一种挤压边墙破碎变形的试验测试方法与流程

本发明属于水利工程技术领域，具体涉及一种挤压边墙破碎变形的试验测试方法。

背景技术：

面板堆石坝由200m级坝高向300m级坝高发展已经成为一种必然的趋势，马洪琪、徐泽平、杨泽艳等学者认为“提高坝体应力变形的预测水平，发展更为精细的模拟方法，提高数值模拟的精细度”是目前混凝土面板堆石坝从200m级坝高进一步向300m级坝高发展阶段有待深入研究的一个关键科学问题。

随着挤压边墙施工技术在高面板堆石坝工程中被广泛应用，工程界对挤压边墙的施工技术、挤压边墙的运行特征及破碎问题、挤压边墙的数值模拟分析方法、挤压边墙对混凝土面板应力变形及其裂缝的影响等相关科学问题开展了不同程度的研究，但是研究还是较少。目前工程界关于挤压边墙的认识还停留在“挤压边墙混凝土材料具有低强度、低弹模、半透水等性能特点及在大坝运行期，挤压边墙会被逐渐压碎，且压碎后与垫层料材料性质接近”的定性推测阶段，由此导致许多高面板堆石坝工程在进行大坝应力变形有限元预测分析时，一般都将挤压边墙及其应力变形性态按极端情况来进行近似数值模拟。

因此，开展挤压边墙破碎变形试验研究将会揭示不同荷载作用下挤压边墙发生破碎变形的规律，为发展更为精细的模拟方法，提高数值模拟的精细度奠定理论基础，为有效揭示挤压边墙的力学特性及挤压边墙与面板接触面的力学特性及提高面板堆石坝应力变形的预测水平提供重要的理论基础，对促进高面板堆石坝的发展具有重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种挤压边墙破碎变形的试验测试方法，能够准确、直观的反映挤压边墙受力后的变形性态。

本发明所采用的技术方案是，一种挤压边墙破碎变形的试验测试方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，制作横断面为梯形的挤压边墙试件；

步骤2，制作面板试件；

步骤3，使用经步骤1制备的挤压边墙试件与经步骤2制备的面板试件，制作面板-挤压边墙-垫层料试件；

步骤4，待步骤3完成后，将轴向变形传感器、环向变形传感器与三轴试验仪连接，并将轴向变形传感器固定在面板-挤压边墙-垫层料试件上部，将环向变形传感器固定在面板-挤压边墙-垫层料试件中部，使三轴试验仪的操作界面的传感器位移读数为零；

步骤5，将经步骤4处理后的面板-挤压边墙-垫层料试件送入三轴试验仪的压力室；

步骤6，设定三轴试验仪的试验参数，具体为：环向围压恒定为1mpa，初始轴压为1mpa，开始进行测试，轴压以0.5mm/min的速率不断增大，至面板-挤压边墙-垫层料试件中挤压边墙试件完全破碎后完成测试。

本发明的特点还在于：

步骤1制作挤压边墙试件，具体按照以下步骤实施：

步骤1.1，制作模具a，利用模具a和混凝土制作出挤压边墙试件；

模具a的结构为：包括底板a，底板a上设置有依次首尾连接成梯形的第一挡板、第二挡板、第三挡板及第四挡板，第一挡板与第二挡板之间的夹角为144.5°，第二挡板与第三挡板之间的夹角为35.5°，第三挡板与第四挡板之间的夹角为82.9°，第二挡板外壁连接有第一固定板，第三挡板外壁连接有第二固定板，第四挡板外壁连接有第三固定板，第一固定板、第二固定板及第三固定板均与底板a螺纹连接，第一挡板与第二挡板焊接；

在模具a的第一挡板、第二挡板、第三挡板和第四挡板的内壁及底板a内壁涂抹一层润滑油；

步骤1.2，待步骤1.1完成后，取混凝土搅拌均匀，其中，混凝土骨料粒径不超过5mm；

步骤1.3，将经步骤1.2得到的混凝土分两次装入经步骤1.1处理后的模具中，待第一次装入的混凝土初凝后，再进行第二次装入混凝土；

步骤1.4，将步骤1.3中的混凝土用捣棒按螺旋方向从边缘向中心均匀进行插捣；插捣底层时，捣棒应到达模具的底部；插捣上层时，捣棒插入的深度为10mm～15mm，插捣时捣棒要保持垂直。

步骤1.5，将步骤1.4中的混凝土顶部垫一块厚度为5mm的平整的钢板，使用橡胶锤锤击，使混凝土密实；

步骤1.6，待步骤1.5中的混凝土成型24h后拆卸模具，得到挤压边墙试件；

步骤1.7，将经步骤1.6得到的挤压边墙试件放入温度为20℃、相对湿度大于95％的养护箱中养护28天，备用。

步骤2制作面板试件，具体按照以下步骤实施：

步骤2.1，另取混凝土搅拌均匀后，将其倒入模具b或模具c中，并高出模具b或者模具c上口，其中混凝土骨料粒径不超过20mm；

模具b的结构为：包括底板b，在底板b上设置有半圆柱状的第一壳体和半圆柱状的第二壳体，第一壳体的两端外壁从上至下依次设置有若干个第一固定块，第二壳体的两端外壁从上至下依次设置有若干个第二固定块，第一固定块和第二固定块通过螺栓连接，第一壳体和第二壳体的外壁分别设置有第三固定块，且第三固定块通过螺栓与底板b连接；

模具c的结构为：在模具b内径的1/3处且紧贴模具b的内壁设置有隔板，所述隔板的高度与所述第一壳体高度相同；

步骤2.2，将步骤2.1中的模具b或模具c进行振动密实，待混凝土b表面泛浆后停止；

步骤2.3，待步骤2.2中的混凝土b初凝前1h～2h进行抹面，24h-48h后拆卸模具b或者模具c，得到圆柱状面板试件或者弧形面板试件；

步骤2.4，将步骤2.3得到的圆柱状面板试件或者弧形面板试件放入温度为20℃、相对湿度大于95％的养护箱中养护28天，备用。

步骤3制作面板—挤压边墙—垫层料试件的具体过程如下为：在三轴试验仪的试件安放底座上自下而上依次放置透水板、滤纸、圆柱体石膏，从石膏的上部往下套上圆柱状热塑套，热塑套的下端超过透水板5cm，使用热风枪对石膏顶部2cm以下的热塑套进行吹风，使热塑套与底座以及石膏试件紧密结合，在石膏顶部用橡胶带勒紧，在热塑套与底座的接口处用胶布密封；从热塑套顶部添加垫层料(粒径不超过5mm的砾石料)，对垫层料进行密实，密实后的厚度为55mm，将三块挤压边墙试件镶嵌至垫层料中，将圆柱状面板试件，透水板、三轴试验仪的压头依次放入；使用热风枪对石膏顶部2cm以上的热塑套进行吹风，使热塑套与垫层料、圆柱状面板试件及压头紧密结合，在热塑套与压头的接口处用胶布密封。

石膏的直径为150mm，高度为350mm；所述热塑套的直径为150mm，高度为550mm；圆柱状面板试件的直径为150mm，高度为45mm。

步骤3制作面板—挤压边墙—垫层料试件的具体过程如下：在三轴试验仪的试件安放底座上安放透水板，将圆柱状热塑套固定在底座上，热塑套的下端超过透水板5cm，使用热风枪对热塑套与底座接触部位以下部分进行吹风，使热塑套与底座紧密接触，将热塑套与底座接触处用胶布密封；从热塑套的上口将滤纸放入透水板之上，将弧形面板试件放入热塑套中，使弧面紧靠热塑套，使用热风枪对热塑套进行吹风，使热塑套与面板的弧面光滑；从热塑套的上口将第一块挤压边墙试件放入热塑套中，使其紧贴弧形面板试件，再将第一层垫层料、第二个挤压边墙试件、第二层垫层料、第三个挤压边墙试件、第三层垫层料、滤纸、透水板和压头依次放入；再次使用热风枪对热塑套进行吹风，使用胶布将热塑套与压头接口处进行密封；

第一层垫层料、第二层垫层料及第三层垫层料均分两次加入，并进行插捣密实。

热塑套的直径为150mm，高度为550mm；弧形面板试件的最大厚度为45mm，高度为450mm。

垫层料采用粒径不超过5mm砂石料。

步骤5将试件送入压力室的具体过程如下：将三轴试验仪的压力缸放下罩在经步骤4处理的面板-挤压边墙-垫层料试件上，固定三轴试验仪的压力缸与三轴试验仪的试件安放底座，将其送入三轴试验仪，吊起三轴试验仪的压力室调整位置，将压力室以1cm/s的速度放下，当上下压头即将接触时停止。

步骤1中轴向变形传感器和环向变形传感器的型号为mrh-12。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明一种挤压边墙破碎变形的试验测试方法，操作简单，易于实现，非常适合实验室研究应用；

(2)本发明一种挤压边墙破碎变形的试验测试方法，能够模拟在面板法向压力荷载作用下挤压边墙的破碎变形情况；

(3)本发明一种挤压边墙破碎变形的试验测试方法，能够模拟在面板顺坡向压力荷载作用下挤压边墙的破碎变形情况；

(4)本发明一种挤压边墙破碎变形的试验测试方法，其中挤压边墙试件、面板试件均按照实际工况等比例缩小，以满足试验仪器的需求，测试结果能够准确、直观的反映挤压边墙受力后的变形性态。

附图说明

图1是本发明的试验测试方法中涉及的模具a的结构示意图；

图2是本发明的试验测试方法中涉及的模具b的结构示意图；

图3是本发明的试验测试方法中涉及的模具c的结构示意图；

图4是本发明的试验测试方法中受顺坡向压力荷载作用下面板-挤压边墙-垫层料试件结构示意图；

图5是本发明的试验测试方法中受法向压力荷载作用下面板-挤压边墙-层料试件结构示意图；

图6是本发明的试验测试方法中顺坡向压力荷载作用下挤压边墙试件应力-应变关系曲线图。

图中，1.圆柱状面板试件，2.挤压边墙试件，3.垫层料，4.圆柱状石膏，5.弧形面板试件，6.第一挡板，7.第二挡板，8.第三挡板，9.第四挡板，10.底板a，11.第一固定板，12.第二固定板，13.第三固定板，14.第一壳体，15.第二壳体，16.第一固定块，17.底板b，18.第二固定块，19.第三固定块，20.隔板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种挤压边墙破碎变形的试验测试方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，制作横断面为梯形的挤压边墙试件，具体按照以下步骤实施：

步骤1.1，制作模具a，利用模具a和混凝土制作出挤压边墙试件；

该模具a的结构为：如图1所示，包括底板a10，在底板a10上设置有依次首尾连接成梯形的第一挡板6、第二挡板7、第三挡板8及第四挡板9，且第一挡板6与第二挡板7之间的夹角为144.5°，第二挡板7与第三挡板8之间的夹角为35.5°，第三挡板8与第四挡板9之间的夹角为82.9°；第二挡板7外壁连接有第一固定板11，第三挡板8外壁连接有第二固定板12，第四挡板9外壁连接有第三固定板13，且第一固定板11、第二固定板12及第三固定板13均通过螺栓与底板a10连接；第一挡板6与第二挡板7焊接；

在模具a的第一挡板6、第二挡板7、第三挡板8、第四挡板9及底板a10内壁涂抹一层润滑油；

步骤1.2，待步骤1.1完成后，取混凝土搅拌均匀，其中，混凝土骨料粒径不超过5mm；

步骤1.3，将经步骤1.2得到的混凝土分两次装入经步骤1.1处理后的模具a中，待第一次装入的混凝土初凝后，再进行第二次装入混凝土；

步骤1.4，将步骤1.3中的混凝土用捣棒按螺旋方向从边缘向中心均匀进行插捣；

插捣底层时，捣棒应到达模具的底部；插捣上层时，捣棒插入的深度为10mm～15mm，插捣时捣棒要保持垂直；

步骤1.5，将步骤1.4中的混凝土顶部垫一块厚度为5mm的平整的钢板，使用橡胶锤锤击，使混凝土密实；

步骤1.6，待步骤1.5中的混凝土成型24h后拆卸模具a，得到挤压边墙试件；

步骤1.7，将经步骤1.6得到的挤压边墙试件放入温度为20℃、相对湿度大于95％的标准养护箱中养护28天，备用。

步骤2，制作面板试件，具体按照以下步骤实施：

步骤2.1，另取混凝土搅拌均匀，将其倒入模具b或模具c中，并高出模具b或者模具c上口，其中混凝土骨料粒径不超过20mm；

如图2所示，模具b的结构为：包括底板b17，在底板b17上设置有半圆柱状的第一壳体14和半圆柱状的第二壳体15，第一壳体14的两端外壁从上至下依次设置有若干个第一固定块16，第二壳体15的两端外壁从上至下依次设置有若干个第二固定块18，第一固定块16和第二固定块18通过螺栓连接，第一壳体14和第二壳体15的外壁分别设置有第三固定块19，且第三固定块19通过螺栓与底板b17连接；模具b的内径150mm，高度750mm；

如图3所示，模具c的结构为：在模具b内径的1/3处且紧贴模具b的内壁设置有隔板20，隔板20的高度为750mm；

步骤2.2，将步骤2.1中的模具b或模具c进行振动密实，待混凝土b表面泛浆后停止；

步骤2.3，待步骤2.2中的混凝土b初凝前1h～2h进行抹面，24h-48h后拆卸模具b或者模具c，得到圆柱状面板试件或者弧形面板试件；

步骤2.4，将步骤2.3得到的圆柱状面板试件或者弧形面板试件放入温度为20℃、相对湿度大于95％的养护箱中养护28天，备用；

步骤3，使用经步骤1制备的挤压边墙试件与经步骤2制备的面板试件，制作面板-挤压边墙-垫层料试件；

法向压力荷载作用下面板-挤压边墙-垫层料试件的具体制作过程如下：

在三轴试验仪的试件安放底座上自下而上依次放置透水板、滤纸、圆柱体超强石膏，从石膏的上部往下套上圆柱状热塑套，热塑套的下端超过透水板5cm，使用热风枪对石膏顶部2cm以下的热塑套进行吹风，使热塑套与底座以及石膏试件紧密结合，在石膏顶部用橡胶带勒紧，在热塑套与底座的接口处用胶布密封；从热塑套顶部添加垫层料(粒径不超过5mm的砾石料)，对垫层料进行密实，密实后的厚度为55mm，将三块挤压边墙试件镶嵌至垫层料中，将圆柱状面板试件，透水板、三轴试验仪的压头依次放入；使用热风枪对石膏顶部2cm以上的热塑套进行吹风，使热塑套与垫层料、圆柱状面板试件及压头紧密结合，在热塑套与压头的接口处用胶布密封；石膏的直径为150mm，高度为350mm；热塑套的直径为150mm，高度为550mm；圆柱状面板试件的直径为150mm，高度为45mm；

顺坡向压力荷载作用下面板-挤压边墙-垫层料试件的具体制作过程如下：

在三轴试验仪的试件安放底座上安放透水板，将圆柱状热塑套固定在底座上，热塑套的下端超过透水板5cm，使用热风枪对热塑套与底座接触部位以下部分进行吹风，使热塑套与底座紧密接触，将热塑套与底座接触处用胶布密封；从热塑套的上口将滤纸放入透水板之上，将弧形面板试件放入热塑套中，使弧面紧靠热塑套，使用热风枪对热塑套进行吹风，使热塑套与面板的弧面光滑；从热塑套的上口将第一块挤压边墙试件放入热塑套中，使其紧贴弧形面板试件，再将第一层垫层料(粒径不超过5mm的砾石料)、第二个挤压边墙试件、第二层垫层料(粒径不超过5mm的砾石料)、第三个挤压边墙试件、第三层垫层料(粒径不超过5mm的砾石料)、滤纸、透水板和压头依次放入；再次使用热风枪对热塑套进行吹风，使用胶布将热塑套与压头接口处进行密封；第一层垫层料、第二层垫层料及第三层垫层料均分两次加入，并进行插捣密实；热塑套的直径为150mm，高度为550mm；弧形面板试件的最大厚度为45mm，高度为450mm；

步骤4，待步骤3完成后，将轴向变形传感器、环向变形传感器与三轴试验仪连接，并将轴向变形传感器固定在经步骤3制备的面板-挤压边墙-垫层料试件上部，将环向变形传感器固定在经步骤3制备的面板-挤压边墙-垫层料试件中部，使三轴试验仪的操作界面的传感器位移读数为零；

其中，轴向变形传感器和环向变形传感器采用美国mesa公司的型号为mrh-12的传感器；

步骤5，将经步骤4处理后的面板-挤压边墙-垫层料试件送入三轴试验仪的压力室，具体过程如下：

将三轴试验仪的压力缸放下罩在经步骤4处理的的面板-挤压边墙-垫层料试件上，固定三轴试验仪的压力缸与三轴试验仪的试件安放底座，将其送入三轴试验仪，吊起三轴试验仪的压力室调整位置，将压力室以1cm/s的速度放下，当上下压头即将接触时停止；

步骤6，经步骤5后，设定三轴试验仪的试验参数，具体如下：

环向围压恒定为1mpa，初始轴压为1mpa，开始进行测试，轴压以0.5mm/min的速率不断增大，至面板-挤压边墙-垫层料试件中挤压边墙试件完全破碎后完成测试。

测试用三轴试验仪为四川德翔科创仪器有限公司生产的dtd-2000粗粒土动静三轴试验仪。

养护箱为shby-90b型混凝土标准养护箱。

本发明挤压边墙破碎变形的试验测试方法，其原理具体如下：

(1)法相压力荷载作用下本发明试验测试方法的原理为：

实际工程中，挤压边墙处于混凝土面板与垫层料之间，其上游是混凝土面板，下游是压实后的垫层料；挤压边墙的受力为：面板的重力在垂直面板方向上的分量以及水库蓄水以后的水压力等法向压力荷载通过面板传递给挤压边墙，随着水位的升高，法向压力荷载逐渐增大，而挤压边墙受到垫层料的约束，在垂直面板的法向压力荷载的作用下，当作用在挤压边墙上的法向压力荷载达到某一值时，挤压边墙开始出现裂缝，当法向压力荷载进一步增大时，挤压边墙在该压力荷载的作用下有可能会被压裂破碎。

本发明的测试方法通过运用三轴试验仪模拟挤压边墙的在一定围压条件下受到面板法向压力荷载的受力特点受力以及挤压边墙的分层叠加、与面板以平面接触、与垫层料以齿状接触的结构特征，揭示挤压边墙在面板法向压力荷载下的压裂破碎规律；面板-挤压边墙-垫层料试件制作安装好之后，运用三轴仪保持围压不变，轴压以0.5mm/min的速率施加在混凝土的面板上来模拟实际工程中的法向压力荷载。

(2)顺坡向压力荷载作用下本发明试验测试方法的原理为：

实际工程中，挤压边墙的上游是混凝土面板，下游是压实后的垫层料以及堆石坝体，挤压边墙处于混凝土面板与垫层料之间；上面的坝体自重以及水的重力等都会对下面的挤压边墙产生一个顺坡向的压力荷载，这个荷载是长期存在的，并且随着水位的升高，顺坡向压力荷载会逐渐增大，并且挤压边墙受到垫层料的约束不能自由变形。

本发明的测试方法通过运用三轴试验仪来模拟挤压边墙所受的围压及顺坡向压力荷载，挤压边墙处于上游面板和下游垫层料之间、挤压边墙具有自身分层叠加、与面板以平面接触、与垫层料以齿状接触的特殊结构。由于三轴试验仪试件只能是圆柱体，所以用横断面为弧形的混凝土面板模拟实际工程中的混凝土面板，面板-挤压边墙-垫层料试件制作安装好之后，运用三轴试验仪对其施加围压和顺坡向压力荷载。

如图4所示，为受法向压力荷载作用下面板—挤压边墙—垫层料试件结构示意图，底部为圆柱状石膏，石膏上面一次放置垫料层，密实后，按照实际工况下挤压边墙的搭接比例及方式进行放置三块挤压边墙试件，再放置圆柱状面板试件，即组合成面板-挤压边墙-垫层料试件。

如图5所示，为受顺坡向压力荷载作用下面板-挤压边墙-垫层料试件结构示意图，侧面为横断面为弧形的面板试件，紧贴弧形面板试件的直面放置挤压边墙试件，挤压边墙试件按照实际工况下挤压边墙的搭接比例及方式进行放置，放置完每块挤压边墙试件时，均放置垫层料，并进行密实，放置垫层料时保证垫层料不在面板试件的弧形面及挤压边墙与面板试件的接触面中存在，以保证密封性；

如图6所示，为顺坡向压力荷载作用下挤压边墙试件应力-应变关系曲线图，环向围压恒定为1mpa，初始轴压1mpa，轴压以0.5mm/min的速率不断增大，压力由1mpa增加到5.2mpa时，应变由0增加到0.45％。

本发明一种挤压边墙破碎变形的试验测试方法，不仅能够模拟在面板顺坡向压力荷载作用下挤压边墙的破碎变形情况，还能够模拟在面板法向压力荷载作用下挤压边墙的破碎变形情况，其中挤压边墙试件、面板试件均按照实际工况等比例缩小，以满足试验仪器的需求，测试结果能够准确、直观的反映挤压边墙受力后的变形性态，为面板堆石坝工程在进行大坝应力变形有限元预测分析时，挤压边墙及其应力变形性态提供数据支撑，保证数值模拟更加准确。