静水压力下大坝混凝土裂缝内水压试验研究

王建敏 邵 玲

近几十年来，对于混凝土大坝安全的研究日益成为各国坝工界十分关注的一个研究课题。对于水工混凝土结构坝，裂缝问题是普遍存在的，许多混凝土在施工期和运行期就产生了各种各样的裂缝，裂缝的存在将会影响大坝的安全性和耐久性。对于在地震或循环荷载作用下的水工结构，水进入裂缝，水压使得裂缝扩展，从而对水下结构的安全产生影响。为此国内外的学者在此方面进行了研究，但由于水压力作用下的混凝土断裂试验难度非常大，装置较为复杂，国外只是少数学者开展过这方面的试验研究。Brhuwiler和Saouma对不同水压下扩展裂缝中水压力分布进行了研究［1，2］。Volker Slowik和Saouma针对不同加载速率和裂缝突然闭合下，裂缝内水压力、水前峰和裂缝扩展之间的关系进行了研究［3］。李宗利对岩体水力劈裂机理进行了理论分析和数值模拟研究，并将其应用于地下洞室围岩稳定分析中［4］;黄云、金峰等人［5］研究了水力劈裂对某坝高278 m的拱坝上游面初始裂缝稳定性的影响，考虑了缝内水压分布呈矩形、三角形等不同分布形式时裂缝开展情况及坝体应力特性。

1 试验概述

试验采用楔入式紧凑拉伸试件，具体尺寸如表1所示。试验采用商品混凝土一次性浇筑完毕，配合比为水泥∶砂∶石子∶水= 1∶2.17∶3.29∶0.52。水泥采用大连小野田水泥厂生产的325号普通硅酸盐水泥，粗骨料为青碎石，最大粒径为30 mm;细骨料为河砂，最大粒径为5 mm。试件为一次商品混凝土浇筑成型，总计个数为40个，由于试验的难度和前期的准备，成功施加水压的个数为11个，试验中的编号为按照40个试件的统一编号。

表1 试件尺寸参数表

2 加载方式

水压施加共分为四个等级，分别为0.1 MPa，0.2 MPa，0.3 MPa和0.4 MPa。试验中采用双重压力加载方式，其中由试验机提供的机械荷载用以模拟混凝土坝所受的外水压力，由电动试压泵提供的加载在预制缝中的水压力用以模拟混凝土坝裂缝内的内水压力。水压采取加卸载的循环方式［6-8］。横向荷载每增加3 kN，稳定荷载，施加一个水压循环，即快速加载至设定值，稳定20 s后卸载。在此过程中，时刻监视荷载的变化，根据位移曲线调整荷载实验机油门大小，保证荷载稳定。由计算结果得出，随着水压的增加，试件所承受的最大荷载逐渐减小，相应的水压加载循环也在逐渐减小。在0.1 MPa增加到0.4 MPa的过程中，试件的最大荷载减小了一半，这说明裂缝内水压的劈裂作用是不容忽视的，需进行详细的分析研究。

3 缝内水压扩展规律模拟研究

3.1 缝内水压扩展曲线的实验测定

扩展裂缝内的水压测量方法是利用埋入试件侧面的压力传感器进行测定的，考虑压力传感器的大小以及试件孔洞应力集中的影响，每个传感器中心的设定间距为50 mm，但由于试件打制的问题，传感器之间的距离会与设定值有一定的差距，为此在试件劈裂之后量取预留孔中心至裂缝尖端的距离作为裂缝扩展位置。每个压力传感器在实验前进行过标定，由IMC数据采集仪所得到的数据结果为真实水压力，勿需再进行转化。

图1列出了0.3 MPa水压下扩展裂缝内的水压变化随记录点数的变化规律。随着裂缝宽度的逐渐增大，压力水才开始进入扩展裂缝中，否则其余部分水压均为零，所以为了曲线清晰，只将有水压变化的部分列入图中，数字所标记为扩展裂缝距裂缝尖端的垂直距离。由图1可以看出，水压尖端即水前锋的发展滞后于干裂缝的扩展，这是由于在干裂缝形成初期，裂缝宽度较小，不足以压力水进入，待裂缝宽度发展到一定程度时，水压才开始扩展，并随着外水压的增大而逐渐增加最后达到全水头。

3.2 水压规律的监测与拟合

对于缝内水压的扩展规律的研究，作者采用二次参数模型对水压断裂规律进行了拟合，得到水压零点对应的裂缝扩展长度。具体计算参照文献［8］，拟合公式为c，拟合结果列于表2中。

表2 水压拟合结果

对于确定裂缝扩展宽度COD与水压分布σw之间的关系是研究静水压力下缝内水压分布的重点，但由于实验难度的限制与理论分析的复杂性，目前并没有确定的理论或者实验结果。本次试验中根据已测定的较为简单的参数，通过数值拟合的二次曲线确定之间相应关系，发现拟合方程的系数在一可接受的范围内波动，但由于实验样本较少，所以还需进行更进一步的研究。对于本次实验得到了水压扩展的零点，为下一步计算扩展缝内压力对试件劈裂的影响奠定了基础。

4 结语

本文主要介绍了扩展缝内水压力分布情况，利用安装在侧面的压力传感器，测定了压力水全过程的水压扩展情况，实验结果表明，随着水压的逐渐增加，混凝土所承受的最大荷载逐渐减小，当水压加到0.4 MPa时，试件的最大荷载减小了一半，这说明裂缝内水压的劈裂作用是不容忽视的。为了得到水压零点，准确计算水压力对试件劈裂的影响，对实验得到的数据采用二次函数进行拟合，得到零点，反算裂缝扩展长度，得到下一部分计算所需要的数据结果。

［1］ Brhuwiler E，Saouma V.Water Fracture interaction in concrete-PartⅠ:Facture properties［J］.ACIMaterials Journal，1995，92 (3):296-303.

［2］ Brhuwiler E，Saouma V.Water fracture interaction in concrete-PartⅡ:Hydrostatic pressure in cracks［J］.ACIMaterials Journal，1995，92(3):383-390.

［3］ Slowik V，Saouma V.Water pressure in propagation concrete cracks［J］.Journal of Structural Engineering，2000，126(2):235-242.

［4］ 李宗利.岩体水力劈裂机理研究及其在地下洞室围岩稳定分析中应用［D］.南京:河海大学博士学位论文，2005.

［5］ 黄 云，金 峰，王光纶，等.高拱坝上游坝踵裂缝稳定性及其扩展［J］.清华大学学报(自然科学版)，2002，42(4):555-559.

［6］ WANG JIANMIN，ZHANG XIUFANG，XU SHILANG.The Experimental Determination of Double-K Fracture Parameters of Concrete underWater Pressure(Frcos6).

［7］ 徐世烺，王建敏.静水压力下混凝土双K断裂参数试验测定［J］.水利学报，2007，38(7):26-32.

［8］ 王建敏.静水压力环境下混凝土裂缝扩展与双K断裂参数试验研究［D］.大连:大连理工大学博士学位论文，2008.