CN114441315A - 一种考虑水环境的混凝土坝结构面多轴加载方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种考虑水环境的混凝土坝结构面多轴加载方法，利用水荷载加载装置模拟高压水头的作用；利用轴压加载装置对坝体轴线方向和竖直向的荷载施加，模拟坝肩岩体约束和坝顶机械设备、交通等荷载；利用反力试验台承载所有实验装置，便于轴压加载装置的安装、定位及提供反力；利用分布式光纤监测系统、远程微变监测装置监测在坝体加载过程中产生的局部应力应变、温度和整体位移。本发明对于混凝土坝在高压水头下的应力应变状态分析具有较好的适用性和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土水力劈裂模拟试验技术领域，特别是涉及一种考虑水环境的混凝土坝结构面多轴加载方法。
背景技术
混凝土是最常见的建筑材料之一，被广泛应用于土木、水利、道路、桥梁等领域。由于混凝土本身为多相复合材料，在浇筑成型后，界面过渡区已经存在大量随机分布的孔隙或微裂缝等原始缺陷。而且混凝土不可避免地受施工、温度、混凝土干缩、环境因素等的影响，导致原始缺陷容易发展成宏观裂缝，在坝体内外部形成薄弱结构面。当坝体遭遇高水头情况时，高渗透水压作用极易使混凝土薄弱面进一步发育、扩展延伸，形成宏观大裂缝，从而产生水力劈裂现象，降低坝体的承载能力，缩短使用寿命。鉴于此，研究真实水环境下含弱面混凝土损伤演化机理对建造高质量、不产生裂缝的大坝具有重要意义。
现阶段，在水力劈裂模拟试验上对混凝土薄弱面施加水荷载的方式有以下几种：
一、当采用厚壁圆柱试样开展室内混凝土水力劈裂试验时，水荷载以轴压和围压的方式作用于混凝土试件，存在如下缺陷：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；受试样形式的限制不能有效观测劈裂的过程。
二、当采用楔入劈拉试样开展室内混凝土水力劈裂试验时，水荷载作用于预留的裂缝面上，存在如下缺陷：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；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。
鉴于此，为进一步研究混凝土构件水力劈裂问题，极大程度上模拟真实水环境下水荷载对混凝土薄弱面的作用，有必要设计提出一种新的考虑水环境的混凝土坝结构面多轴加载方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑水环境的混凝土坝结构面多轴加载方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种考虑水环境的混凝土坝结构面多轴加载方法，具体包括以下步骤：
步骤一、坝体实验模型制备
根据工程资料，确定坝体实验模型尺寸及各工况下荷载大小、地质状况，定制相应模具并通过浇注得到坝体实验模型，并在坝体实验模型的重点监测位置预埋高敏感度光纤；
步骤二：安装加载装置
得到坝体实验模型后，在上游坝面安装水荷载加载装置，在坝体实验模型的待测位置布设分布式光纤，预埋高敏感度光纤和分布式光纤均连接到分布式光纤监测系统上，并利用轴压加载装置对坝体实验模型进行约束固定；
步骤三：开始实验
步骤二完成后，首先通过分布式光纤监测系统采集未加载前预埋高敏感度光纤和分布式光纤的温度、应力应变作为基准值；
开始加载后，分布式光纤监测系统根据设置的数据采集间隔，自动记录实验过程中预埋高敏感度光纤和分布式光纤的温度、应力应变变化；
加载结束后，对分布式光纤监测系统采集到的数据进行分析处理，得出结论。
优选的，所述坝体实验模型包括坝基和坝体，所述预埋高敏感度光纤预埋在所述坝体的坝踵及预制裂缝处，所述分布式光纤铺设在坝体的坝肩及下游坝面处；所述坝基底部设置有反力试验台，所述轴压加载装置和所述坝基均固定在所述反力试验台上。
优选的，所述水荷载加载装置包括稳压水箱、高压比例泵、稳压水管、可变压水缸、调节阀、压力表和压缩空气源；所述稳压水箱安装在所述坝体上，所述稳压水管与所述稳压水箱连通，所述调节阀和所述压力表用于控制和调整所述稳压水箱中的水压，所述高压比例泵设置在所述可变压水缸与所述稳压水管之间，所述高压比例泵用于调节所述可变压水缸中水压。
优选的，所述坝体上开设有密封槽，所述密封槽内设置有密封件，所述稳压水箱与所述坝体通过所述密封件进行密封。
优选的，所述轴压加载装置包括反力桁架、反力墙、伺服作动器和伺服控制系统，所述反力桁架和所述反力墙均固定安装在所述反力试验台上，沿所述坝体轴线方向设置有侧向加载头，所述侧向加载头铰接在所述反力墙上，沿所述坝体竖直方向设置有顶部加载头，所述顶部加载头固定在所述反力桁架上，所述侧向加载头和所述顶部加载头的端部均安装有可伸缩、可拆卸的垫片，所述伺服作动器用于为所述侧向加载头和所述顶部加载头提供动力，所述伺服控制系统用于控制所述伺服作动器。
优选的，所述反力试验台上有远程微变监测装置，所述远程微变监测装置包括后处理系统和固定安装在所述反力试验台上的高速相机，所述高速相机用于记录加载过程中所述坝体的整体变形，所述后处理系统用于对所述高速相机记录的数据进行分析。
优选的，所述坝体实验模型尺寸、荷载加载大小基于重力相似准则确定，具体为：
长度比尺：
流速比尺：
流量比尺：
时间比尺：
力的比尺：
压强比尺：λP＝λρλL
功比尺：
式中：原型中的物理量注以角标“P”，模型中的物理量注以角标“M”；L为长度；v为流速；Q为流量；t为时间；F为力；W为功。
优选的，浇筑坝体实验模型时，在所述坝体上预制裂缝。
优选的，布设所述分布式光纤时，采用环氧树脂胶按“U”形回环式将所述分布式光纤粘贴在所述坝体实验模型被测区域上；所述分布式光纤两端与所述分布式光纤监测系统连接采用熔接机连接，并用OTDR测试仪检测分布式光纤是否连接正常，并确定熔接损耗率。
与现有技术相比，本发明公开了以下技术效果：
1)改进了以往水荷载加载装置无法反应真实水荷载的作用，采用该装置可开展不同应力状况、不同高压水头下的中小型混凝土结构承载状况分析、变形分析等实验。
2)可根据实际工程状况按照相似准则浇筑等比例小模型，准确反映工程地质状况、荷载状况，对实际工程进行模拟分析，更贴近真实工况。
3)水荷载、轴向、竖向荷载采用微机控制，可根据不同工况及时进行调整，实现自由调节控制。荷载、应力、应变采集全程自动采集、保存。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明分布式光纤粘贴示意图；
图3为本发明水荷载加载装置平面示意图；
图4为本发明加载装置、分布式光纤监测系统与坝体实验模型的位置关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明加载装置、坝体实验模型均置于30×30×3m的反力试验台之上。①为反力桁架、反力墙，用于坝体轴线方向和竖向荷载的施加；②为加载头，端部采用可伸缩、可拆卸垫片，用于调节荷载的作用面积；③为混凝土坝的等比例坝体模型，根据工程资料采用定制模具分层浇筑而成，标准养护达到设计龄期；④为坝基，根据实测地质资料设计浇筑，用于反应坝体受高压水荷载、坝肩约束及坝顶荷载作用下与库水-坝体的整体协同作用；⑤为高速相机，用于捕捉荷载作用下坝体的各项变形、位移；⑥为水荷载加载装置，包括稳压水箱、高压比例泵、稳压水管、可变压水缸和压缩空气源，通过压缩空气、稳压水箱、稳压水管、调节阀，实现对坝体施加的水荷载自由调节；⑦反力试验台，尺寸30×30×3m；⑧为预埋高敏感度光纤，用于监测坝踵、预制裂缝等处的应力应变。
如图2所示，本发明与分布式光纤监测系统连接的光纤主要有两种，一是浇筑坝体时预埋在坝踵、预制裂缝等处的预埋高敏感度光纤；二是铺设在坝肩、下游坝面等处的分布式光纤。分布式光纤采用环氧树脂胶按“U”形回环式均匀粘贴在被测区域上。配合图1中的高速相机共同监测坝体的整体、局部变形、位移、应力应变。
如图3所示，本发明的水荷载加载装置由稳压水箱、高压比例泵、稳压水管、可变压水缸和压缩空气源构成，加载原理为通过压缩空气源注入到可变压水缸中，调节可变压水缸中水压，经多个调节阀和压力表控制，实现对稳压水箱中水压的调整，最终将可控的水荷载施加到坝体上。可通过微机操作端实现对加载区域、加载速率、荷载大小等智能控制，实时掌握水荷载情况。稳压水箱采用耐高压钢板拼装制成，可根据坝体大小与实际承载面面积拼装不同大小的稳压水箱。各钢板之间、水箱与坝体之间通过预制密封硅胶条连接，随后采用隔水密封胶进行防渗处理。
本发明提供一种考虑水环境的混凝土坝结构面多轴加载方法，具体包括以下步骤：
步骤一、坝体实验模型制备
根据工程资料，确定坝体实验模型尺寸及各工况下荷载大小、地质状况，定制相应模具并通过浇注得到坝体实验模型，并在坝体实验模型的重点监测位置预埋高敏感度光纤；拆除模具后标准养护至设计龄期。
步骤二：安装加载装置
得到坝体实验模型后，在上游坝面安装水荷载加载装置，在坝体实验模型的待测位置布设分布式光纤，预埋高敏感度光纤和分布式光纤均连接到分布式光纤监测系统上，并利用轴压加载装置对坝体实验模型进行约束固定；
步骤三：开始实验
步骤二完成后，首先通过分布式光纤监测系统采集未加载前预埋高敏感度光纤和分布式光纤的温度、应力应变作为基准值；
开始加载后，在操作终端上设定荷载大小、作用时间，打开压缩空气源阀门，通过高压比例泵将高压水注入到稳压水箱中，逐渐加压至设计值，同时，坝体轴线方向加载头、竖直方向加载头根据需要进行垫片选择、加载；分布式光纤监测系统根据设置的数据采集间隔，自动记录实验过程中预埋高敏感度光纤和分布式光纤的温度、应力应变变化；
加载结束后，首先关闭分布式光纤监测系统，随后关闭压缩空气源，并在荷载控制终端卸掉荷载，将坝顶、坝肩处加载头回归原位，最后关闭加载系统，并对分布式光纤监测系统及远程微变监测装置采集到的数据进行分析处理，得出结论。
本发明考虑水环境的混凝土坝结构面多轴加载方法及配套设施先通过工程资料基于相似准则确定模型尺寸及各工况下荷载大小，采用定制模板建筑基岩，分层浇筑坝体养护至设计龄期。同时安装水荷载加载装置、坝肩约束、坝顶荷载加载装置及分布式光纤监测系统。随后进行加载，由分布式光纤监测系统和远程微变监测装置对实验数据进行采集和保存。最后，按照需求自行对数据进行分析处理，反演至实际工程状况。本发明能够真实反应混凝土坝模型在遭受高压水荷载、坝肩岩体约束、坝顶荷载下的应力应变状况，基于相似准则分析混凝土坝原型的受载状况，进而对混凝土坝的设计阶段安全论证、使用阶段特殊工况承载能力检验等提供极大便利。本发明的分析方法科学严谨，贴合实际，分析得出的结论具有代表性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种考虑水环境的混凝土坝结构面多轴加载方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一、坝体实验模型制备
根据工程资料，确定坝体实验模型尺寸及各工况下荷载大小、地质状况，定制相应模具并通过浇注得到坝体实验模型，并在坝体实验模型的重点监测位置预埋高敏感度光纤；
步骤二：安装加载装置
得到坝体实验模型后，在上游坝面安装水荷载加载装置，在坝体实验模型的待测位置布设分布式光纤，预埋高敏感度光纤和分布式光纤均连接到分布式光纤监测系统上，并利用轴压加载装置对坝体实验模型进行约束固定；
步骤三：开始实验
步骤二完成后，首先通过分布式光纤监测系统采集未加载前预埋高敏感度光纤和分布式光纤的温度、应力应变作为基准值；
开始加载后，分布式光纤监测系统根据设置的数据采集间隔，自动记录实验过程中预埋高敏感度光纤和分布式光纤的温度、应力应变变化；
加载结束后，对分布式光纤监测系统采集到的数据进行分析处理，得出结论。
2.根据权利要求1所述的考虑水环境的混凝土坝结构面多轴加载方法，其特征在于，所述坝体实验模型包括坝基和坝体，所述预埋高敏感度光纤预埋在所述坝体的坝踵及预制裂缝处，所述分布式光纤铺设在坝体的坝肩及下游坝面处；所述坝基底部设置有反力试验台，所述轴压加载装置和所述坝基均固定在所述反力试验台上。
3.根据权利要求2所述的考虑水环境的混凝土坝结构面多轴加载方法，其特征在于，所述水荷载加载装置包括稳压水箱、高压比例泵、稳压水管、可变压水缸、调节阀、压力表和压缩空气源；所述稳压水箱安装在所述坝体上，所述稳压水管与所述稳压水箱连通，所述调节阀和所述压力表用于控制和调整所述稳压水箱中的水压，所述高压比例泵设置在所述可变压水缸与所述稳压水管之间，所述高压比例泵用于调节所述可变压水缸中水压。
4.根据权利要求3所述的考虑水环境的混凝土坝结构面多轴加载方法，其特征在于，所述坝体上开设有密封槽，所述密封槽内设置有密封件，所述稳压水箱与所述坝体通过所述密封件进行密封。
5.根据权利要求2所述的考虑水环境的混凝土坝结构面多轴加载方法，其特征在于，所述轴压加载装置包括反力桁架、反力墙、伺服作动器和伺服控制系统，所述反力桁架和所述反力墙均固定安装在所述反力试验台上，沿所述坝体轴线方向设置有侧向加载头，所述侧向加载头铰接在所述反力墙上，沿所述坝体竖直方向设置有顶部加载头，所述顶部加载头固定在所述反力桁架上，所述侧向加载头和所述顶部加载头的端部均安装有可伸缩、可拆卸的垫片，所述伺服作动器用于为所述侧向加载头和所述顶部加载头提供动力，所述伺服控制系统用于控制所述伺服作动器。
6.根据权利要求2所述的考虑水环境的混凝土坝结构面多轴加载方法，其特征在于，所述反力试验台上有远程微变监测装置，所述远程微变监测装置包括后处理系统和固定安装在所述反力试验台上的高速相机，所述高速相机用于记录加载过程中所述坝体的整体变形，所述后处理系统用于对所述高速相机记录的数据进行分析。
7.根据权利要求1所述的考虑水环境的混凝土坝结构面多轴加载方法，其特征在于，所述坝体实验模型尺寸、荷载加载大小基于重力相似准则确定，具体为：
长度比尺：
流速比尺：
流量比尺：
时间比尺：
力的比尺：
压强比尺：λP＝λρλL
功比尺：
式中：原型中的物理量注以角标“P”，模型中的物理量注以角标“M”；L为长度；v为流速；Q为流量；t为时间；F为力；W为功。
8.根据权利要求2所述的考虑水环境的混凝土坝结构面多轴加载方法，其特征在于，浇筑坝体实验模型时，在所述坝体上预制裂缝。
9.根据权利要求1所述的考虑水环境的混凝土坝结构面多轴加载方法，其特征在于，布设所述分布式光纤时，采用环氧树脂胶按“U”形回环式将所述分布式光纤粘贴在所述坝体实验模型被测区域上；所述分布式光纤两端与所述分布式光纤监测系统连接采用熔接机连接，并用OTDR测试仪检测分布式光纤是否连接正常，并确定熔接损耗率。
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2022
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