一种往复荷载及高水压下混凝土构件水力劈裂测试试验机的制作方法

本发明属于水工混凝土建筑物水力劈裂模拟实验技术领域，尤其是涉及一种在往复荷载及高水压作用下的混凝土构件的水力劈裂测试试验机。不仅适用于探索水工混凝土结构上的裂缝在动载及高水压作用下发生水力劈裂的机理和规律，还可以用于研究减小水力劈裂危害，确保结构安全的方法。

背景技术：

水力劈裂最早被应用于石油工程中，常用于加快石油的开采速度，促进产量的增长。将岩体或混凝土结构内已有的裂缝或空隙在高压水作用下，发生扩展、扩张、相互贯通等物理现象统称为水力劈裂，其实质就是指在高压水作用下，结构内部发生裂缝扩展的过程。在水利界中，伴随着一系列重大的事故的发生，如美国的特顿坝(Teton)、法国的马尔帕赛拱坝(Malpasset)和意大利的瓦伊昂拱坝(Vaiont)等，水力劈裂在大坝中的危害已引起了专家和学者们的高度重视。

近年来，我国已建或在建的的大多数混凝土坝的坝址区位于西北、西南地区，地质条件复杂，地震活动较频繁。混凝土结构不可避免的会出现一些裂缝，一旦遭受可能发生的地震，这些裂缝在地震等往复荷载及高水压的共同作用下，发生水力劈裂过程，不仅危害到大坝的安全，影响了整个工程效益的充分发挥，而且更直接威胁到下游人民的生命财产安全。因此，深入研究往复荷载及高水压作用下水工混凝土构件的水力劈裂问题具有重大的意义。

目前，已有学者采用带预制裂缝的圆柱形混凝土试件，通过导管充入高压水或高压氮气的方式或者采用紧凑型拉伸试件通过楔入式加载的方式实现混凝土构件的劈裂过程。前者只能测定混凝土构件发生劈裂时的静水压力及裂缝的最终扩展路径，无法实时观测裂缝的扩展，更别说裂缝扩展与往复荷载及水压的相互关系；后者可通过调节不同荷载测得裂缝内水压力的变化，得出在静荷载及水压共同作用下对混凝土构件裂缝扩展的影响，这些大多只能用于静荷载作用的研究，难于实现地震等往复荷载的施加，尽管有学者通过在加载架上加装弹簧或磁铁，转静载为动载，模拟裂缝的张开、闭合过程，但弹簧或磁铁强度有限，裂缝的闭合过程不充分，与实际工程存在较大的差距。本发明提供一个往复荷载及高水压作用下混凝土构件发生水力劈裂的测试试验机，可完整实现裂缝的张开、闭合过程。

技术实现要素：

技术问题：

针对现有技术方案存在的问题，本发明公开了一种往复荷载及高水压下混凝土构件水力劈裂测试试验机，可对水工混凝土构件裂缝的起裂、扩展及失稳等全过程进行测试。与现有混凝土断裂扩展测试试验机相比，本发明可在同时施加往复荷载、高水压及动水压力情况下，测试混凝土构件的水力劈裂过程，其结构设计简单、操作方便、测试功能多样和测试过程安全可控。

技术方案：

一种往复荷载及高水压下混凝土构件水力劈裂测试试验机，包括MTS试验机作动头、轴向力传感器、作动连接杆、楔形加载架、轴承、传力钢轴、小型轴力传感器、小型作动连接杆、直线导轨、高压密封缸、密封缸连接杆、非接触式光测窗口、排气孔及注水管；MTS试验机作动头、轴向力传感器、作动连接杆、楔形加载架组成混凝土试件上的往复荷载加载部分；楔形加载架上开有直线导轨，由直线导轨、轴承、小型作动连接杆、小型轴力传感器、传力钢轴组成混凝土试件上的往复荷载传动部分；高压密封缸、非接触式光测窗口、密封缸连接杆组成混凝土试件的高压密封腔部分；高压密封缸右侧有连接高压水的注水管，顶部有排气孔；传力钢轴位于混凝土试件上部的两个四分点处；混凝土试件上部有一预制裂缝，裂缝下侧线性阵列一系列水压测压孔；混凝土试件位于高压密封缸内部，其底部置于试样支座上。

所述混凝土试件为全级配混凝土试件，其尺寸为450mm×450mm×200mm；所述预制裂缝深度150～200mm，宽度1～3mm为宜；所述的水压测压孔线性阵列分布于裂缝下侧，直径宜为1～3mm。

所述的预制裂缝、混凝土试件、试样支座三者中心线位于同一平面。

所述混凝土试件上部四分点处开有钢轴孔洞，传力钢轴穿过钢轴孔洞，两端分别连接轴承；所述的传力钢轴与混凝土试件之间是可转动的。

所述直线导轨对应平行于楔形加载架外沿面。

有益效果：

本发明提供的一种往复荷载及高水压下混凝土构件水力劈裂测试试验机，克服了传统混凝土断裂扩展测试试验机无法测试动载及高水压下裂缝张开、闭合过程的缺陷，采用高压密封腔，通过MTS试验机作动头、作动连接杆、楔形加载架、小型作动连接杆等对混凝土试件快速施加往复荷载；预制裂缝张开、扩展过程中，高压水迅速充满缝间，预制裂缝闭合过程中，首先从传力钢轴端面开始闭合，缝间高压水因流出不及时而压力升高，进而促使裂缝尖端进一步扩展，可研究混凝土结构裂缝张开、扩展及闭合与动荷载的时程关系；实验过程中可通过非接触试光测窗口进行非接触、高精度记录水力劈裂路径，并通过预留的水压测压孔测得裂缝端面的水压力分布变化情况，为探究混凝土结构在动载及高压水作用下的开裂扩展机理提供实验依据。本发明提供的测试试验机结构设计简单，密封安全可靠，测试功能多样，操作便捷，稳定可控，制备的混凝土试件符合实验要求。

附图说明

图1为本发明一种往复荷载及高水压下混凝土构件水力劈裂测试试验机实施时的示意图；

图2为本发明一种往复荷载及高水压下混凝土构件水力劈裂测试试验机实施时的正面示意图；

图3为图2的a部局部放大结构示意图；

图4为本发明一种往复荷载及高水压下混凝土构件水力劈裂测试试验机实施时的侧立示意图。

图中：

l—试样支座 2—混凝土试件

3—楔形加载架 4—直线导轨

5—轴承 6—非接触式光测窗口

7—小型轴力传感器 8—密封缸连接杆

9—作动连接杆 10—轴向力传感器

11—MTS试验机作动头 12—排气孔

13—预制裂缝 14—小型作动连接杆

15—高压密封缸 16—传力钢轴

17—注水管 18—水压测压孔

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明提供的一种往复荷载及高水压作用下混凝土构件水力劈裂测试试验机实施时的示意图，包括MTS试验机作动头(11)、轴向力传感器(10)、作动连接杆(9)、楔形加载架(3)、轴承(5)、传力钢轴(16)、小型轴力传感器(7)、小型作动连接杆(14)、直线导轨(4)、高压密封缸(15)、密封缸连接杆(8)、非接触式光测窗口(6)、排气孔(12)及注水管(17)；MTS试验机作动头(11)、轴向力传感器(10)、作动连接杆(9)、楔形加载架(3)组成混凝土试件(2)上的往复荷载加载部分；楔形加载架(3)上开有对应平行于外沿边的直线导轨(4)，如图2所示；由直线导轨(4)、轴承(5)、小型作动连接杆(14)、小型轴力传感器(7)、传力钢轴(16)组成混凝土试件(2)上的往复荷载传动部分；高压密封缸(15)、非接触式光测窗口(6)、密封缸连接杆(8)组成混凝土试件(2)的高压密封腔部分；高压密封缸(15)右侧有连接高压水的注水管(17)，顶部有排气孔(12)；传力钢轴(16)位于混凝土试件(2)上部的两个四分点处；混凝土试件(2)上部有一预制裂缝(13)；混凝土试件(2)位于高压密封缸(15)内部，其底部置于试样支座(1)上。

具体的，所述混凝土试件(2)为全级配混凝土试件，尺寸为450×450×200mm；所述预制裂缝(13)宽2mm，深200mm，位于试件中心线处；所述水压测压孔(18)线性阵列分布于裂缝下侧，直径2mm。

具体的，所述楔形加载架(3)其楔角α＝15°，如图3所示，这样较小的竖向荷载可以提供较大的水平荷载。

具体的，所述混凝土试件(2)上部四分点处开有钢轴孔洞，传力钢轴(16)穿过钢轴孔洞，两端分别连接轴承(5)；所述的传力钢轴(16)与混凝土试件(2)之间是可转动的。

在试验过程中，由注水管(17)连接高压水泵向高压密封缸(15)注水，由排气孔(12)排出腔内空气，排尽后关闭排气孔(12)；由MTS试验机作动头(11)施加往复荷载，通过轴向力传感器(10)、作动连接杆(9)、楔形加载架(3)、直线导轨(4)、小型作动连接杆(14)、小型轴力传感器(7)、轴承(5)及传力钢轴(16)传至混凝土试件(2)；依据点到直线距离，垂线最短的基本定律，小型作动连接杆(14)、小型轴力传感器(7)、轴承(5)及传力钢轴(16)组成的传动部分始终与直线导轨垂直；当MTS试验机作动头(11)向下加载过程中，只由楔形加载架(3)外沿面作用于轴承(5)提供荷载，直线导轨(4) 处不产生额外荷载，此时预制裂缝(13)逐渐张开、扩展，高压水迅速充满缝间；当MTS试验机作动头(11)向上加载过程中，只由直线导轨(4)作用面通过小型作动连接杆(14)、小型轴力传感器(7)提供荷载，楔形加载架(3)外沿面不产生额外荷载，此时预制裂缝(13)从传力钢轴(16)端面处开始闭合，缝间高压水因流出不及时而水压升高，促使水力劈裂的发生，预制裂缝(13)进一步扩展；如此往复，直至混凝土试件(2)完全劈裂。

如图4所示，所述高压密封缸(15)前端面处设有透明的非接触式光测窗口(6)；所述混凝土试件(2)中下段线性阵列均匀分布有多个预留的水压测压孔(18)。整个试验过程中，通过非接触式光测窗口(6)采用现代光学实验手段记录预制裂缝(13)附近区域应变场分布及裂缝扩展实时路径；通过线性阵列的水压测压孔(18)记录缝间水压力的实时分布情况。