靜水壓力下大壩混凝土裂縫內水壓試驗研究

王建敏 邵 玲

近幾十年來，對于混凝土大壩安全的研究日益成為各國壩工界十分關注的一個研究課題。對于水工混凝土結構壩，裂縫問題是普遍存在的，許多混凝土在施工期和運行期就產生了各種各樣的裂縫，裂縫的存在將會影響大壩的安全性和耐久性。對于在地震或循環荷載作用下的水工結構，水進入裂縫，水壓使得裂縫擴展，從而對水下結構的安全產生影響。為此國內外的學者在此方面進行了研究，但由于水壓力作用下的混凝土斷裂試驗難度非常大，裝置較為復雜，國外只是少數學者開展過這方面的試驗研究。Brhuwiler和Saouma對不同水壓下擴展裂縫中水壓力分布進行了研究［1，2］。Volker Slowik和Saouma針對不同加載速率和裂縫突然閉合下，裂縫內水壓力、水前峰和裂縫擴展之間的關系進行了研究［3］。李宗利對巖體水力劈裂機理進行了理論分析和數值模擬研究，并將其應用于地下洞室圍巖穩定分析中［4］;黃云、金峰等人［5］研究了水力劈裂對某壩高278 m的拱壩上游面初始裂縫穩定性的影響，考慮了縫內水壓分布呈矩形、三角形等不同分布形式時裂縫開展情況及壩體應力特性。

1 試驗概述

試驗采用楔入式緊湊拉伸試件，具體尺寸如表1所示。試驗采用商品混凝土一次性澆筑完畢，配合比為水泥∶砂∶石子∶水= 1∶2.17∶3.29∶0.52。水泥采用大連小野田水泥廠生產的325號普通硅酸鹽水泥，粗骨料為青碎石，最大粒徑為30 mm;細骨料為河砂，最大粒徑為5 mm。試件為一次商品混凝土澆筑成型，總計個數為40個，由于試驗的難度和前期的準備，成功施加水壓的個數為11個，試驗中的編號為按照40個試件的統一編號。

表1 試件尺寸參數表

2 加載方式

水壓施加共分為四個等級，分別為0.1 MPa，0.2 MPa，0.3 MPa和0.4 MPa。試驗中采用雙重壓力加載方式，其中由試驗機提供的機械荷載用以模擬混凝土壩所受的外水壓力，由電動試壓泵提供的加載在預制縫中的水壓力用以模擬混凝土壩裂縫內的內水壓力。水壓采取加卸載的循環方式［6-8］。橫向荷載每增加3 kN，穩定荷載，施加一個水壓循環，即快速加載至設定值，穩定20 s后卸載。在此過程中，時刻監視荷載的變化，根據位移曲線調整荷載實驗機油門大小，保證荷載穩定。由計算結果得出，隨著水壓的增加，試件所承受的最大荷載逐漸減小，相應的水壓加載循環也在逐漸減小。在0.1 MPa增加到0.4 MPa的過程中，試件的最大荷載減小了一半，這說明裂縫內水壓的劈裂作用是不容忽視的，需進行詳細的分析研究。

3 縫內水壓擴展規律模擬研究

3.1 縫內水壓擴展曲線的實驗測定

擴展裂縫內的水壓測量方法是利用埋入試件側面的壓力傳感器進行測定的，考慮壓力傳感器的大小以及試件孔洞應力集中的影響，每個傳感器中心的設定間距為50 mm，但由于試件打制的問題，傳感器之間的距離會與設定值有一定的差距，為此在試件劈裂之后量取預留孔中心至裂縫尖端的距離作為裂縫擴展位置。每個壓力傳感器在實驗前進行過標定，由IMC數據采集儀所得到的數據結果為真實水壓力，勿需再進行轉化。

圖1列出了0.3 MPa水壓下擴展裂縫內的水壓變化隨記錄點數的變化規律。隨著裂縫寬度的逐漸增大，壓力水才開始進入擴展裂縫中，否則其余部分水壓均為零，所以為了曲線清晰，只將有水壓變化的部分列入圖中，數字所標記為擴展裂縫距裂縫尖端的垂直距離。由圖1可以看出，水壓尖端即水前鋒的發展滯后于干裂縫的擴展，這是由于在干裂縫形成初期，裂縫寬度較小，不足以壓力水進入，待裂縫寬度發展到一定程度時，水壓才開始擴展，并隨著外水壓的增大而逐漸增加最后達到全水頭。

3.2 水壓規律的監測與擬合

對于縫內水壓的擴展規律的研究，作者采用二次參數模型對水壓斷裂規律進行了擬合，得到水壓零點對應的裂縫擴展長度。具體計算參照文獻［8］，擬合公式為c，擬合結果列于表2中。

表2 水壓擬合結果

對于確定裂縫擴展寬度COD與水壓分布σw之間的關系是研究靜水壓力下縫內水壓分布的重點，但由于實驗難度的限制與理論分析的復雜性，目前并沒有確定的理論或者實驗結果。本次試驗中根據已測定的較為簡單的參數，通過數值擬合的二次曲線確定之間相應關系，發現擬合方程的系數在一可接受的范圍內波動，但由于實驗樣本較少，所以還需進行更進一步的研究。對于本次實驗得到了水壓擴展的零點，為下一步計算擴展縫內壓力對試件劈裂的影響奠定了基礎。

4 結語

本文主要介紹了擴展縫內水壓力分布情況，利用安裝在側面的壓力傳感器，測定了壓力水全過程的水壓擴展情況，實驗結果表明，隨著水壓的逐漸增加，混凝土所承受的最大荷載逐漸減小，當水壓加到0.4 MPa時，試件的最大荷載減小了一半，這說明裂縫內水壓的劈裂作用是不容忽視的。為了得到水壓零點，準確計算水壓力對試件劈裂的影響，對實驗得到的數據采用二次函數進行擬合，得到零點，反算裂縫擴展長度，得到下一部分計算所需要的數據結果。

［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.巖體水力劈裂機理研究及其在地下洞室圍巖穩定分析中應用［D］.南京:河海大學博士學位論文，2005.

［5］ 黃 云，金 峰，王光綸，等.高拱壩上游壩踵裂縫穩定性及其擴展［J］.清華大學學報(自然科學版)，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.靜水壓力下混凝土雙K斷裂參數試驗測定［J］.水利學報，2007，38(7):26-32.

［8］ 王建敏.靜水壓力環境下混凝土裂縫擴展與雙K斷裂參數試驗研究［D］.大連:大連理工大學博士學位論文，2008.