單裂縫混凝土結構水力劈裂試驗

甘 磊,沈心哲,王 瑞,劉澤涵

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210098; 2.水利部土石壩破壞機理與防控技術重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.上海水利勘測設計研究院有限公司,上海 200434)

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單裂縫混凝土結構水力劈裂試驗

甘 磊1,2,沈心哲1,王 瑞3,劉澤涵1

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210098; 2.水利部土石壩破壞機理與防控技術重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.上海水利勘測設計研究院有限公司,上海 200434)

針對不同強度單裂縫混凝土試件開展了兩組應力狀態下的水力劈裂試驗,研究了應力狀態、荷載施加方式對試件裂縫擴展過程的影響,分析了裂縫擴展路徑上縫內水壓演化規律,擬合得到了混凝土試件臨界劈裂水壓預測模型的定量關系式。試驗結果表明,兩組不同應力狀態下的試件均發生水力劈裂破壞;臨界劈裂水壓值與軸壓的差值均小于試件的劈拉強度值;試件水壓尖端的發展滯后于干裂縫的發展。

混凝土結構;水力劈裂;單裂縫;縫內水壓;臨界劈裂水壓

迄今為止,世界上已經建成了許多高混凝土壩,其中不少高混凝土壩已達200 m級,甚至300 m級,這些高混凝土壩常年在高壓水環境下運行,大壩混凝土初始裂紋易損傷起裂、擴展甚至貫穿,從而破壞壩體的整體性,威脅壩體的安全。不僅高混凝土壩存在水力劈裂問題,抽水蓄能電站、水工隧洞、大型水閘等混凝土結構工程也存在水力劈裂破壞的隱患[1]。目前,由于受加載設備、水密封、測試儀器等條件的限制,國內外對混凝土開展室內水力劈裂試驗的研究較少。Reinhardt等[2]研究了混凝土裂縫內非承壓流體流動在靜荷載作用下對含裂縫的混凝土結構裂縫擴展的影響,結果表明流體的流速和流量及滲透深度非常依賴裂紋的寬度。Brühwiler等[3-4]對三種不同級配混凝土試件進行了試驗,研究混凝土裂紋內水壓對混凝土斷裂性能和斷裂過程區的影響及時間對斷裂過程區內水壓的影響。Slowik等[5]對混凝土材料在動態荷載作用下考慮裂縫內水壓開展試驗研究,定性分析了裂紋張開速度對裂紋內部水壓分布的影響。徐世烺等[6]采用楔入式緊湊拉伸混凝土試件,對靜水作用下裂縫擴張長度以及縫內水壓力的分布擴展進行了研究,但受水密封裝置的限制,其研究水壓未超過0.4 MPa。賈金生等[7-8]開展了全級配混凝土圓筒試件在單軸拉、壓應力作用下的高壓水劈裂模擬試驗,研究高水壓對裂縫擴展的影響,但試驗不能測定裂縫擴展過程中的裂縫開度和縫內水壓變化規律。甘磊等[9]進行了無拉壓應力、壓應變條件下的單裂縫混凝土試件水力劈裂試驗,針對I型裂縫測定裂縫擴展過程中的縫內水壓分布。李宗利等[10]從流體質量守恒和動量守恒原理出發,假定水力劈裂裂縫形態為半橢圓形,推導了任意時刻縫內水壓分布微分方程式。黃云等[11]針對裂縫內水壓呈矩形、三角形等分布形式,對裂縫的開展情況和壩體應力特征進行了研究。游茂源等[12]研發了一種新型密封裝置,進行了不同加載速率下的混凝土水力劈裂試驗,得到了縫內水壓分布規律,結果表明,裂縫開口寬度相同時動荷載作用下裂縫擴展路徑上相同位置的水壓較靜荷載時要小。

本文從混凝土壩的水力劈裂和地下結構的劈裂涌水等單裂縫的水力劈裂問題出發,針對4組不同強度混凝土試件進行無拉壓應力及壓應力條件下的混凝土單裂縫水力劈裂試驗,研究在不同應力狀態、不同水壓加載路徑和不同荷載施加方案下不同強度混凝土試件的破壞形態和臨界劈裂水壓變化規律,分析加載路徑、軸向應力、混凝土強度等因素對混凝土試件水力劈裂裂縫擴展的影響,探討縫內水壓演變規律,并擬合得到臨界劈裂水壓預測模型。

1 試驗概況

1.1 試驗裝置

試驗裝置包括水-固-熱耦合試驗系統、動態應變測試系統、水壓量測系統和水壓密封裝置[13]。耦合試驗系統由主機加載系統、液壓泵站、溫控系統、液壓伺服控制系統、控制柜以及試驗數據采集系統等部分組成(圖1),最大軸力可達2 000 kN,最高滲透水壓為3.0 MPa,最大圍壓為40 MPa。

圖1 耦合試驗系統

1.2 試件制備

試件材料采用的細骨料為河砂,粗骨料為青碎石,最大粒徑為30 mm,水泥為普通硅酸鹽水泥,分批澆筑4組不同配合比的混凝土試件,4組試件材料配合比見表1。含預制單裂縫的試件如圖2所示,預制裂縫為貫穿裂縫,長、寬、厚分別為150 mm、50 mm和2 mm,試樣側面導出的耐高壓水管直徑為4 mm,3個預留孔中心離裂縫尖端的距離分別為10 mm、25 mm和40 mm。試驗材料參數按照SL 352—2006《水工混凝土試驗規程》進行測定,測得的主要參數見表1。

表1 混凝土材料參數

圖2 試件示意圖(單位:mm)

1.3 試驗設計

在實際工程中,Ⅰ型裂縫是最危險的,在復雜應力狀態下,裂縫擴展將趨向于Ⅰ型裂縫占優的方向,本次針對混凝土結構Ⅰ型單裂縫試件進行試驗,研究不同應力狀態、不同水壓加載路徑方案下不同強度混凝土試件的水力劈裂破壞過程,分析加載路徑、軸向應力及混凝土強度等對水力劈裂裂縫擴展的影響。根據試驗需要,共設計了2組試驗方案:

圖3 混凝土試件受力示意圖(單位:mm)

第Ⅰ組:無拉壓應力條件下混凝土單裂縫水力劈裂試驗(圖3(a))。對于各強度混凝土試件分別取①～③ 號試件進行試驗,不考慮軸壓的作用(σ1=0 MPa),通過電調壓力泵以某設定的加載速率從0 MPa開始逐步增加水壓力,直至混凝土試件被高壓水劈裂破壞為止。發生水力劈裂破壞時,其劈裂面有水噴射出來,水壓值突然大幅下降,試驗結束。記錄整個加載過程水壓值、測量裂縫內水壓值以及應變值。

第Ⅱ組:壓應力條件下混凝土單裂縫水力劈裂試驗(圖3(b))。按試驗加載方式可分為兩種,第1種(①～③ 號試件):以某設定的速率增大軸壓,當軸壓增大到設定值時,穩定軸壓,開始逐步增大水壓,直至試件被劈裂破壞為止;第2種(④號試件):先逐步增大某設定軸壓時,穩定軸壓,逐步增大水壓至某設定水壓值后,穩定水壓,開始緩慢減小軸壓,直至混凝土試件發生劈裂破壞為止。

1.4 試驗加載過程

試驗需要施加的荷載有水壓p和軸壓σ。水壓可以通過電調壓力泵按所需的加載速率控制,軸壓可以通過荷載和位移兩種方式進行伺服控制。

1.4.1 第Ⅰ組試驗

以第①組強度的混凝土試件為例來說明試驗加載過程。對于試驗Ⅰ-①-1,施加的初始水壓為零,按照0.01 MPa/min左右的加載速率,不斷增大水壓,當水壓增加到1.25 MPa時,水壓驟降至零附近,混凝土試件發生劈裂破壞,劈裂面有水射出,并伴隨有破裂聲;對于試驗Ⅰ-①-2,施加的初始水壓為零,按照0.02 MPa/min左右的加載速率,不斷增大水壓,當水壓增加到1.00 MPa時,恒定水壓3 600 s,然后以0.01 MPa/min左右的加載速率緩慢增大水壓,當水壓增加到1.40 MPa時,混凝土試件發生水力劈裂破壞;對于試驗Ⅰ-①-3,施加的初始水壓為零,以0.03 MPa/min左右的水壓加載速率增大水壓,當水壓加載至1.10 MPa時,恒定水壓3 600 s,再以0.01 MPa/min左右的加載速率緩慢增大水壓,當水壓增加到1.32 MPa時試件破壞。Ⅰ-①組試驗水壓加載過程線如圖4所示。

圖4 Ⅰ-①組試驗水壓加載過程線

1.4.2 第Ⅱ組試驗

以第①組強度的混凝土試件為例來說明試驗加載過程。對于試驗Ⅱ-①-1至Ⅱ-①-3,先緩慢施加軸壓,將軸壓分別加載至0.2 MPa、0.5 MPa和1.0 MPa時,穩定軸壓一段時間后,逐漸增大水壓,直至試件發生水力劈裂破壞;對于試驗Ⅱ-①-4,先以0.05 MPa/min的速率施加軸壓,軸壓加載至1.0 MPa時,穩定軸壓一段時間,再以0.01 MPa/min左右的加載速率緩慢施加水壓,當水壓增加至2.10 MPa時,穩定水壓3 600 s,再以0.05 MPa/min的速率緩慢減小軸壓,當軸壓減小至0.81 MPa時,水壓驟降至零附近,試件發生水力劈裂破壞。Ⅱ-① 組試驗水壓加載過程線如圖5所示。

圖5 Ⅱ-①組試驗水壓加載過程線

2 試驗結果分析

2.1 試件破壞形式

速寶玉等[14]針對兩組不同孔徑的空心圓柱水泥砂漿試件進行的水力劈裂試驗表明,圓柱水泥砂漿試件破壞形式為水力劈裂破壞形式。本文兩組不同應力狀態的試驗方案,其試件破壞時劈裂面有水噴射出來,并伴隨有破裂聲,其水壓驟降至零附近,每組試驗完成后,均拆卸水密封裝置,將試驗后的試件取出,發現試件裂縫的擴展形式基本一致:自預制裂縫尖端沿初始裂縫方向向外擴展,劈裂面與預制裂縫面基本處于同一平面上。試件裂縫的擴展路徑如圖6所示。劈裂試件外觀如圖7所示,故判定本次試驗試件均為水力劈裂破壞形式。

圖6 試件裂縫擴展路徑

圖7 劈裂試件外觀

2.2 臨界劈裂水壓分析

在混凝土試件破壞的瞬間,裂縫擴展至臨空面,水壓會突然下降至零附近,可將水壓驟降時刻作為水力劈裂發生時刻,對應的水壓即為水力劈裂的臨界劈裂水壓。截取試件Ⅰ-①-1的部分水壓數據進行分析。在7 482 s時,水壓值為1.25 MPa,在7 485 s時,水壓突然降至接近0.043 MPa,接近零。因此,認為該試件在7 482～7 485 s之間發生了水力劈裂破壞。由于試驗數據記錄時間間隔為3 s,故近似認定試件Ⅰ-①-1在7 482 s時發生水力劈裂破壞,臨界劈裂水壓值為1.2 MPa。4組不同強度混凝土試件水力劈裂試驗測定的各工況下試件臨界劈裂水壓值如表2所示。

從表2可看出,在無拉壓應力條件下的I組試驗,4組不同強度混凝土試件的臨界劈裂水壓均小于其劈拉強度,依次小了8.9%、11.9%、15.8%和18.1%;在壓應力條件下,各組混凝土的臨界劈裂水壓與軸壓的差值亦均小于其劈拉強度4.8%～17.3%。分析表明,試件在縫內水壓和軸壓作用下,裂縫尖端會出現應力集中現象,使得各組混凝土的臨界劈裂水壓與軸壓的差值小于其劈拉強度。

表2 試件臨界劈裂水壓 MPa

2.3 影響因素分析

2.3.1 荷載施加方案的影響

對于無拉壓應力條件下混凝土水力劈裂試驗,設計了3種不同的水壓加載速率;對于壓應力條件下混凝土水力劈裂試驗,設計了固定軸壓、施加水壓和固定水壓、施加軸壓兩種荷載施加方案。試驗結果表明,同一組工況下不同水壓加載路徑試件試驗得到的臨界劈裂水壓值基本一致,最大誤差為6.6%。因此,認為當軸壓與裂縫面垂直時,混凝土試件是否發生水力劈裂破壞主要取決于發生破壞時所處的應力狀態,而與達到該應力條件的應力路徑基本無關。

2.3.2 軸壓的影響

對各組混凝土的臨界劈裂水壓和軸壓數據進行擬合,得到4組不同強度混凝土試件的臨界劈裂水壓與軸壓的擬合關系式如下:

(1)

擬合得出關系曲線如圖8所示。由圖8可以看出,當混凝土試件劈拉強度一定時,臨界劈裂水壓值與軸壓基本呈線性關系,軸壓越大,試件發生水力劈裂破壞時所需的水壓值越大,即臨界劈裂水壓值越大。

圖8 臨界劈裂水壓-軸壓擬合曲線

2.3.3 混凝土強度的影響

在軸壓恒定的情況下,擬合各組混凝土的臨界劈裂水壓-劈拉強度數據,得到4種不同軸壓情況下的臨界劈裂水壓和劈拉強度的擬合關系式如下:

(2)

圖9為軸壓一定情況下的臨界劈裂水壓與劈拉強度擬合曲線。由圖9可知,在軸壓一定的情況下,混凝土試件的劈拉強度越高,其臨界劈裂水壓值越大,兩者基本呈線性關系。

圖9 臨界劈裂水壓-混凝土劈拉強度擬合曲線

2.3.4 臨界劈裂水壓預測模型

基于上述分析,假定臨界劈裂水壓pc與混凝土劈拉強度ft、軸壓σ之間關系的線性回歸模型為

pc=aft+bσ+c

(3)

由于當ft=σ=0時,pc=0,故可得出c=0,即臨界劈裂水壓預測模型為

pc=aft+bσ

(4)

根據最小二乘法原理,計算得到臨界劈裂水壓預測模型(圖10)為

pc=0.856ft+1.088σ

(5)

當σ=0 MPa時,即表示無拉壓應力條件下試件臨界劈裂水壓預測模型為pc=0.856ft。

圖10 混凝土臨界劈裂水壓預測模型

2.4 縫內水壓分布分析

以試驗Ⅰ-①-1為例,與裂縫尖端距離分別為0 mm、10 mm、25 mm和40 mm處的水壓傳感器測值隨時間的變化規律如圖11所示。由圖11可知:隨著施加在裂縫面水壓的增大,裂縫開始張開,壓力水進入擴展裂縫中,當裂縫擴展到預埋孔位置時,壓力傳感器開始有測值變化,圖中標記的數字是水壓傳感器與預設縫尖端的垂直距離,用于分析裂縫的擴展情況。

圖11 試驗Ⅰ-①-1水壓傳感器測值曲線

由圖11可以看出,在水壓較小的情況下,裂縫不張開,水壓傳感器的測值均為零。當水壓不斷升高,在試驗進行到t=4 170 s時,離裂縫尖端10 mm的第一個傳感器開始有測值。隨著水壓的進一步升高,裂縫張開寬度逐漸增大,壓力水進入擴展的裂縫中,當裂縫寬度增大至某一臨界值時,裂縫內的水壓基本達到全水頭;隨著裂縫的進一步發展,在t=5 514 s時,離裂縫尖端25 mm的第2個傳感器有測值變化,裂縫擴展到此,隨著裂縫的進一步擴展,此位置的裂縫寬度逐漸增至裂縫臨界寬度,裂縫內水壓為全水頭分布;在t=7 176 s時,離裂縫尖端40 mm位置處的第3個傳感器開始有測值變化,并不斷增大,直至t=7 472 s時混凝土試件發生破壞,水流從劈裂面噴射出來,水壓突然降至零附近,水壓傳感器的測值也隨后驟降至零。

通過不同裂縫擴展位置處的水壓測值數據分析,可以得到裂縫擴展過程中縫內水壓的演變規律:水壓尖端的發展明顯滯后于干裂縫的擴展,這是由于在干裂縫形成初期,裂縫張開較小,壓力水尚未能進入裂縫,待裂縫張開到一定值時,壓力水進入裂縫,隨著裂縫的不斷擴展,當裂縫寬度超過其裂縫臨界寬度,水壓增加至全水頭。試驗測定的縫內水壓演變規律與速寶玉等[14]的試驗結果及方修君等[15]的數值模擬結果吻合。

3 結 論

a. 試件因水力劈裂發生結構破壞時,縫內水壓突然降至零附近,劈裂面有水噴射出來,并伴隨有破裂聲,試件裂縫的擴展形式基本一致,自裂縫尖端沿初始裂縫方向向外擴展,劈裂面與預制裂縫面基本處于同一平面上。

b. 在縫內水壓和軸壓作用下,試件裂縫尖端會產生應力集中,使得各組混凝土的臨界劈裂水壓與軸壓的差值小于其劈拉強度。

c. 當軸壓與裂縫面垂直時,混凝土試件是否發生水力劈裂破壞主要與發生劈裂時裂縫所處的應力狀態有關;在試件劈拉強度一定情況下,臨界劈裂水壓值與軸壓呈線性關系;在軸壓一定情況下,試件劈拉強度越高,臨界劈裂水壓值越大,兩者呈線性關系;通過多元線性回歸分析可得臨界劈裂水壓預測模型為pc=0.856ft+1.088σ。

d. 水壓尖端的發展滯后于干裂縫的擴展,干裂縫形成初期裂縫張開較小,壓力水尚未能進入裂縫,待裂縫張開到一定值時,壓力水進入裂縫,隨著裂縫的不斷擴展,當裂縫寬度超過其裂縫臨界寬度,水壓增加至全水頭。

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Hydraulic fracturing test of concrete structures with single crack

GAN Lei1,2, SHEN Xinzhe1, WANG Rui3, LIU Zehan1

(1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2.Key Laboratory of Failure Mechanism and Safety Control Techuiques of Earth-Rock Dam of the Ministry of Water Resources, Nanjing 210098, China; 3.Shanghai Investigation, Design & Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200434, China)

Two groups of hydraulic fracturing tests were carried out on concrete specimens of different strengths with a single initial crack under different stresses. The effects of stress state and loading pattern on the crack propagation process of concrete specimens were studied. The evolution law of water pressure within crack along the crack propagation path was analyzed, and the quantitative relation for the critical fracturing pressure prediction model of concrete specimens was obtained. Results show that damages induced by hydraulic fracturing occurred to the two groups of specimens under different stresses. Besides, the differences between the critical fracturing pressure and axial pressure of the two groups of specimens were less than the splitting strength of the specimens, and the development of the sharp cutting edge under water pressure lagged behind that of the dry crack.

concrete structure; hydraulic fracturing; single crack; water pressure within crack; critical fracturing pressure

國家自然科學基金(51609073);水利部土石壩破壞機理與防控技術重點實驗開放基金(YK915007);中央高校基本科研業務費專項(2014B11914)

甘磊(1987—),男,講師,博士，主要從事水工結構穩定分析研究。E-mail: ganlei2015@hhu.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.04.006

TV331

A

1006-7647(2017)04-0030-06

2016-08-19 編輯：鄭孝宇)