混凝土水力劈裂时裂缝扩展与缝中水压力变化试验研究

杜成斌 杨 羿 陈玉泉 余 磊

(河海大学 工程力学系， 南京 211100)

我国建成许多高混凝土坝，且不少已达300 m级．这些高混凝土坝常年在高水压情况下运行，混凝土微裂缝极易扩展甚至降低混凝土结构的承载能力[1]．同时，这些高坝坝址通常位于环境恶劣、地质条件复杂、地震烈度高的地区，例如小湾拱坝设计地震水平加速度峰值为0.308g，溪洛渡拱坝为0.321g，锦屏一级拱坝为0.197g[2]．因此，高水压和动载共同作用下混凝土水力劈裂的研究具有重要意义．

目前，水力劈裂试验因为存在水压密封困难、内部水压力以及裂尖扩展位置难以测量的难点，进行的有效研究较少．Brühwiler等[3-4]进行了混凝土室内水力劈裂试验，研究了裂缝中静水压力对混凝土宏观断裂能和宏观断裂韧度的影响、根据实验给出水力劈裂过程中裂缝内水压力分布规律：当裂缝口张开宽度(crack mouth opening displacement ，CMOD)小于临界值(全水头对应的裂缝口张开宽度)时，裂缝内水压随CMOD非线性增加，当CMOD达到临界值时，水压力分布为全水头．徐世烺等[5-6]在静水压力环境下进行了楔入式紧凑拉伸断裂试验，通过无水压情况与有水压情况下的试验结果的对比，分别求得两种情况下的双K断裂韧度值，推导出了有水压环境下的双K断裂参数的求解公式．杜成斌等[7]针对现有水力劈裂试验中密封装置采用环氧树脂胶存在的密封强度不够、外加密封装置增加混凝土试件约束的缺点，研发了一种新型的密封装置．进行了有无密封装置的对比试验，验证了此密封装置对试件材料参数影响较小，并得到了不同加载速率下缝内水压的分布模型．甘磊[8-9]针对以往水力劈裂试验采用混凝土楔形劈裂试件无法密封高水压作用和圆柱形混凝土试件无法测量试验过程中的裂缝开度、水压、水温等重要数据的缺陷，研制了一套混凝土结构水力劈裂试验系统，研究了应力状态、荷载施加方式对试件裂缝扩展过程的影响，分析了裂缝扩展路径上缝内水压演化规律，拟合得到了混凝土试件临界劈裂水压预测模型的定量关系式．袁俊平[10]分别在加载速率为5和25 kPa/min时，对不同初始裂缝深度的试样进行了水力劈裂试验，结果表面：初始裂缝深度越大、加载速率越高，越容易发生水力劈裂．佘娇[11]对厚壁空心圆柱体试件进行了水力劈裂试验发现，试件在内外水压差作用下，发生径向变形后才会发生水力劈裂，并针对土石坝裂缝可能发生的水力劈裂问题，通过实验得到对堵缝有较好效果的合适比重膨润土．Patel[12]指出水力劈裂过程中裂缝张开，液体流动将引起水压力下降，并提出一种计算缝内水压扩散的方法．

本文从混凝土单裂缝水力劈裂问题出发，针对文献[7]研制的密封加载装置，为避免水压力较大时硅胶板变形过大，用硅胶套替代原来的硅胶板，并用夹子固定在混凝土试件上．同时为了追踪水力劈裂过程中裂缝尖端开裂位置变化，在混凝土预留缝端部布置了一排防水应变片．进行不同外水压力作用下的混凝土试件快速劈拉试验，同步实时观测裂缝开裂位置及缝内水压，研究在不同外水压力下，混凝土裂尖扩展过程及内部水压力分布的变化情况．

1 试验概况

1.1 试件制备

试验混凝土试件一次性浇筑完成，共6个试件，试件分为3组，分别进行0、0.2、0.4 MPa下的快速劈拉试验．试件采用的水泥为32.5普通硅酸盐水泥，粗骨料最大粒径为25 mm，细骨料最大粒径为12.5 mm，材料配合比见表1．

表1 混凝土试件配合比 (单位：kg/m3)

结合《普通混凝土力学性能试验方法标准》[13]和Brühwiler[3]的试验浇筑用于楔入劈裂抗拉试验的预制缝试件，试件尺寸为200 mm×200 mm×200 mm．顶部设置预制缝，尺寸为2 mm×80 mm×200 mm．为了测量裂缝扩展路径上的水压力分布，试件内部预留5个直径为1.5 mm的贯穿孔，两端预埋直径为6 mm的螺母，预埋深度为30 mm．试件浇筑设计尺寸如图1所示．成型后试件如图2所示．

图1 试件尺寸图/mm

图2 成型后试件

1.2 加载装置

水压加载设备采用2.5 MPa量程的电动试压泵DSY-25进行水压加载，荷载加载设备使用河海大学力学实验中心的电液伺服动静试验机进行加载，加载方式为按位移加载，加载速度为200 μm/s．试验采用楔入劈拉试验加载装置，楔形传力装置如图3所示．图4为试件受力示意图．试件在水力劈裂试验过程中主要承受自重荷载G、劈拉力F(分解为Fv和Fh)、支座反力R以及缝面水压力σw0．

图3 楔形传力装置 图4 试件受力示意图

1.3 密封装置

文献[7]设计了一种新型密封装置，解决了其它密封装置使用环氧树脂胶存在的问题．但是，由于硅胶板延展性好，在水压力较大时，硅胶板会产生较大形变，使夹具发生位移，影响密封效果，另外密封装置安装时也略显复杂．本文密封装置在文献[7]的基础上进行了改进，将硅胶板改为硅胶套，去掉夹板，再安装固定铁圈阻止硅胶鼓起．安装时先将一个硅胶套套入试件，覆盖预制缝以及裂缝可能扩展的区域，再用特制的夹子(图5(a))将硅胶套夹紧在试件上，保证试件与硅胶套之间无出水缝隙，形成水压密封区，然后在硅胶套之外安装一个比试件稍大的固定铁圈(图5(b))，用于阻止硅胶套产生过大变形．图5(c)为原密封装置，如图5(d)为试验所采用的密封装置．

图5 新改进的密封装置

2 试验结果和分析

为了研究不同水压对动载下混凝土断裂性能的影响，分别进行了不同水压力(0，0.2，0.4 MPa)条件下，加载速度200 μm/s情况下的3组楔入劈拉试验．其中每组试验采用两个试件，共6个试件，每组取其中一个实验数据较为完整的进行分析．试验过程中，通过TJH-3型荷载传感器和YHD-50型位移计来记录施加外加荷载及裂缝口张开位移，从而得出试验过程中的荷载变化曲线及裂缝口张开位移CMOD曲线．

试验准备阶段，先用电动试压泵施加水压，待水压稳定后，使用电液伺服动静试验机进行位移控制加载，随着荷载的增大，裂缝口张开位移增大，试件预制缝开始扩展，混凝土试件发生劈裂破坏，裂缝口张开位移突然快速上升，荷载骤降．

2.1 裂缝扩展模式

图6 预留裂缝端部应变片位置示意图

图7 应变时间曲线

图8 裂尖扩展曲线

图7表示水力劈裂试验中，应变片值一开始均很小，起裂后的应变均突变到很大值，应变片曲线均很陡，从线弹性应变到开裂应变的时间非常短，明显表现出脆性破坏；临近破坏时，靠近试件底端的3号、4号和5号应变片位置几乎同时开裂，说明裂缝扩展速度一开始比较稳定，在临近破坏时突然明显增大；外水压增大时，裂尖稳定扩展速度明显增大．外水压为0.2 MPa时，裂尖稳定扩展速度为0.5 m/s(图8(a)中最下边的斜线部分)；外水压为0.4 MPa时，裂尖稳定扩展速度为2.0 m/s(图8(b)中最下边的斜线部分)．

2.2 外水压力对试件破坏荷载影响

快速加载条件下，无水压作用以及0.2 MPa和0.4 MPa水压作用下荷载张开位移(CMOD)变化曲线如图9所示．试件失稳时裂缝口张开位移约为0.1 mm．随着外加水压力的增大，混凝土试件的失稳荷载随之降低．在0.4 MPa水压条件下，试件的失稳荷载只有无水压条件下的一半．因此在水力劈裂试验中，水压力对裂缝扩展的影响不可忽略．

图9 不同水压F-CMOD曲线

2.3 缝面水压力分布

在试件浇筑时，设置了一个预留孔(图1中靠最上部的传感器)用于测量预制缝内水压力，使用扩散硅传感器通过试件中预留的测水压孔得到缝面水压力随时间变化曲线，图10(a)、(b)分别为水压0.2 MPa和0.4 MPa时裂缝扩展路径上缝面水压力随时间的变化曲线．施加外水压越高，裂缝扩展路径上水压力越大，水压0.2 MPa下缝面最大水压力为62 kPa，水压0.4 MPa最大缝面水压力为75 kPa，均在失稳时刻前一点．外水压0.4 MPa缝面水压变化更快，说明高水压情况下裂缝张开速度更快．根据文献[7]假定裂缝内水压呈抛物线分布，对裂缝内水压分布进行了拟合，给出不同时刻裂缝内水压力分布曲线并与裂缝尖端位置对比，如图11(a)、(b)所示．

图10 水压力时间曲线

图11 缝内水压与裂缝扩展对比图

从图中可以看出：1)由于裂缝扩展速度较快，当试件起裂后，预制缝内的水迅速涌入到扩展裂缝中，预制缝内的水来不及补充，造成缝内水压迅速下降，缝内最大水压只有外加水压的25%．2)与前述一致，裂缝的扩展速度随时间而明显增快，缝内水压也因裂缝张开变快而降低．试件发生失稳贯穿时1号传感器水压只有起裂时水压的60%左右．3)从图11还可以看出：水前锋滞后于裂缝尖端，且试件失稳时滞后距离比起裂时滞后的要多，起裂时水前锋滞后约10 mm，失稳时最多滞后40 mm．

3 结 论

1)分别进行了不同外水压条件(0、0.2和0.4 MPa)下的水力劈裂试验，比较各组试验的F-CMOD曲线发现：试件极限破坏荷载随外水压的增大而明显减小．

2)通过防水应变片对试验过程中混凝土开裂路径上应变的量测表明：水力劈裂试验混凝土开裂过程可分为弹性，起裂，失稳贯穿3个阶段．外水压增大时，裂尖稳定扩展速度明显增大．外水压为0.2 MPa时，裂尖稳定扩展速度为0.5 m/s；外水压为0.4 MPa时，裂尖稳定扩展速度为2.0 m/s．

3)裂缝扩展路径和水压分布实测表明：当裂缝扩展时，由于水涌入了新的通道，裂缝内水得不到补充，最靠近外水压的传感器的最大水压值均有所降低．水前锋明显滞后于裂缝尖端，且试件失稳时滞后距离比起裂时滞后的要多，起裂时水前锋滞后约10 mm，失稳时最多滞后40 mm．

参考文献：

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