水力劈裂下混凝土復(fù)合型斷裂準(zhǔn)則試驗(yàn)研究

左 春 　 趙 辛 　 徐錦生 　 鄒浩飛 　 宋 宸

(遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州　121001)

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水力劈裂下混凝土復(fù)合型斷裂準(zhǔn)則試驗(yàn)研究

左 春 趙 辛 徐錦生 鄒浩飛 宋 宸

(遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州121001)

根據(jù)試件的預(yù)制縫與寬度方向夾角大小的不同，制作了四種不同的試件，并進(jìn)行了軸拉試驗(yàn)，模擬水力與外力聯(lián)合作用下混凝土的復(fù)合型斷裂破壞特點(diǎn)，并結(jié)合雙K斷裂理論，得到兩種加載方式下混凝土的起裂和失穩(wěn)斷裂參數(shù)。

混凝土，水力劈裂，復(fù)合型斷裂，雙K斷裂參數(shù)

隨著我國(guó)大庫(kù)高壩的不斷建設(shè)，混凝土水力劈裂問(wèn)題變成了一個(gè)非常重要的課題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此均做了研究。Bruhwiler等[1，2]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬進(jìn)行了水壓力分布和混凝土水力劈裂機(jī)理研究。陽(yáng)友奎等[3]研究了恒定流下裂縫內(nèi)部的水壓力分布規(guī)律，得到了水壓力的表達(dá)式；李慶斌等[4]用特解邊界元法分析了裂縫內(nèi)水壓力在三角形分布情況下重力壩壩踵處裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子；賈金生等[5]采用數(shù)值方法分析了裂紋內(nèi)部水壓力對(duì)特高重力壩中的裂縫擴(kuò)展的影響；徐世烺等[6]通過(guò)試驗(yàn)并結(jié)合雙K斷裂模型計(jì)算了水壓下混凝土的雙K韌度等并進(jìn)行了實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)比。

1　試驗(yàn)介紹

本文試驗(yàn)根據(jù)預(yù)制縫與試件寬所成的角度分別制作了0°，30°，45°和60°四種試件分別模擬張開(kāi)型和復(fù)合型斷裂形式，尺寸如表1所示。

表1　試件尺寸參數(shù)　mm

試驗(yàn)采用普通C30混凝土一次性澆筑而成，其配合比為：水泥∶砂∶石子∶水=1∶1.32∶3.06∶0.5。水泥采用渤海水泥葫蘆島有限公司生產(chǎn)的P.S.A32.5的礦渣硅酸鹽水泥，粗骨料為最大粒徑不超過(guò)25 mm的碎石，細(xì)骨料粒徑小于5 mm的天然中砂，水采用生活自來(lái)水。

試驗(yàn)中的主動(dòng)力包括軸向力和水壓力。軸向力由油壓千斤頂施加；水壓力由電動(dòng)油壓泵提供，如圖1所示。試驗(yàn)中裂縫尖端通過(guò)粘貼半橋應(yīng)變片(如圖2所示)測(cè)量縫尖的應(yīng)變變化情況，通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行絕緣處理。壓力傳感器(如圖3所示)連接試件和油壓千斤頂用來(lái)測(cè)量軸向荷載值。

試驗(yàn)中采用兩種加載方式：1)在恒定水壓的情況下施加軸力；2)在恒定軸力的情況下施加水壓。

2　試驗(yàn)參數(shù)的確定

這里采用雙K斷裂理論進(jìn)行分析。

　圖1　試件加載裝置　　　　　　圖2　應(yīng)變片布置方式

圖3　軸向力傳感器

2.1起裂韌度的確定

確定起裂斷裂韌度的關(guān)鍵就是確定試件的起裂荷載。這里采用半橋測(cè)定法來(lái)確定起裂荷載。其原理是加載初期，試件的荷載—應(yīng)變曲線線性上升，當(dāng)裂縫開(kāi)始起裂時(shí)，裂縫尖端的應(yīng)力得到釋放因而應(yīng)變減小，但此時(shí)荷載還在增加，因此在裂縫開(kāi)裂前和開(kāi)裂后的應(yīng)變值都會(huì)小于開(kāi)裂時(shí)的應(yīng)變，該應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的荷載即為起裂荷載。

Ⅰ型斷裂：

(1)

Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型斷裂：

(2)

由于混凝土受兩種荷載的共同作用，試件的起裂韌度由水壓力與外力兩種荷載作用下混凝土的起裂韌度相加確定。

(3)

(4)

2.2失穩(wěn)韌度的試驗(yàn)確定

失穩(wěn)斷裂韌度由兩部分組成：軸向荷載作用下的失穩(wěn)荷載和水壓力作用下的失穩(wěn)荷載，然后疊加求出總的失穩(wěn)韌度。由于裂縫失穩(wěn)時(shí)已經(jīng)完成擴(kuò)展階段，所以此時(shí)的裂縫長(zhǎng)度變?yōu)槌跏伎p長(zhǎng)a和裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度Δa之和。

Ⅰ型斷裂：

(5)

Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型斷裂：

(6)

同理，混凝土的失穩(wěn)斷裂韌度由兩種荷載作用下混凝土的失穩(wěn)韌度相加確定。

(7)

(8)

3　試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

通過(guò)表2的試驗(yàn)結(jié)果擬合兩種加載方式下的起裂韌度和失穩(wěn)韌度表達(dá)式，如下：

恒定水壓力施加軸力情況下：

恒定軸力加水壓力情況下：

。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)軸拉試驗(yàn)方法進(jìn)行了混凝土在水力劈裂作用下的Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型斷裂研究，計(jì)算了混凝土在水壓和軸力下的雙K斷裂參數(shù)，并擬合了不同加載條件下雙K斷裂參數(shù)表達(dá)式。

[1]Bruhwiler E,Saouma V.Water fracture interaction in concrete,Part Ⅰ:fracture properties[J].ACI Materials Journal,1995,92(3):296-303.

[2]Bruhwiler E,Saouma V.Water fracture interaction in concrete,Part Ⅱ:hydrostatic pressure cracks[J].ACI Materials Journal,1995,92(4):383-390.

[3]陽(yáng)友奎,肖長(zhǎng)富,邱賢德,等.水力壓裂裂縫形態(tài)與縫內(nèi)壓力分布[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1995,18(3):20-26.

[4]李慶斌,林皋,周鴻鈞.異彈模界面裂縫的邊界元分析及其應(yīng)用[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),1991(2):199-204.

[5]賈金生,李新宇,鄭璀瑩.特高重力壩考慮高壓水劈裂影響的初步研究[J].水利學(xué)報(bào),2006(12):1509-1515.

[6]徐世烺,王建敏.水壓作用下大壩混凝土裂縫擴(kuò)展與雙K斷裂參數(shù)[J].土木工程學(xué)報(bào),2009,42(2):119-125.

On tests of mixed-mode fracture of concrete under hydropower

Zuo ChunZhao XinXu JinshengZou HaofeiSong Chen

(CollegeofCivilArchitecturalEngineering,LiaoningUniversityofTechnology,Jinzhou121001,China)

According to the differences between the precast joint and intersection angle in width direction, the paper makes four kinds of trials, undertakes the axial tension test, simulates the damage features of the mixed-mode fracture of concrete under the hydropower and external force, and concludes the concrete cracks and unstable fracture parameter of the concrete under two loading approaches by combining with the double K fracture theory.

concrete, hydropower split, mixed-mode fracture, double K fracture theory

1009-6825(2016)21-0063-02

2016-05-15

左春(1994- )，男，在讀本科生

TU375

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