CN111896384B - 一种三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置及试验方法 - Google Patents

一种三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置及试验方法，包括三轴加载系统、水密封装置、水压加载系统和声发射测试系统；水密封装置包括两块密封钢板、T型凸槽、T型密封垫、进水孔和出水孔；两块密封钢板贴合在混凝土构件的前后侧面，且均设置有T型凸槽，T型凸槽分别与预制裂缝连通；在每个T型凸槽内各密封配合一个T型密封垫；每个T型密封垫内均设有L型预留孔；水压加载系统用于向预制裂缝内施加0~400m的高压水头；声发射测试系统用于监测混凝土构件水力劈裂过程中，预制裂缝发展变化的声发射信号。本发明能够简化试验操作过程并能有效监测劈裂经时过程，同时实现三轴应力下混凝土构件水力劈裂研究，贴近实际工程情况。

Description

一种三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及水利工程和岩土工程大型混凝土建筑物模拟试验技术领域，特别是一种三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置及试验方法。
背景技术
混凝土材料是目前工程广泛使用的建筑材料，由于受施工、温度、材料性质、环境因素等的影响，其内部不可避免的存在许多微裂缝和孔隙。当遭遇高水头情况时，高渗透压作用极易使混凝土内的微裂隙和孔隙等缺陷进一步发育、扩展延伸，形成宏观大裂缝，从而产生水力劈裂现象，若加之后期维护不当，将会导致结构承载力和稳定性显著下降，甚至产生灾难性事故。诸如，奥地利Kolnbrein拱坝防渗帷幕在高渗透压力作用下产生贯通性裂缝，导致大坝在蓄水过程中出现严重渗漏灾害。我国潘家口水库蓄水过程中由于41#坝段贯穿性裂缝的存在，引起坝基扬压力系数过大，渗漏问题严重，水库运行水位被迫限制降低。鉴于此，开展混凝土水力劈裂特性和机理进行深入研究对混凝土结构抗劈裂设计具有重要的指导意义。
现阶段，已有学者采用厚壁圆柱试样和楔入劈拉试样形式，利用室内试验设备开展混凝土水力劈裂试验，并获得了许多研究成果。然而，由于如下原因，未能得到广泛推广。
一、当采用厚壁圆柱试样开展室内混凝土水力劈裂试验时，存在如下缺陷：
1、无法真实反映实际工程中混凝土结构初始裂缝受渗透水压作用发生水力劈裂现象。
2、受试样形式的限制不能有效观测劈裂的经时过程。
二、当采用楔入劈拉试样开展室内混凝土水力劈裂试验时，存在如下缺陷：
1、对水密封装置的要求较高，一旦有一个接触面密封效果不好，则无法开展高水压下混凝土构件水力劈裂试验。
2、受水密封装置的限制，无法开展复杂应力下混凝土构件水力劈裂试验研究，而实际工程中大部分混凝土结构处于三向应力状态，因而采用楔入劈拉试样形式存在一定的局限性。
此外，采用大型真三轴试验设备可以实施三轴应力状态下混凝土构件水力劈裂问题研究，但该试验设备占用空间较大，操作繁琐，成本较高，不易实现三轴应力条件下混凝土构件水力劈裂试验的广泛推广。
鉴于此，为进一步研究混凝土构件水力劈裂问题，有必要提出一种三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置和试验方法，用于解决高水压下混凝土水力劈裂试验中劈裂过程难以监测，水密封装置存在局限性，现有常规三轴试验装置操作繁琐、占用物理空间较大、成本较高等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置及试验方法，该三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置及试验方法能够简化试验操作过程并能有效监测劈裂经时过程，同时实现三轴应力下混凝土构件水力劈裂研究，贴近实际工程情况。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置，包括三轴加载系统、水密封装置、水压加载系统和声发射测试系统。
混凝土构件具有前后向贯通的预制裂缝。
三轴加载系统用于向混凝土构件施加左右向荷载、前后向荷载和竖向荷载。
水密封装置包括两块密封钢板、T型凸槽、T型密封垫、进水孔和出水孔。两块密封钢板贴合在混凝土构件的前后侧面，T型凸槽设置在两块密封钢板的中部，并分别与预制裂缝相连通。每个T型凸槽均包括一体设置的板形槽和杆形槽，其中，板形槽朝向混凝土构件。
在其中一个T型凸槽一侧的密封钢板上设置进水孔。另一个T型凸槽一侧的密封钢板上设置出水孔。
在每个T型凸槽内各密封配合一个T型密封垫。每个T型密封垫内均设置有L型预留孔。L型预留孔的一端与预制裂缝相连通，另一端与进水孔或出水孔相连通。
水压加载系统，分别与进水孔和出水孔相连通，用于向预制裂缝内施加0~400m的高压水头。
声发射测试系统包括若干个声发射传感器，用于监测混凝土构件水力劈裂过程中，预制裂缝发展变化的声发射信号。
还包括试样模具，试样模具包括底板、四块侧板和钢片。底板放置在底座上，四块侧板可拆卸式围合在底板四周，并形成立方体空腔，用于浇筑立方体的混凝土构件。
试样模具的前侧板和后侧板均设置有裂缝预留孔，用于插设钢片，从而形成混凝土构件的预制裂缝。
水密封装置还包括螺杆和螺母，两块密封钢板通过若干根螺杆和若干个螺母相连接，从而密封贴合在混凝土构件的前后侧面。
三轴加载系统包括左右向加载机构、前后向加载机构和竖向加载机构，分别用于施加左右向荷载、前后向荷载和竖向荷载。其中，左右向加载机构和前后向加载机构均包括反力架、钢性凸块、自锁式千斤顶。在混凝土构件的左右侧面各设置一块左右向加载板。
反力架架设在混凝土构件的左右或前后两侧。钢性凸块和自锁式千斤顶均安装在反力架上，另一端分别与两块左右向加载板或两块密封钢板相接触。
通过自锁式千斤顶的水平向伸缩，实现左右向荷载或前后向荷载的施加。
竖向加载机构包括竖向加载头、伺服压力机和竖向钢垫板。竖向钢垫板放置在混凝土构件的顶面。竖向加载头能在伺服压力机的驱动下，实现竖向升降滑移，从而对混凝土构件施加竖向荷载。
每个T型密封垫均包括一体设置的T型头部和T型杆部，其中，T型头部与T型凸槽的板形槽相配合，T型杆部与T型凸槽的杆形槽相配合。
T型头部的厚度小于板形槽的厚度，T型头部、板形槽和预制裂缝之间形成集水腔。
声发射测试系统包括八个声发射传感器。每个T型凸槽两侧的密封钢板上均对称布设四个传感器安装孔，每个传感器安装孔内安装一个声发射传感器。
一种三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验方法，包括如下步骤。
步骤1，制备混凝土构件：制备完成的混凝土构件呈立方体，且具有贯通的预制裂缝。
步骤2，组装三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置：将步骤1-8任一项所述的三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置进行组装。组装时，将T型密封垫密封充填在两个T型凸槽内，T型密封垫的T型头部、T型凸槽的板形槽和混凝土构件之间形成集水腔。
步骤3，三轴加载：根据设置要求，对混凝土构件施加单轴、双轴或三轴向力。
步骤4，注入高压水：在达到预定轴向加载力后，开启水压加载系统，向进水孔注入0~400m的高压水头。高压水头依次经过进水孔和相连的集水腔后，进入预制裂缝。
步骤5，观测劈裂的经时过程：在注入高压水的同时，开启声发射测试系统，声发射传感器实时监测预制裂缝的发展变化的声发射信号，直至混凝土构件发生水力劈裂破坏，从而实现整个水力劈裂过程的经时监测。
步骤1中，混凝土构件的制备方法，包括如下步骤：
步骤11，组装试样模具：将试样模具的底板放置在底座上，将试样模具的四块侧板可拆卸式连接在底板四周，形成立方体空腔。并使得前侧板和后侧板含有裂缝预留孔。接着，将钢片前后贯通式插设在两个裂缝预留孔中。
步骤12，混凝土浇筑：将设定配合比的混凝土材料浇筑在步骤11形成的立方体空腔中，并振捣成型。
步骤13，形成混凝土构件：待成型的混凝土初凝时，拔出钢片。24h后，拆除试样模具中的四块侧板，养护，形成含有前后向贯通预制裂缝的混凝土构件。
本发明具有如下有益效果：
1、结构简单，操作便捷，占用物理空间较小。
2、利用硅胶良好的压缩性能，制备T型硅胶垫，并在前密封钢板和后密封钢板中设置与T型硅胶垫相匹配的T型凸槽实现密封效果，克服了传统混凝土构件水力劈裂无法密封高压水的缺陷。密封钢板内设有弯折的L型预留孔，分别连接水孔和排水孔，实现了现有水密封装置受装置的限制，无法实现三轴方向施加水压力的缺陷。
3、前密封钢板和后密封钢板中按照预设位置设有与声发射传感器配套的传感器安装孔，通过声发射传感器可以实时监测水压作用时，混凝土构件中预制裂缝扩展的过程，实现了水力劈裂过程中微裂隙扩展过程中应力和位移变化情况不可监测的难题。
4、本发明所提供的三轴加载系统，能实现单轴、双轴和三轴应力条件，具有广泛的推广意义；本发明所述的三轴加载系统、水压加载系统和声发射测试系统为独立测试系统，可独立进行试验。
附图说明
图1显示了本发明一种三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置的结构示意图。
图2显示了本发明中试样模具的结构示意图。
图3显示了本发明中前后向加载机构以及水密封装置的结构示意图。
图4显示了本发明中T型密封垫的结构示意图。
其中有：
10.试样模具；11.立方体空腔；12.裂缝预留孔；
20.三轴加载系统；
211.钢性凸块；212.自锁千斤顶；213.反力架；214.左右向加载板；
221.前密封钢板；222.后密封钢板；223.螺杆；224.螺母；
231.竖向加载头；232.伺服压力机；233.底座；234.竖向钢垫板；
30.水密封装置；31.T型凸槽；32.T型密封垫；321.T型头部；322.T型杆部；323.L型预留孔；33.进水孔；34.出水孔；
40.水压加载系统；41.电调压力水泵；42.步进电机驱动器；43.回水箱；44.耐高压导水管；
50.声发射测试系统；51.声发射传感器；52.传感器安装孔；53.传感器导线孔；54.信号调理器；55.信号采集系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置，包括试样模具10、三轴加载系统20、水密封装置30、水压加载系统40和声发射测试系统50。
如图2所示，试样模具包括底板、四块侧板和钢片。底板优选放置在如下的底座233上，四块侧板可拆卸式围合在底板四周，并形成立方体空腔11，用于浇筑立方体的混凝土构件。
四块侧板分别为前侧板、后侧板、左侧板和右侧板。其中，前侧板和后侧板均设置有裂缝预留孔12，用于插设钢片，从而形成混凝土构件的预制裂缝。
每个裂缝预留孔的长均优选为50mm，厚均优选为2mm。
三轴加载系统包括左右向加载机构、前后向加载机构和竖向加载机构，分别向混凝土构件施加左右向荷载、前后向荷载和竖向荷载。
本实施例中，以左右方向作为左右向，前后方向作为前后向，上下方向作为竖向。具体可以根据实际情况进行调整。
左右向加载机构和前后向加载机构均优选包括钢性凸块211、自锁式千斤顶212、反力架213。下面以左右向加载机构为例进行详细说明。
在混凝土构件的左右两侧各固定一块左右向加载板214，两块左右向加载板214可以通过连接螺杆和连接螺母进行连接固定。
反力架包括均固定在底座上的左反力钢板和右反力钢板，左反力钢板和右反力钢板均优选通过若干根加载螺杆和加载螺母相连接。
钢性凸块和自锁式千斤顶分别位于混凝土构件的左右两侧。
钢性凸块在左右向位置固定，其左端安装在左反力钢板上，右端与左右向加载板相接触。
自锁式千斤顶能沿左右向伸缩，其右端安装在右反力钢板上，左端设置与左右向加载板相接触。
竖向加载机构包括竖向加载头213、伺服压力机232、底座233和竖向钢垫板234。
竖向钢垫板放置在混凝土构件的顶面。
竖向加载头能在伺服压力机的驱动下，实现竖向升降滑移，从而对混凝土构件施加竖向力。伺服压力机优选安装在底座上。
作为替换，左右向加载机构、前后向加载机构和竖向加载机构也可为现有技术中已知的其他加载机构。
如图1和图3所示，水密封装置优选包括两块密封钢板、T型凸槽31、T型密封垫32、进水孔33和出水孔34。
两块密封钢板贴合在混凝土构件前后侧面，分别为前密封钢板221和后密封钢板222，两块密封钢板通过若干根螺杆223（优选为4根）和若干个螺母224相连接，从而密封贴合在混凝土构件的前后侧面。
T型凸槽设置在两块密封钢板的中部，并分别与预制裂缝相连通。
每个T型凸槽均包括一体设置的板形槽和杆形槽，其中，板形槽朝向混凝土构件。
在其中一个T型凸槽一侧的密封钢板（如前密封钢板）上设置进水孔。另一个T型凸槽一侧的密封钢板（如后密封钢板）上设置出水孔。
在每个T型凸槽内各密封配合一个T型密封垫。T型密封垫优选为T型硅胶垫，但也可以采用其他弹性材质制成。
如图4所示，每个T型密封垫均优选包括T型头部321、T型杆部322和L型预留孔323。
T型头部和T型杆部优选一体成型，T型头部与T型凸槽的板形槽相配合，T型杆部与T型凸槽的杆形槽相配合。T型头部的厚度小于板形槽的厚度，优选相差2mm。T型头部、板形槽和混凝土构件之间形成深度优选为2mm的集水腔。
上述L型预留孔的一端与预制裂缝相连通，另一端与进水孔或出水孔相连通。
水压加载系统，分别与进水孔和出水孔相连通，用于向预制裂缝内施加0~400m的高压水头。水压加载系统优选包括电调压水泵41、步进电机驱动器42、回水箱43和耐高压导水管44。电调压力泵可提供0~400m的高压水头；利用步进电机驱动器控制电调压力泵给试件提供恒定加载速率的水压，耐高压水管连接水密封装置。
声发射测试系统用于监测混凝土构件水力劈裂过程中，预制裂缝发展变化的声发射信号。
声发射测试系统优选包括声发射传感器51、传感器安装孔52、传感器导线孔53、信号调理器54和信号采集系统55等。
声发射传感器51优选为八个。
每个T型凸槽两侧的前密封钢板和后密封钢板上均对称布设四个传感器安装孔，每个传感器安装孔内安装一个声发射传感器，每个声发射传感器的导线均从内置在前密封钢板或后密封钢板中的传感器导线孔中穿过，并与信号采集系统相连接，信号采集系统与信号调理器相连接。
进一步，声发射传感器外侧优选套设橡胶套筒后放置在传感器安装孔内。
一种三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验方法，包括如下步骤。
步骤1，制备混凝土构件：制备完成的混凝土构件呈立方体，且具有贯通的预制裂缝。
上述混凝土构件的制备方法，优选包括如下步骤。
步骤11，组装试样模具：将试样模具的底板放置在底座上，将试样模具的四块侧板可拆卸式连接在底板四周，形成立方体空腔。并使得前侧板和后侧板含有裂缝预留孔。接着，将钢片前后贯通式插设在两个裂缝预留孔中。
步骤12，混凝土浇筑：将设定配合比的混凝土材料浇筑在步骤11形成的立方体空腔中，并振捣成型。
步骤13，形成混凝土构件：待成型的混凝土初凝时，拔出钢片。24h后，拆除试样模具中的四块侧板，养护，形成含有前后向贯通预制裂缝的混凝土构件。
步骤2，组装三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置：将三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置进行组装。组装时，将T型密封垫密封充填在两个T型凸槽内，T型密封垫的T型头部、T型凸槽的板形槽和混凝土构件之间形成集水腔。
步骤3，三轴加载：根据设置要求，对混凝土构件施加单轴、双轴或三轴向力。
步骤4，注入高压水：在达到预定轴向加载力后，开启水压加载系统，向进水孔注入0~400m的高压水头。高压水头依次经过进水孔和相连的集水腔后，进入预制裂缝。
步骤5，观测劈裂的经时过程：在注入高压水的同时，开启声发射测试系统，声发射传感器实时监测预制裂缝的发展变化的声发射信号，直至混凝土构件发生水力劈裂破坏，从而实现整个水力劈裂过程的经时监测。
经时过程的具体监测过程为：
A、初期微裂隙观察：预制裂缝内开始注入水压时，预制裂缝内水压较小，缝尖周围应力场变化幅度较小，缝尖两侧声发射采集前端收集到的声发射频率较低，随着预制裂缝内水压不断增加，当水压力达到一定程度时，预制裂缝尖端周围开始出现许多微裂缝，裂尖起裂，裂尖周围应力场释放，裂尖两侧声发射采集前端将会采集到突变的信号，并实时存储采集端。
B、大裂缝过程观测：随着裂尖微裂隙不断扩展，贯通形成宏观大裂缝过程，声信号也不断被采集。
C、劈裂观测：当缝内水压力达到临界劈裂水压力时，混凝土构件发生水力劈裂破坏，并伴有沉闷的劈裂声，同时水压力骤降至零，劈裂面有大量水喷出，试验结束，声发射采集前端将会采集到突变的信号，并实时存储。
在上述整个水利劈裂过程中，声发射设备监测了整个水力劈裂材料内部变化经时过程，通过信号经时突变情况，可以判断裂缝发生的时间、位置等，实现试样内部微裂隙发育的实时三向立体监测，从而对混凝土构件水力劈裂破坏机理进行更准确地分析。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置，其特征在于：包括三轴加载系统、水密封装置、水压加载系统、声发射测试系统和试样模具；
混凝土构件具有前后向贯通的预制裂缝；
三轴加载系统用于向混凝土构件施加左右向荷载、前后向荷载和竖向荷载；
水密封装置包括两块密封钢板、T型凸槽、T型密封垫、进水孔和出水孔；两块密封钢板贴合在混凝土构件的前后侧面，T型凸槽设置在两块密封钢板的中部，并分别与预制裂缝相连通；每个T型凸槽均包括一体设置的板形槽和杆形槽，其中，板形槽朝向混凝土构件；
在其中一个T型凸槽一侧的密封钢板上设置进水孔；另一个T型凸槽一侧的密封钢板上设置出水孔；
在每个T型凸槽内各密封配合一个T型密封垫；每个T型密封垫内均设置有L型预留孔；L型预留孔的一端与预制裂缝相连通，另一端与进水孔或出水孔相连通；
水压加载系统，分别与进水孔和出水孔相连通，用于向预制裂缝内施加0~400m的高压水头；
声发射测试系统包括若干个声发射传感器，用于监测混凝土构件水力劈裂过程中，预制裂缝发展变化的声发射信号；
试样模具包括底板、四块侧板和钢片；底板放置在底座上，四块侧板可拆卸式围合在底板四周，并形成立方体空腔，用于浇筑立方体的混凝土构件；
试样模具的前侧板和后侧板均设置有裂缝预留孔，用于插设钢片，从而形成混凝土构件的预制裂缝；
每个T型密封垫均包括一体设置的T型头部和T型杆部，其中，T型头部与T型凸槽的板形槽相配合，T型杆部与T型凸槽的杆形槽相配合；T型头部的厚度小于板形槽的厚度，T型头部、板形槽和预制裂缝之间形成集水腔。
2.根据权利要求1所述的三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置，其特征在于：水密封装置还包括螺杆和螺母，两块密封钢板通过若干根螺杆和若干个螺母相连接，从而密封贴合在混凝土构件的前后侧面。
3.根据权利要求1所述的三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置，其特征在于：三轴加载系统包括左右向加载机构、前后向加载机构和竖向加载机构，分别用于施加左右向荷载、前后向荷载和竖向荷载；其中，左右向加载机构和前后向加载机构均包括反力架、钢性凸块、自锁式千斤顶；在混凝土构件的左右侧面各设置一块左右向加载板；
反力架架设在混凝土构件的左右或前后两侧；钢性凸块和自锁式千斤顶均安装在反力架上，另一端分别与两块左右向加载板或两块密封钢板相接触；
通过自锁式千斤顶的水平向伸缩，实现左右向荷载或前后向荷载的施加。
4.根据权利要求3所述的三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置，其特征在于：竖向加载机构包括竖向加载头、伺服压力机和竖向钢垫板；竖向钢垫板放置在混凝土构件的顶面；竖向加载头能在伺服压力机的驱动下，实现竖向升降滑移，从而对混凝土构件施加竖向荷载。
5.根据权利要求1所述的三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置，其特征在于：声发射测试系统包括八个声发射传感器；每个T型凸槽两侧的密封钢板上均对称布设四个传感器安装孔，每个传感器安装孔内安装一个声发射传感器。
6.一种三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验方法，基于权利要求1-5任一项所述的三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，制备混凝土构件：制备完成的混凝土构件呈立方体，且具有贯通的预制裂缝；
步骤2，组装三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置：将三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置进行组装；组装时，将T型密封垫密封充填在两个T型凸槽内，T型密封垫的T型头部、T型凸槽的板形槽和混凝土构件之间形成集水腔；
步骤3，三轴加载：根据设置要求，对混凝土构件施加三轴向力；
步骤4，注入高压水：在达到预定轴向加载力后，开启水压加载系统，向进水孔注入0~400m的高压水头；高压水头依次经过进水孔和相连的集水腔后，进入预制裂缝；
步骤5，观测劈裂的经时过程：在注入高压水的同时，开启声发射测试系统，声发射传感器实时监测预制裂缝的发展变化的声发射信号，直至混凝土构件发生水力劈裂破坏，从而实现整个水力劈裂过程的经时监测。
7.根据权利要求6所述的三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验方法，其特征在于：步骤1中，混凝土构件的制备方法，包括如下步骤：
步骤11，组装试样模具：将试样模具的底板放置在底座上，将试样模具的四块侧板可拆卸式连接在底板四周，形成立方体空腔；并使得前侧板和后侧板含有裂缝预留孔；接着，将钢片前后贯通式插设在两个裂缝预留孔中；
步骤12，混凝土浇筑：将设定配合比的混凝土材料浇筑在步骤11形成的立方体空腔中，并振捣成型；
步骤13，形成混凝土构件：待成型的混凝土初凝时，拔出钢片；24h后，拆除试样模具中的四块侧板，养护，形成含有前后向贯通预制裂缝的混凝土构件。
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