一种自锁式密封的混凝土水力劈裂模拟装置的制作方法

本发明属于水工混凝土劈裂模拟实验技术领域，具体涉及一种高水压作用下混凝土构件水力劈裂模拟装置。

背景技术

目前，我国仍有大批在建和拟建的高混凝土坝，且这些高坝的坝高已达到300米量级，超出了现行规范设计的范围。同时，坝址所在地区环境恶劣、地质条件复杂、地震烈度高，如小湾混凝土拱坝（坝高292m）、锦屏一级（坝高305m）、白鹤滩（坝高275m）等。这些大体积混凝土水工结构中，由于施工期间材料配比、温度和施工工艺等因素的影响，不可避免地会出现（微）裂缝，而蓄水后高水压的作用极易使得裂缝进一步扩展，造成材料的损伤甚至结构破坏。一系列由于水力劈裂发生的重大事故仍历历在目，如意大利的瓦伊昂拱坝（vaiont）、美国的特顿坝（teton）、法国的马尔帕赛拱坝（malpasset）、英国的巴德海特坝（balderhead）等。因此，进行高水压作用下混凝土开裂机制研究，对高混凝土坝的安全性评价具有特别重要的意义。

开展混凝土构件水力劈裂问题试验研究，其关键在于高水压的密封问题。目前，已有部分学者采用环氧树脂胶将橡胶板粘贴于试件表面，此方法的密封效果受环氧树脂胶强度的影响，在高水压作用下，密封效果欠佳，且由于钢板直接紧压橡胶于裂缝端面，所产生的摩擦力也必定影响试件的水力劈裂过程。另一方面，有学者将裂缝完全预制于试件内部，通过细导管向内部裂缝中充水或高压氮气的方法实现混凝土劈裂。此方法虽然解决了试验的密封问题，但由于裂缝完全处于试件内部，无法观测劈裂过程中裂缝的实时路径和缝端水压力。本发明提供了一种既能消除摩擦力影响，又能实时观测裂缝路径和缝端水压力，消除水压监测的滞后影响，且能够在高水压下实现自锁的试验密封装置。

技术实现要素：

本发明目的在于针对现有技术中混凝土构件水力劈裂试验模型存在的密封效果欠佳，密封措施产生的摩擦力影响试验过程，难以实时观测裂缝路径和缝端水压力等不足，提供一种自锁式密封的混凝土水力劈裂模拟装置，其结构简单，安装、使用方便、快捷，密封效果好，不产生额外摩擦力，对试验过程干扰小，便于实时观测。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自锁式密封的混凝土水力劈裂模拟装置，其包括混凝土试件，所述混凝土试件中含有预制裂缝；所述预制裂缝为长方形且垂直于所述混凝土试件的上端面；所述预制裂缝的开口位于所述混凝土试件的上端面上；所述混凝土试件内设置注水孔、出气孔和水压测压孔；所述注水孔和出气孔均与所述预制裂缝连通，且所述注水孔的位置低于所述出气孔的位置；所述水压测压孔垂直于所述预制裂缝设置，所述水压测压孔贯穿所述混凝土试件且不与所述预制裂缝连通；所述混凝土试件的外侧面套接透明橡胶圈；所述预制裂缝位于所述透明橡胶圈所覆盖的范围内；所述透明橡胶圈的两端部均密封固定在所述混凝土试样的外侧面上。所述自锁式密封的混凝土水力劈裂模拟装置还包括楔形加载架和传力压条，所述楔形加载架和所述传力压条均设置于所述混凝土试件的上部，所述传力压条固定于所述混凝土试件的顶面；所述传力压条的数量为2根，分别位于所述楔形加载架的两侧；每根所述传力压条的两端均连接传力轴承；所述楔形加载架通过传力轴承压紧所述传力压条，以向所述混凝土试件施加静、动荷载。

较佳地，所述预制裂缝的开口位于所述混凝土试件上端面中心处；进一步地，所述预制裂缝的宽度为1~3mm，深度为100~150mm。

较佳地，所述混凝土试件的外侧面设置内嵌箍条，所述透明橡胶圈的两端部均通过钢片压条密封固定于所述内嵌箍条上；较佳地，所述钢片压条通过螺栓如m10螺栓，进行固定。

较佳地，所述透明橡胶圈以所述预制裂缝为中心对称设置；进一步地，所述内嵌箍条、钢片压条和传力压条均于所述预制裂缝的两侧对称设置。

较佳地，所述透明橡胶圈內截面的尺寸大于所述混凝土试件外截面的尺寸，以避免产生额外的摩擦力。较佳地，所述透明橡胶圈外侧面设置铁丝网罩，以加强其径向强度。

进一步地，所述水压测压孔设置于所述混凝土试件的中下部，数量为多个。

在不违背本领域常识的基础上，本发明各优选技术特征可任意组合。

有益效果：本发明的自锁式密封的混凝土水力劈裂模拟装置结构简单，操作方便，密封安全可靠，可重复利用，成本低廉。通过设置透明橡胶圈，可利用现代光测力学技术，记录整个劈裂过程中裂缝附近区域的实时状况，且可通过注满水的水压测压孔测得缝间水压力的分布情况，能够有效消除缝间水压监测的滞后性；通过将透明橡胶圈的内截面尺寸设定为大于混凝土试件外截面的尺寸，使得透明橡胶圈不与所述混凝土试件直接接触，不产生额外摩擦力，可消除传统装置中摩擦力对裂缝扩展的影响；本装置中不使用环氧树脂胶进行密封，而是直接采用内嵌箍条、钢片压条、传力压条通过螺栓固定，操作方便、快捷、效率高；在试验过程中，透明橡胶圈内部形成水腔，其所产生的竖向分力能够进一步增强内嵌箍条和钢片压条间的密封效果，从而实现自锁；由楔形加载架进行加载时，传力轴承传递的竖向分力能够加强内嵌箍条和传力压条间的密封效果，亦可实现自锁。

附图说明

图1是本发明自锁式密封的混凝土水力劈裂模拟装置实施时的结构示意图；

图2是本发明沿内嵌箍条的纵截面方向的剖面示意图；

图3是本发明自锁式密封的混凝土水力劈裂模拟装置实施时的左视图；

图4是图3中a方向的剖面示意图；

图1~4中：1-混凝土试件，2-水压测压孔，3-注水孔，4-内嵌箍条，5-传力压条，6-传力轴承，7-预制裂缝，8-出气孔，9-楔形加载架，10-钢片压条，11-螺栓孔，12-铁丝网罩，13-透明橡胶圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：如图1~4所示，一种自锁式密封的混凝土水力劈裂模拟装置，其包括混凝土试件1，所述混凝土试件1为全级配混凝土试件，其尺寸为400×400×400mm。

所述混凝土试件1中含有预制裂缝7；所述预制裂缝7为长方形且垂直于所述混凝土试件1的上端面；所述预制裂缝7的开口位于所述混凝土试件1上端面中心处；所述预制裂缝7的宽度为2mm，深度为100mm。所述混凝土试件1内设置注水孔3、出气孔8和水压测压孔2；所述注水孔3和出气孔8均与所述预制裂缝7连通，且所述注水孔3的位置低于所述出气孔8的位置；所述注水孔3和出气孔8均由所述混凝土试件1浇筑时预制；所述水压测压孔2垂直于所述预制裂缝7设置，所述水压测压孔2贯穿所述混凝土试件1且不与所述预制裂缝7连通。所述注水孔3的直径为10mm；所述出气孔8和所述水压测压孔2的直径均为2mm。所述水压测压孔2设置于所述混凝土试件1的中下部，数量为多个。

所述混凝土试件1的外侧面套接透明橡胶圈13；所述透明橡胶圈13以所述预制裂缝7为中心对称设置；所述预制裂缝7位于所述透明橡胶圈13所覆盖的范围内；所述透明橡胶圈13的两端部均密封固定在所述混凝土试样1的外侧面上。所述混凝土试件1的外侧面设置内嵌箍条4，所述内嵌箍条4的内侧设置加强筋，用于稳固所述内嵌箍条4与所述混凝土试件1的接触强度。所述透明橡胶圈13的两端部均通过钢片压条10密封固定于所述内嵌箍条4上；所述钢片压条10通过螺栓如m10螺栓，进行固定；所述螺栓通过螺栓孔11将所述钢片压条10压紧。所述透明橡胶圈13內截面的尺寸为420×420mm，大于所述混凝土试件1外截面的尺寸，可避免产生额外的摩擦力。所述透明橡胶圈13外侧面设置铁丝网罩12，以加强其径向强度。

所述自锁式密封的混凝土水力劈裂模拟装置还包括楔形加载架9和传力压条5，所述楔形加载架9和所述传力压条5均设置于所述混凝土试件1的上部，所述传力压条5固定于所述混凝土试件1的顶面；所述传力压条5的数量为2根，分别位于所述楔形加载架9的两侧；每根所述传力压条5的两端均连接传力轴承6；所述楔形加载架9通过传力轴承6压紧所述传力压条5，以向所述混凝土试件1施加静、动荷载。

所述内嵌箍条4、钢片压条10和传力压条5均于所述预制裂缝7的两侧对称设置。

为对本发明的模拟装置所加水压进行计算，试验同时浇筑了一批同原料配比、同尺寸的无裂缝混凝土试件，并测定其力学参数（如：弹模、泊松比、抗拉强度等）。根据测得的力学参数，通过有限元模拟，可计算出含有裂缝的混凝土试件开裂时的水压力。

试验时，由注水孔3注入高压水，在出气孔8排除腔内空气后，可进行水压监测。水压测压孔2完全贯穿混凝土试件1，在注满水后，将其两端连接传感器监测水压，可消除开裂过程中缝端水压监测滞后的影响。通过透明橡胶圈13，采用现代光测力学技术，可记录下整个劈裂过程中裂缝附近区域的实时状况。试验过程中，透明橡胶圈13内部形成水腔，其所产生的竖向分力能够进一步增强内嵌箍条4和钢片压条10之间的密封效果，从而实现自锁；由楔形加载架9进行加载时，传力轴承6传递的竖向分力能够加强内嵌箍条4和传力压条5之间的密封效果，亦可实现自锁。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征以及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中的描述只是用于阐明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。