轴向力下混凝土试件水力劈裂试验密封装置及实施方法与流程

本发明涉及混凝土水力劈裂试验实施方法，适用于研究混凝土结构发生水力劈裂的机理和规律，也可用于探索减小水力劈裂所需混凝土试件的方法。本发明还提供所述水力劈裂试验的一种密封装置。

背景技术：

水力劈裂是水流在岩体或者混凝土的间隙内运动与周围固体变形耦合的过程，表现为高压水流将岩体和混凝土内已有的裂隙和空隙驱动扩张、扩展、相互贯通等。水力劈裂是由于水压力的抬高在岩体或混凝土中引起裂缝发生与扩展的一种物理现象。

水力劈裂最早在石油天然气领域中出现，随后作为石油天然气工业中的一项技术措施而被广泛应用。后来，这种水力劈裂也逐渐应用在岩土工程和水工建筑中，但是与此同时也给许多工程带来事故，比如堤坝的防渗和损坏，压力输水隧洞破裂漏水等。

近年来，随着水电事业的高速发展，大型水库、高坝的建设越来越多，在建和拟建的混凝土重力坝已经发展到300米级，然而这些大坝都会不可避免的出现一些裂缝，这就为高压水力劈裂提供了条件。

混凝土水力劈裂发生的机理比较复杂，在实际工程中就可以体现出来，比如，混凝土坝由于温度、施工和混凝土干缩等因素的影响。坝体表面不可避免地存在裂缝，裂缝的形式多样，如：水平缝，竖直缝等。裂缝所处的工况也很复杂，如：无应力缝、受压缝，受拉缝等。由于试验设备和试验装置的限制，以往学者仅针对轴向受力条件下的混凝土试件初始裂缝没有贯穿试件厚度方向的情况下进行了研究，且无法看到初始裂缝尖端部位在轴力作用下裂缝的扩展形式。

技术实现要素：

为了进一步更好的研究混凝土试件水力劈裂问题，需要设计一种新的水力劈裂试验的密封装置和实施方法。本发明的目的是提供一种轴向力下混凝土试件水力劈裂试验密封装置。本发明的另外一个目的在于提供一种能够观察到不同倾斜角的初始裂缝在轴向力和水压力作用下的扩展形式的混凝土试件水力劈裂试验的实施方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

轴向力下混凝土试件水力劈裂试验密封装置，包括混凝土试件（1）、盖板a、盖板b和一面开口的长方体模具（15），所述长方体模具（15）内灌注混凝土得到混凝土试件（1）；混凝土试件（1）的上部中间与盖板a密封连接，混凝土试件（1）的下部中间对应盖板a处与盖板b密封连接；混凝土试件（1）沿其厚度方向预埋有若干个上下贯通且带螺纹的螺杆（5），混凝土试件（1）沿其长度方向的两端面预埋若干个螺栓（6）；混凝土试件（1）的上、下部中间对应位置处设有正方形凹槽（7），位于混凝土试件（1）上部的正方形凹槽（7）的中间部位设有初始裂缝（2），初始裂缝（2）的两端处设有应变片（3），初始裂缝（2）的中部和两端部均设有夹式引伸计（4）；所述盖板a与混凝土试件（1）上的螺杆（5）连接处设置有螺纹孔（11），盖板a的中间位置设置有一个正方形角钢槽（12），正方形角钢槽（12）与正方形凹槽（7）相互配合密封连接，正方形角钢槽（12）的中间位置挖去尺寸小于正方形角钢槽（12）的正方形小钢块形成台阶形槽，台阶形槽内放置钢化玻璃（8），钢化玻璃（8）通过螺丝与台阶形槽固定，钢化玻璃（8）上对应混凝土试件（1）内的初始裂缝（2）位置设置有进水管接口（9）和出水管接口（10）；所述盖板b与混凝土试件（1）上的螺杆（5）连接处设置有螺纹孔（11），盖板b的中间位置设置有一个正方形角钢槽（12），正方形角钢槽（12）与正方形凹槽（7）相互配合密封连接。

进一步地，所述的混凝土试件（1）为长方体结构，混凝土试件（1）沿其厚度方向预埋有六根上下贯通且带螺纹的螺杆（5），螺杆（5）设置在正方形凹槽（7）的两侧，正方形凹槽（7）内涂抹环氧树脂胶。

进一步地，在靠近所述初始裂缝（2）的一端呈v字型对称粘贴8个10mm长的应变片（3），靠近初始裂缝（2）的另一端垂直于初始裂缝（2）粘贴4个50mm长的应变片（3）。

进一步地，所述的钢板a、钢板b上预留的螺纹孔（11）为长方形，且长方形四个角是圆弧形，施加轴向力的方向沿着长方形的长边，螺纹孔（11）的截面尺寸比螺杆（5）截面尺寸大一倍，用于在轴向变形很大时沿着轴向力方向滑动。

进一步地，所述的正方形角钢槽（12）内插入硅胶板，与混凝土试件（1）上的正方形凹槽（7）相互配合，密封连接。

本发明的另外一个目的是这样实现的：

轴向力下混凝土试件水力劈裂试验实施方法，包括以下步骤：

步骤一、制做一混凝土试件（1），在试件中间位置预留一初始裂缝（2），该初始裂缝（2）贯穿混凝土试件（1）的厚度方向，为预留通缝；

步骤二、对设有初始裂缝（2）的混凝土试件（1）施加轴向力；

步骤三、向该初始裂缝（2）中注入水，施加一定的水压力，直到所述混凝土试件（1）被水压劈裂。

进一步地，在步骤一中，所述初始裂缝（2）与混凝土试件（1）受轴向力方向所成的角度不同；在步骤二中，所述轴向力是在水压力恒定时施加轴向力；在步骤三中，所述水压力是在轴向力恒定时施加水压力。

进一步地，所述初始裂缝（2）周围要打磨平整，布置应变片（3）和夹式引伸计（4），并用隔水绝缘胶填充磨平，初始裂缝（2）的厚度为4mm。

进一步地，在所述步骤一中制做带有初始裂缝（2）的混凝土试件（1），其具体的方法包含以下步骤：用一面开口的长方体模具（15）制做预留通缝的混凝土试件（1），在混凝土试件（1）的长度方向的两端面预埋带螺纹的螺栓（6）各4根，所述螺栓（6）是用于混凝土试件（1）轴向力的施加，加载时对固定在螺栓（6）上的钢板施加轴力；在长方体模具（15）截面面积最大的面上中心位置留设初始裂缝（2）的位置，在此位置上插入预留缝钢片（13）；沿初始裂缝（2）长度方向预埋6根带有螺纹的螺杆（5），用于密封装置的实施，在长方体模具（15）截面面积最大的两个面中间位置镶嵌正方形凸模（14），用于密封装置的实施；最后，浇筑带有初始裂缝（2）的混凝土试件（1）。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比有如下特点：

本发明所述的混凝土试件，试件采用全级配混凝土，试件尺寸为长900mm，宽600mm，厚200mm，试件沿着厚度方向预埋6根带螺纹的螺杆，试件上裂缝口附近的区域用打磨机打磨平整，用来布置应变片、夹式引伸计，试件沿厚度方向以及施加轴向力方向预埋带螺纹的螺杆若干。

本发明所述的盖板a和b均为钢板，钢板尺寸为450mm的正方形，厚10mm。钢板a和b上各钻有6个螺纹孔，且与预埋在混凝土试件沿厚度方向带螺纹的螺杆位置一一对应，通过螺帽与盖板紧密接触。盖板a上的钢化玻璃对应预留缝的位置开有2个螺纹孔，分别是进水管接口和出水管接口。

本发明所述各式试验数据测量仪器包括12个应变片，布置于预留缝两端。在预留缝的两端部和中部共布置三个夹式引伸计用来测量预留缝的缝口及缝尖位移值。一个荷载传感器和一个位移传感器，分别用来测量施加轴向力的荷载和产生的位移值。试验过程中的测量数据均可以在主机上实时采集和保存。

与现有技术相比，本发明的优点效果为：

（1）改进了以往装置不能通过密封盖板观察到初始裂缝在轴向力和水压力联合作用下的扩展过程的不足。而采用该装置可以通过密封盖板上的钢化玻璃观察初始裂缝的扩展情况。

（2）试件上的初始裂缝是贯穿其厚度方向的，为预制通缝，这有别于现有的轴拉试件形式，现有的轴拉试件均采用单面预制裂纹，裂纹并不贯通，这虽然可以避免水的渗透，但也使得整个裂纹所在界面无法实现真正的全截面承受水压力，而本发明采用的穿透裂缝试件形式使得整个裂纹面都能受到均匀的水压力的作用，实现了真正的裂纹面全部受到水压力作用。同时，本发明所用试件形式在一定程度上可以减小混凝土试件的的厚度进而减小其体积，从而使得试件制作和研究更为方便。

（3）试件上的密封盖板上的螺纹孔比螺杆截面尺寸大一倍，这样可以在轴向变形很大的时候沿着轴向力的方向可以滑动，可以在一定程度上减小盖板对螺杆在轴力方向上产生的摩擦对试验结果的影响。

（4）改进了以往装置沿水平方向施加轴向力的方式，由于试件重量明显小于以往的同类试件，因此本装置除了可以采用沿水平方向施加轴向力的方式外，还可以实现竖直方向施加轴向力方式。由于实验装置和试件本身为轴对称装置，采用竖直方向试验还可以消除试件的重力所产生的偏心作用。

（5）试验的轴压、水压加载系统相互独立，可以根据试验的具体要求，自由调节和控制，而且试验过程中应变、位移、荷载等数据均可实现自动采集和保存。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的混凝土试件的俯视图。

图3为本发明中盖板a的俯视图。

图4为本发明中盖板b的俯视图。

图5为本发明试件模具的结构示意图。

图6为本发明钢化玻璃上的进水口和出水口示意图。

其中：1、混凝土试件，2、初始裂缝，3、应变片，4、夹式引伸计，5、螺杆，6、螺栓，7、正方形凹槽，8、钢化玻璃，9、进水管接口，10、出水管接口，11、螺纹孔，12、正方形角钢槽，13、预留缝钢片，14、正方形凸模，15、长方体模具。

具体实施方式

下面结合相关附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例

如图1到图6所示，一种轴向力下混凝土试件水力劈裂试验密封装置，包括一面开口长方体模具15，长方体模具15内面积最大的两个面上中间位置镶嵌有正方形凸模14，中心位置预埋有预留缝钢片13，盖板a和b。长方体模具15内灌注混凝土得到混凝土试件1和正方形凹槽7。混凝土试件1沿其厚度方向预埋有六根上下贯通且带螺纹的螺杆5，混凝土试件1两端面上个预埋四根螺栓6，所述盖板a、b上同一个位置各开有六个与螺杆5位置对应的螺纹孔11，所述盖板a的中部钢化玻璃8上对应混凝土试件1的初始裂缝2位置有进水管接口9和出水管接口10，所述盖板a、b上固定有比钢化玻璃8边长长的正方形角钢槽12，通过在正方形角钢槽12内插入硅胶板以及在混凝土试件1上正方形凹槽7内涂抹环氧树脂形成密封装置。为了布置应变片3和夹式引伸计4，所述初始裂缝2周围要打磨平整，并用隔水绝缘胶填充磨平。

如图1所示，本发明的密封盖板a和b与混凝土试件1通过带螺纹的螺杆5固定连接。本发明的密封装置通过把角钢固定在盖板a、b中间位置形成正方形角钢槽12，正方形角钢槽12内插入硅胶板，在混凝土试件1上的正方形凹槽7内涂抹适量的环氧树脂，再将盖板a、b盖上。硅胶板与环氧树脂之间的密封粘结通过螺杆5与螺帽的固定形成挤压作用。

如图2所示，本发明的应变片3布置于初始裂缝2的两端部，一侧垂直于初始裂缝2方向布置4个，另一侧垂直于初始裂缝2方向布置成v字形粘贴8个，总计12个。

如图3所示，本发明盖板a上放钢化玻璃8的位置将钢板挖去一个钢化玻璃8大小的钢块，做成台阶形槽，钢化玻璃8放在槽内，通过螺丝将其与盖板a固定。

一种混凝土试件水力劈裂试验的实施方法，包括一面开口的长方体模具15，在长方体模具15截面面积最大的两个面中间位置预埋形成初始裂缝2的预留缝钢片13，且在长方体模具15截面面积最大的两个内面中间位置镶嵌一个正方形的凸模14，长方体模具15内灌注混凝土得到混凝土试件1及正方形凹槽7。混凝土试件1沿着试件厚度方向围绕初始裂缝2等间距预埋6根带螺纹的螺杆5，混凝土试件1两端面分别预埋4根带螺纹的螺栓6。初始裂缝2的周围要打磨平整，布置用来测量初始裂缝2端部位移值的夹式引伸计4和应变片3，并用隔水绝缘胶填充磨平。

一种混凝土试件水力劈裂试验的密封装置，包括混凝土试件1上面的盖板a，下面的盖板b，盖板a和盖板b上开设有数个上下贯通的且与沿着混凝土试件1厚度方向预埋的螺杆5位置对应的螺孔11，盖板a中间位置挖去边长比初始裂缝2尺寸大的正方形小钢块形成台阶形槽，台阶形槽内放置钢化玻璃8，钢化玻璃8可以通过螺丝固定在台阶形槽上；在钢化玻璃8上对应混凝土试件1上初始裂缝2位置预留一个进水管接口9和一个出水管接口10；盖板a和盖板b中间位置均固定有一个正方形角钢槽12，与混凝土试件1上的正方形凸模14形成的正方形凹槽7相对应，且正方形角钢槽12所围面积比钢化玻璃8面积大；正方形凹槽7内涂抹一定的环氧树脂胶，正方形角钢槽12内插入延性较好的硅胶板，再将其插入涂有环氧树脂胶的正方形凹槽7内，最后将盖板表面的带螺纹的螺杆5通过螺帽与盖板a和盖板b固定好，为了保证盖板a、盖板b对混凝土试件1所产生的压力一致，盖板a、盖板b上每个螺杆5的螺帽拧的圈数保持一致；混凝土试件1两端面可以套入厚70mm的长方形钢板，钢板与混凝土试件1两端通过预埋的螺杆螺栓6固定，加载时通过对钢板施加轴向力。

本发明的研制主要包括以下步骤：

（1）试件制备：使用内部尺寸为900mm×600mm×200mm的长方体模具15制做混凝土试件1，且在长方体模具15内侧900mm×600mm的两个面中间位置各镶嵌一个尺寸为300mm×300mm的正方形凸模14。混凝土试件1浇筑前，首先在长方体模具15上的900mm×600mm面上固定预留缝钢片13用于预制初始裂缝2，预留缝钢片13的尺寸为300mm×130mm×4mm，且预留缝钢片13沿混凝土试件1厚度方向为300mm，故形成的初始裂缝2的长度为混凝土试件1的厚度，即为200mm，形成初始裂缝2的宽度为130mm，初始裂缝2的厚度为4mm，根据试验的需要，可以预制不同倾斜角的初始裂缝2。在长方体模具15的900mm×600mm的面上开孔架设预埋螺杆5。将六根直径12mm，长350mm，带螺纹的螺杆5插入孔内，在长方体模具15的600mm×200mm的面上开孔架设预埋螺栓6，将八根直径25mm，长300mm带螺纹的螺栓6分别插入长方体模具15两端的孔内，用来两端轴向力的施加。最后浇筑混凝土试件1。

（2）测量仪器布置：通过液压泵实现轴向力和水压力的施加，通过结合轴力传感器和高精度压力表及直动式溢流阀实现轴向力和水压力的控制，初始裂缝2两端部需要贴应变片3和夹式引伸计4，为了粘贴效果更好，需要将初始裂缝2周围打磨平整。在初始裂缝2的两端部和中间位置均布置有夹式引伸计4，在初始裂缝2的两端部粘贴应变片3，一端垂直于裂缝长度方向布置4个，该应变片3的长度为50mm，宽度为3mm；另外一端布置成关于裂缝长度对称的v字形，两边各布置4个应变片，该应变片的长度为10mm宽度为3mm；此外，将连接应变片3、夹式引伸计4的导线引出，用环氧树脂胶涂抹填充，使其在试验时可以起到隔水与绝缘的效果。然后将盖板a、b通过螺杆5固定。为了保证盖板a、b对试件所产生的压力一致，盖板a、b上每个螺杆5的螺帽拧的圈数一致。混凝土试件1两端面可以套入厚70mm的长方形钢板，钢板与混凝土试件1两端通过预埋的螺杆螺栓6固定，加载时通过对长方形钢板施加轴向力。试验时，先通过盖板a上的进水管口9在初始裂缝2内注满水，为了将密封装置内空气排出，出水管口10在开始往初始裂缝2内注水时打开，当初始裂缝2内充满水后封闭。最后通过油压机加压完成混凝土试件1的水力劈裂过程。

（3）数据采集方面：试验过程中轴向力通过荷载传感器可以将轴向力产生的应变量转换成电压信号输出到数据采集仪从而得到轴向力值；应变片3所测裂缝端部的应变可以通过动态应变系统采集，动态应变系统为现有的动态应变仪；夹式引伸计4所测初始裂缝2在扩展过程中的缝宽和缝尖位移值可以通过连接到电脑上的低速信号采集系统收集并反映在坐标系统中的曲线上，再通过分析进而得到结果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。