模拟高水压下混凝土水力劈裂的试验装置及方法与流程

本发明涉及模拟高水压下混凝土水力劈裂的试验装置及方法，属于水利工程技术领域。

背景技术：

水工混凝土结构受设计、施工及养护等因素影响，裂缝的存在不可避免。裂缝的出现与扩展会影响结构的安全性、实用性和耐久性。坝身存在的损伤裂缝在深水压力和温变作用下有可能进一步扩展，如果裂缝延伸较长，就有可能破坏坝体的整体性，发展成为渗漏通道，威胁坝体的安全，造成巨大的经济以及生命财产损失。因此，水工混凝土结构水力劈裂问题已成为亟需研究解决的热点问题。

在以往研究水力劈裂的试验方法中，采用机械压力模拟水压的方法无法真实模拟高压水在裂缝中作用；在水压力作用下进行试验的研究，其试样浇筑繁琐，高压水密封问题未得到良好解决，且通过外力施压密封的方法会影响试样内部的应力状态。且存在数据采集未同步，数据处理繁琐等问题。此类试验方法均存在缺陷。

技术实现要素：

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种模拟高水压下混凝土水力劈裂的试验装置及方法，其具体技术方案如下：

模拟高水压下混凝土水力劈裂的试验装置，包括混凝土试样、水压供给系统和数据采集系统，

所述混凝土试样呈矩形体形状，所述混凝土试样预设有裂缝，所述裂缝从混凝土试样的一面贯穿到其相对面，所述裂缝位于混凝土试样的中线上；

所述水压供给系统包括电调压力泵，所述电调压力泵连接电机，所述电调压力泵的出水端通过输送水管连接到裂缝，且在裂缝的两端均铺设有挡水板，所述挡水板覆盖在插入到裂缝中的输送水管的上面；

所述数据采集系统包括夹式引伸计、应变片、测压导管、输入端水压传感器、输出端水压传感器和多通道动态数据采集仪，

所述裂缝上设置有若干个夹式引伸计，所述夹式引伸计的两个针脚分别插在裂缝的两侧，所述夹式引伸计的数据传输线连接到多通道动态数据采集仪，

所述裂缝的劈裂方向上的混凝土试样表面铺设有若干个应变片，所述应变片的数据传输线连接到多通道动态数据采集仪，

所述混凝土试样内插有若干个测压导管，所述测压导管插入到混凝土试样内的一端超出所述裂缝的劈裂面，所述测压导管通过输出端水压传感器连接到多通道动态数据采集仪，

所述输入端水压传感器的测压水管与输送水管接通，所述输入端水压传感器的数据传输线连接到多通道动态数据采集仪，

所述裂缝的两端和中间位置分别设置有夹式引伸计。

所述混凝土试样的规格为各边长均为15mm，所述测压导管插入到混凝土试样内的一端超出所述裂缝的劈裂面5mm。

模拟高水压下混凝土水力劈裂的试验装置的试验方法，包括如下操作步骤：

（1）制作模具：选取1个矩形的底板及4个边框板，所述边框板的一侧表面预留有插槽，用螺栓将边框板固定在底板的四个边缘，使其形成一个矩形框，边框板的插槽朝向矩形框的内侧，在边框板的插槽内插入横向挡板，在横向挡板预留的插槽内插入纵向挡板，所述矩形框的内部分割成若干个立方体空间，在横向挡板上切割出贯通的水平的刀口，在所述刀口中插入板片，在所述板片的上方布置若干根测压导管，所述测压导管分布在板片的延伸方向上，相邻的测压导管之间留有间距，所述测压导管内置一根钢棒，并且通过铁丝缠绕将测压导管固定定位，得到模具；

（2）浇筑试样：在步骤（1）得到的模具的内部表面和板片表面涂抹脱模剂，拌和混凝土，搅拌均匀后浇入模具，进行振捣，振捣密实至表面范浆，在振捣过程中需在混凝土料下降后及时补充混凝土，振捣后抹平表面；

（3）脱模养护：完成步骤（2）后2-3h拔出板片，形成裂缝，完成步骤（2）后24h脱除模具，得到若干个混凝土试样，对混凝土试样进行自然养护；

（4）装样：将步骤（3）得到的混凝土试样取出，干燥处理后，在裂缝延伸的方向上的混凝土试样表面粘贴若干个应变片，所述裂缝的两端分别粘贴有应变片；在裂缝上安装若干个夹式引伸计，所述裂缝的中间和两端均安装有夹式引伸计；在裂缝周围涂抹胶黏剂，并将挡水板粘贴密封在裂缝上，该挡水板的中心设置有进水孔，另一侧的挡水板中心布置有出水孔，将电调压力泵的水管插入挡水板中心的进水孔，通过电调压力泵向裂缝中输水，排出裂缝内的气体，关闭电调压力泵，电调压力泵的水管通过三接头连接进水端水压传感器，裂缝扩展过程中的缝内水压通过测压导管与相应出水端水压传感器连接，将应变片、夹式引伸计、进水端水压传感器和出水端水压传感器的数据传输线分别连接到多通道动态数据采集仪的对应的接口；

（5）试验：通过电调压力泵向裂缝中输入水，提高裂缝中的水压，并通过输入端水压传感器实时记录水压的输入值，通过夹式引伸计、应变片、测压导管实时记录混凝土试样内部的水压力，通过夹式引伸计、应变片实时记录混凝土试样的变形特征，逐步提高水压直至混凝土试样被破坏；

（6）水力劈裂分析：更换混凝土试样，重复步骤（4）和步骤（5），根据若干次试验的结果，对混凝土试样的水力劈裂所呈现的现象及机理进行分析。

所述步骤（1）中板片选用钢片，所述钢片的两端经过打磨处理。

所述步骤（4）中挡水板选用钢板，所述钢板通过钢胶粘贴在混凝土试样表面，且钢板的四周还涂刷有耐高压防渗胶。

所述步骤（4）中设置三个夹式引伸计，三个夹式引伸计依次设置在裂缝的两端和中间位置。

所述混凝土试样的规格为边长15cm的正方体，所述步骤（4）中设置八个应变片，八个应变片均设置在所述裂缝的延伸方向上，所述裂缝两端分别设置有四个应变片。

本发明的工作原理是：

本发明，通过电调压力泵朝向裂缝中输送水，随着裂缝中的水压升高，水最终将裂缝撑开，记录输入端的水压，以及裂缝劈裂开后，靠近混凝土试样边缘处的水压，和混凝土试样在开裂过程中的变形量变化。经过做多个混凝土试样的劈裂试验，对混凝土试样的水力劈裂所呈现的现象及机理进行分析。

本发明的有益效果是：

1.本发明方法浇筑混凝土试样便捷，所制模具为活动可拆卸模具，且可一次成形多个混凝土试样；

2. 本发明解决了以往装置高压水密封困难，通过外力施压密封影响混凝土试样内部应力的问题，与实际工程更吻合；

3. 本发明试验过程中水压、应变由同一仪器同步采集，试验数据处理方便。

附图说明

图1是本发明的浇筑混凝土试样所用模具结构示意图，

图2是图1的A向结构示意图，

图3是本发明的混凝土试样结构示意图，

图4是本发明的试验装置结构示意图，

附图标记列表：1、底板；2、边框板；3、横向挡板；4、纵向挡板；5、板片；6、混凝土试样；7、测压导管；8、应变片；9、裂缝；10、电调压力泵；11、输入端水压传感器；12、输出端水压传感器；13、多通道动态数据采集仪；14、夹式引伸计；15、输送水管；16、数据传输线；17、测压水管；18、挡水板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

结合附图可见，本模拟高水压下混凝土水力劈裂的试验装置，包括混凝土试样6、水压供给系统和数据采集系统，本发明，通过水压供给系统给混凝土试样6内的裂缝9中输送水，在混凝土试样6中形成高压，直到将混凝土试样6劈裂开，通过数据采集系统采集混凝土试样6在劈裂过程中的水压数据以及变形数据，便于分析。

所述混凝土试样6呈矩形体形状，所述混凝土试样6预设有裂缝9，所述裂缝9从混凝土试样6的一面贯穿到其相对面，所述裂缝9位于混凝土试样6的中线上；裂缝9的位置便于在高压水作用下，裂缝9能同时朝向两端劈裂。

所述水压供给系统包括电调压力泵10，所述电调压力泵10连接电机，所述电调压力泵10的出水端通过输送水管15连接到裂缝9，且在裂缝9的两端均铺设有挡水板18，所述挡水板18覆盖在插入到裂缝9中的输送水管15的上面；通过电机驱动电调压力泵10向裂缝9中输送水，通过调节电调压力泵10的输出功率，调节向裂缝9中输水的流量，便于分析不同水压变化下的裂缝9劈裂情况。

所述数据采集系统包括夹式引伸计14、应变片8、测压导管7、输入端水压传感器11、输出端水压传感器12和多通道动态数据采集仪13。

所述裂缝9上设置有若干个夹式引伸计14，所述夹式引伸计14的两个针脚分别插在裂缝9的两侧，所述夹式引伸计14的数据传输线16连接到多通道动态数据采集仪13。所述裂缝9的劈裂方向上的混凝土试样6表面铺设有若干个应变片8，所述应变片8的数据传输线16连接到多通道动态数据采集仪13。所述混凝土试样6内插有若干个测压导管7，所述测压导管7插入到混凝土试样6内的一端超出所述裂缝9的劈裂面5cm左右，所述测压导管7通过相应的输出端水压传感器12及数据传输线16连接到多通道动态数据采集仪13。通过夹式引伸计14、应变片8和测压导管7测量裂缝9劈裂过程中，混凝土试样6的压力变化。

所述输入端水压传感器11的测压水管17与输送水管15接通，所述输入端水压传感器11的数据传输线16连接到多通道动态数据采集仪13。输入端水压传感器11监测朝向裂缝9中输水的水压力，通过多通道动态数据采集仪13记录该水压力变化数据。

所述裂缝9的两端和中间位置分别设置有夹式引伸计14。能够记录裂缝9两端和裂缝9中间部位的变形变化。

模拟高水压下混凝土水力劈裂的试验装置的试验方法，包括如下操作步骤：

（1）制作模具：选取1个矩形的底板1及4个边框板2，所述边框板2的一侧表面预留有插槽，用螺栓将边框板2固定在底板1的四个边缘，使其形成一个矩形框，边框板2的插槽朝向矩形框的内侧，在边框板2的插槽内插入横向挡板3，在横向挡板3预留的插槽内插入纵向挡板4，所述矩形框的内部分割成若干个立方体空间，在横向挡板3上切割出贯通的水平的刀口，在所述刀口中插入板片5，在所述板片5的上方布置若干根测压导管7，所述测压导管7分布在板片5的延伸方向上，相邻的测压导管7之间留有间距，所述测压导管7内置一根钢棒，并且通过铁丝缠绕将测压导管7固定定位，得到模具；

（2）浇筑试样：在步骤（1）得到的模具的内部表面和板片5表面涂抹脱模剂，拌和混凝土，搅拌均匀后浇入模具，进行振捣，振捣密实至表面范浆，在振捣过程中需在混凝土料下降后及时补充混凝土，振捣后抹平表面；

（3）脱模养护：完成步骤（2）后2-3h拔出板片5，形成裂缝9，完成步骤（2）后24h脱除模具，得到若干个混凝土试样6，对混凝土试样6进行自然养护；

（4）装样：将步骤（3）得到的混凝土试样6取出，干燥处理后，在裂缝9延伸的方向上的混凝土试样6表面粘贴若干个应变片8，所述裂缝9的两端分别粘贴有应变片8；在裂缝9上安装若干个夹式引伸计14，所述裂缝9的中间和两端均安装有夹式引伸计14；在裂缝9周围涂抹胶黏剂，并将挡水板18粘贴密封在裂缝9上，该挡水板18的中心设置有进水孔，将电调压力泵10的水管插入挡水板18中心的进水孔，通过电调压力泵10向裂缝9中输水，排出裂缝9内的气体，关闭电调压力泵10，在混凝土试样6另一侧表面的挡水板18中心布置有出水孔，电调压力泵10的水管通过三接头连接进水端水压传感器，挡水板18的端部的进水孔中插入出水端水压传感器的水管，将应变片8、夹式引伸计14、进水端水压传感器和出水端水压传感器的数据传输线16分别连接到多通道动态数据采集仪13的对应的接口；

（5）试验：通过电调压力泵10向裂缝9中输入水，提高裂缝9中的水压，并通过输入端水压传感器11实时记录水压的输入值，通过夹式引伸计14、应变片8、测压导管7实时记录混凝土试样6内部的水压力，通过夹式引伸计14、应变片8实时记录混凝土试样6的变形特征，逐步提高水压直至混凝土试样6被破坏；

（6）水力劈裂分析：更换混凝土试样6，重复步骤（4）和步骤（5），根据若干次试验的结果，对混凝土试样6的水力劈裂所呈现的现象及机理进行分析。

本发明方法利用模具能够一次制作多个混凝土试样6，通过试验多个混凝土试样6，得出多组实验数据，便于分析。

所述步骤（1）中板片5选用钢片，所述钢片的一端经过打磨处理，用于引导裂缝9开展方向。

所述步骤（4）中挡水板18选用钢板，所述钢板通过钢胶粘贴在混凝土试样6表面，且钢板的四周还涂刷有耐高压防渗胶。实现钢板与混凝土试样6完全密封。

所述步骤（4）中设置三个夹式引伸计14，三个夹式引伸计14依次设置在裂缝9的两端和中间位置。夹式引伸计14设置在具有代表性的三个位置，采集变形参数。

所述步骤（4）中设置八个应变片8，八个应变片8均设置在所述裂缝9的延伸方向上，所述裂缝9两端分别设置有四个应变片8。应变片8的数量根据混凝土试样6的大小确定，混凝土试样6的规格为边长15cm时，在裂缝9一端延伸方向上贴四个应变片8采集的数据就能够满足分析使用。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。