[發明專利]拉壓狀態下混凝土構件高壓水劈裂模擬實驗設計方法和裝置

有效

• 申請號: 201010544565.8
• 申請日: 2010-11-12
• 公開（公告）號: CN102053036A
• 公開（公告）日: 2011-05-11
• 發明（設計）人: 賈金生;馮煒;汪洋;常凊睿;鄭璀瑩;李新宇
• 申請（專利權）人: 中國水利水電科學研究院
• 主分類號: G01N3/10
• 分類號: G01N3/10;G01N1/28
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司 11100
• 代理人: 陳英

技術領域

本發明屬于水利大壩模擬實驗技術領域，提供一種模擬拉壓狀態下混凝土構件發生水力劈裂的方法，適用于研究混凝土結構發生水力劈裂的機理和規律，也可用于探索減小水力劈裂的方法。本發明還提供所述實驗方法中使用的裝置。

背景技術

水力劈裂是水流在巖體或混凝土的間隙內運動與周圍固體變形耦合的過程，表現為高壓水流將巖體或混凝土內已有的裂隙和空隙驅動擴張、擴展、相互貫通等。水力劈裂問題的實質是具有高勢能的高壓水對巖體或混凝土的破壞。

水力劈裂起源于石油天然氣行業，已被廣泛的應用于油氣井的增產。油氣主要從巖層中開采，所以目前對巖石水力劈裂的機理研究相對較多。在水利界，水力劈裂在土石壩中的作用也較早的引起了人們的重視。這是伴隨著一系列嚴重事故開始的，如美國的特頓壩(Teton)、挪威的海特尤維壩(Hyttejuvet)、英國的巴德海特壩(Balderhead)等。

近年來，我國在建和擬建一大批高壩，水力劈裂問題再次成為水利水電行業研究的熱點課題。但我國對水力劈裂的研究集中在壩基的裂隙巖體方面，混凝土壩體方面還很少。然而混凝土壩體存在發生水力劈裂的可能。例如混凝土重力壩，壩高已達200m級，混凝土拱壩已達300m級，加之混凝土壩表面不可避免地會出現裂縫，都給水力劈裂的發生提供了條件。

深入研究混凝土壩壩體的水力劈裂問題具有一定意義。例如國內重力壩規范規定，重力壩應滿足無拉應力準則和抗滑穩定。有學者研究表明，較之瑞士大狄克遜重力壩(285m)設計準則，我國規范設計的重力壩斷面明顯要小，分析原因，與前者考慮高壩的高壓水劈裂等因素有關。

目前，已有學者采用混凝土楔形劈裂試件和圓柱形的無應力混凝土試件對混凝土的水力劈裂問題進行研究。然而，實際工程中混凝土構件的水力劈裂問題復雜。例如，混凝土壩由于溫度、施工和混凝土干縮等因素的影響，壩體表面不可避免地存在裂縫，裂縫的形式多樣，如：水平縫、豎直縫等。裂縫所處的工況也很復雜，如：無應力縫、受壓縫、受拉縫等。

為了進一步研究混凝土構件的水力劈裂問題，需要設計一種拉壓狀態下混凝土構件高壓水劈裂模擬實驗方法。

發明內容

本發明的目的在于改進現有技術的不足，提供一種模擬拉壓狀態下混凝土構件高壓水劈裂的方法。

本發明另一個目的在于提供一種上述實驗設計方法中制作試件所用的裝置。

本發明的目的是這樣實現的：

本拉壓狀態下混凝土構件高壓水劈裂模擬實驗設計方法包括如下步驟：

步驟一：制備一混凝土試件，在該試件中構建一裂縫，該裂縫與外界連通；

步驟二：對有裂縫的所述試件施加設定的恒拉力或恒壓力；

步驟三：向該裂縫中注水，施加水壓，直至使得所述試件被劈裂。

記錄試件劈裂時的水壓。

在步驟二中，在所述裂縫中施加水壓時，水壓優選以階梯式方式逐漸增加，在每一個水壓數值階梯，維持壓力一設定時間，再提高水壓到下一個階梯數值。

所述裂縫的厚度為1～3mm為宜。所述裂縫太薄成縫困難，裂縫太厚則與壩體上的實際裂縫相差遠，且不利于縫的保護，因為太厚的縫容易使水泥進入縫內。

為了使得對試件加水壓的數值有一個可參考的范圍，可以在制備帶有裂縫的混凝土試件的同時再制造一些同樣材料的無裂縫試件，并測定其力學參數(例如：抗拉強度、抗壓強度等)。再根據所測出的力學參數，通過有限元計算法，計算出帶有裂縫的所述試件開裂時的水壓力，然后進行所述的步驟三。

在模擬受拉裂縫的水力劈裂模擬實驗設計方法中，帶有裂縫的所述試件的長度優選大于1m，同時構建的所述裂縫距離實驗時拉應力施加部位的距離在500mm以上。這樣，可以使得裂縫附近幾乎不受兩端應力集中的影響。

在所述步驟一中制備帶有裂縫的所述混凝土試件，其具體方法包括如下步驟：

步驟A：制作成縫構件

切割兩塊形狀和大小相同的圓形片體，作為兩個成縫片，兩成縫片上下相疊，對齊放置，在下的所述成縫片上打穿兩個通水孔；兩塊片體相對的表面上，其中之一上設有一凸起支撐塊，另一個上相對應位置上設一凹坑，使得支撐塊可插設在凹坑中，通過支撐塊固定使兩成縫鋼片沿徑向不能相互移動，而沿法向能自由分開；兩片成縫片之間設墊片，使得兩個所述片體中間具有一間隙；在兩成縫片的周圈蒙設覆蓋物，將所述間隙的側面封閉；

還準備有通水管路，所述通水管路包括兩個相互隔開的通水管，兩個通水管的一端分別與所述成縫片上開設的兩個通水孔相連，形成所述成縫片間的間隙與所述試件的外部連通的通道；