应变值；

5)将记录的三个方向的应变值相加得到加和应变值，得到稳定时的终加和应变值；

6)根据公式(2)，计算得到该试件的基质体积模量；

其中，ε为终加和应变值，T为水压T，K_m为基质体积模量。

进一步的，

所述三个方向的应变值是指，立方体孔隙类材料试件具有两两相对的三个对应面，每个对应面的两个面对应一个方向，每个对应面的两个面上的应变片所采集的应变数据相加除以二得到对应该方向上的应变值。

所述立方体孔隙类材料试件的长、宽、高均为150毫米，所述恒压箱的长、宽、高均为20厘米。

本发明的优点是：

本发明的混凝土等孔隙类材料的基质体积模量测定方法及装置，基于有效应力理论，通过试验建立孔隙压力及外荷载一致的条件，得到孔隙类材料的应变、基质体积模量、水压力三者之间的关系，测量孔隙类材料的应变值，然后利用三个参数的关系，得到孔隙类材料的基质体积模量数值，测量结果准确真实，能够为水工结构工程的有效应力研究提供科学的数据基础。

附图说明

图1是孔隙类材料的结构示意图。

图2是孔隙类材料的应力分解示意图。

图3是本发明的装置结构示意图。

图4是布设有应变片的孔隙类材料试件的结构示意图。

图5是利用本发明的方法及装置测定的应变与时间的曲线示意图。

图6是利用本发明的方法及装置测定的混凝土水压与终应变值的关系线图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

1、理论基础

基于Biot提出的有效应力法，获得进行试验的理论基础。

如图1、2所示，孔隙类材料在水环境中的受力可分解为两部分：各方向受力均匀的孔隙水压力(外部为均匀水压p，内部为孔隙均匀压力p)，及扣除静水压力后的压力部分，即：

σ′_ii＝σ-p，σ_ii＝σ′_ii+p i＝1，2，3

τ_ij＝τ′_ij i，j＝1，2，3，i≠j (1)

ε_ii＝ε′_ii+ε″_ii i＝1，2，3

γ_ij＝γ′_ij+γ″_ij i，j＝1，2，3，i≠j (2)

其中：σ_ii，τ_ij为总的正应力和剪应力，p为孔隙水压力，σ′_ii，τ′_ij为扣除孔隙水压力后的应力部分，ε_ii，γ_ij为总的正应变和剪应变，ε′_ii，γ′_ij为扣除孔隙水压力后的应变部分，ε″_ii，γ″_ij为水压力引起的应变部分，K_m为基质体积模量；

上述公式(1)-(4)为现有的张量计算公式，其中的下标i、j、k满足张量的定义及运算原理。

E、μ、K分别为包含了孔隙、裂隙等总体材料的宏观等效弹性模量、泊松比和体积变形模量，三种力学参数满足公式：

根据公式(2)、(3)、(4)，可得：

当孔隙类材料的孔隙压力及外荷载均为T时，公式(6)中的σ_ii、σ_jj、σ_kk、p取值均为T，公式(6)中的第一项式变为：

根据公式(7)，建立试验条件，使得孔隙类材料试件的孔隙压力及外荷载均为T，然后测量得到试件的应变值和水压值T，就可以得到孔隙类材料试件的基质体积模量K_m。

2、方法及装置

如图3、4所示，基于上述理论基础，本发明公开的混凝土等孔隙类材料的基质体积模量测定装置，包括恒压箱1、水压箱2、水压控制器3、立方体孔隙类材料试件4，立方体孔隙类材料试件4的六个面上分别设置应变片51、52、53、54、55、56，六个应变片分别经数据传输线6与一数据采集器相连接，应变片采集的应变数据经数据传输线传输至数据采集器，实现试验数据的采集；水压箱2与恒压箱1通过水压控制器3相连接，通过水压控制器3调节并测量水压箱2向恒压箱1施加的水压力。恒压箱1上设有排气口7，底端设有排水口8。

利用上述装置，测定混凝土等孔隙类材料的基质体积模量的方法是：

1)制备立方体孔隙类材料试件；于一具体实施例中，制备立方体混凝土试件，立方体混凝土试件的体积为150×150×150mm³，在立方体混凝土试件的六个面上贴设应变片，并将各应变片经相应的数据传输线与数据采集器相连接；

2)将立方体混凝土试件置于恒压箱的试件位置处，需要保证立方体混凝土试件的六个面上同时受到同样大小的水荷载；

本实施例中，恒压箱的长、宽、高均为20厘米左右，恒压箱装满水的状态下，对其中的混凝土试件的水压很小而可以忽略不计。

3)将恒压箱中蓄满水并排净箱内空气，通过水压控制器抽取水压箱中的水以对恒压箱加压，将恒压箱加压到T(单位为Mpa)后保持水压值为T(Mpa)；

本实施例中，为便于计算，设定T＝2Mpa，即将恒压箱加压至2Mpa，并保持水压值2Mpa。

4)恒压箱加压恒定后，开始记录混凝土试件于三个方向的应变值，每隔一定时间记录一次三个方向的应变值；当三个方向的应变值于一定时间间隔之内不发生变化时，停止记录应变值。

立方体混凝土试件具有两两相对的三个对应面，每个对应面的两个面对应一个方向，三个对应面对应三个方向，每个对应面的两个面上的应变片(51与52、53与54、55与56)所采集的应变数据相加除以二得到对应该方向上的应变值。

5)将记录的三个方向的应变值相加得到加和应变值ε，绘制加和应变值ε与时间t之间的ε-t关系曲线图(如图5)，从ε-t关系曲线图中得到初始应变值ε₀和最终稳定的终应变值ε_t；

6)将三个方向的应变值相加得到的加和应变值ε代入公式(7)，得到：

将已知的水压T和终应变值ε_t代入公式(8)，计算得到该混凝土试件的基质体积模量K_m(如图6)。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.混凝土等孔隙类材料的基质体积模量测定装置，其特征在于，包括恒压箱、水压箱、水压控制器、立方体孔隙类材料试件，

立方体孔隙类材料试件的六个面上分别设置应变片，各应变片分别经相应的数据传输线与用于采集应变数据的数据采集器相连接，水压箱与恒压箱通过水压控制器相连接，

立方体孔隙类材料试件放置于恒压箱中，使得立方体混凝土试件的六个面上同时受到同样大小的水荷载，恒压箱装满水，通过水压控制器抽取水压箱中的水以对恒压箱加水压，直至水压稳定为T，根据应变片采集的应变数据定时记录立方体孔隙类材料试件于三个方向的应变值，直至应变值稳定不变，将三个方向的应变值相加得到加和应变值，并得到稳定不变时的终加和应变值，根据公式(1)计算该孔隙类材料试件的基质体积模量：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{T}{K_m}---\left(1\right)$

其中，ε为终加和应变值，T为水压T，K_m为基质体积模量。

2.根据权利要求1所述的混凝土等孔隙类材料的基质体积模量测定装置，其特征在于，所述三个方向的应变值是指，立方体孔隙类材料试件具有两两相对的三个对应面，每个对应面的两个面对应一个方向，每个对应面的两个面上的应变片所采集的应变数据相加除以二得到对应该方向上的应变值。

3.根据权利要求1所述的混凝土等孔隙类材料的基质体积模量测定装置，其特征在于，所述立方体孔隙类材料试件的长、宽、高均为150毫米，所述恒压箱的长、宽、高均为20厘米。

4.根据权利要求1所述的混凝土等孔隙类材料的基质体积模量测定装置，其特征在于，所述恒压箱上设有排气口与排水口。

5.混凝土等孔隙类材料的基质体积模量测定方法，其特征在于，包括步骤：

1)制备立方体孔隙类材料试件，于该试件的六个面上分别设置应变片，各应变片经数据传输线连接数据采集器；

2)将该试件置于恒压箱中，保证该试件的六个面上同时受到同样大小的水荷载；

3)将恒压箱中蓄满水并排净箱内空气，通过水压控制器抽取水压箱中的水以对恒压箱加压，对恒压箱加压到T后保持水压T；

4)每隔一定时间记录一次该试件于三个方向的应变值，直至三个方向的应变值于一定时间间隔内稳定无变化时，停止记录应变值；

5)将记录的三个方向的应变值相加得到加和应变值，得到稳定时的终加和应变值；

6)根据公式(2)，计算得到该试件的基质体积模量；

$\mathrm{\ϵ}=\frac{T}{K_m}---\left(1\right)$

其中，ε为终加和应变值，T为水压T，K_m为基质体积模量。

6.根据权利要求5所述的混凝土等孔隙类材料的基质体积模量测定方法，其特征在于，所述三个方向的应变值是指，立方体孔隙类材料试件具有两两相对的三个对应面，每个对应面的两个面对应一个方向，每个对应面的两个面上的应变片所采集的应变数据相加除以二得到对应该方向上的应变值。

7.根据权利要求5所述的混凝土等孔隙类材料的基质体积模量测定方法，其特征在于，所述立方体孔隙类材料试件的长、宽、高均为150毫米，所述恒压箱的长、宽、高均为20厘米。