水力劈裂下混凝土复合型断裂准则试验研究

左 春 　 赵 辛 　 徐锦生 　 邹浩飞 　 宋 宸

(辽宁工业大学土木建筑工程学院，辽宁 锦州　121001)



水力劈裂下混凝土复合型断裂准则试验研究

左 春 赵 辛 徐锦生 邹浩飞 宋 宸

(辽宁工业大学土木建筑工程学院，辽宁 锦州121001)

根据试件的预制缝与宽度方向夹角大小的不同，制作了四种不同的试件，并进行了轴拉试验，模拟水力与外力联合作用下混凝土的复合型断裂破坏特点，并结合双K断裂理论，得到两种加载方式下混凝土的起裂和失稳断裂参数。

混凝土，水力劈裂，复合型断裂，双K断裂参数

随着我国大库高坝的不断建设，混凝土水力劈裂问题变成了一个非常重要的课题，国内外学者对此均做了研究。Bruhwiler等[1，2]通过试验和数值模拟进行了水压力分布和混凝土水力劈裂机理研究。阳友奎等[3]研究了恒定流下裂缝内部的水压力分布规律，得到了水压力的表达式；李庆斌等[4]用特解边界元法分析了裂缝内水压力在三角形分布情况下重力坝坝踵处裂纹的应力强度因子；贾金生等[5]采用数值方法分析了裂纹内部水压力对特高重力坝中的裂缝扩展的影响；徐世烺等[6]通过试验并结合双K断裂模型计算了水压下混凝土的双K韧度等并进行了实测值与理论值的对比。

1　试验介绍

本文试验根据预制缝与试件宽所成的角度分别制作了0°，30°，45°和60°四种试件分别模拟张开型和复合型断裂形式，尺寸如表1所示。

表1　试件尺寸参数　mm

试验采用普通C30混凝土一次性浇筑而成，其配合比为：水泥∶砂∶石子∶水=1∶1.32∶3.06∶0.5。水泥采用渤海水泥葫芦岛有限公司生产的P.S.A32.5的矿渣硅酸盐水泥，粗骨料为最大粒径不超过25 mm的碎石，细骨料粒径小于5 mm的天然中砂，水采用生活自来水。

试验中的主动力包括轴向力和水压力。轴向力由油压千斤顶施加；水压力由电动油压泵提供，如图1所示。试验中裂缝尖端通过粘贴半桥应变片(如图2所示)测量缝尖的应变变化情况，通过环氧树脂进行绝缘处理。压力传感器(如图3所示)连接试件和油压千斤顶用来测量轴向荷载值。

试验中采用两种加载方式：1)在恒定水压的情况下施加轴力；2)在恒定轴力的情况下施加水压。

2　试验参数的确定

这里采用双K断裂理论进行分析。

　图1　试件加载装置　　　　　　图2　应变片布置方式

图3　轴向力传感器

2.1起裂韧度的确定

确定起裂断裂韧度的关键就是确定试件的起裂荷载。这里采用半桥测定法来确定起裂荷载。其原理是加载初期，试件的荷载—应变曲线线性上升，当裂缝开始起裂时，裂缝尖端的应力得到释放因而应变减小，但此时荷载还在增加，因此在裂缝开裂前和开裂后的应变值都会小于开裂时的应变，该应变所对应的荷载即为起裂荷载。

Ⅰ型断裂：

(1)

Ⅰ-Ⅱ复合型断裂：

(2)

由于混凝土受两种荷载的共同作用，试件的起裂韧度由水压力与外力两种荷载作用下混凝土的起裂韧度相加确定。

(3)

(4)

2.2失稳韧度的试验确定

失稳断裂韧度由两部分组成：轴向荷载作用下的失稳荷载和水压力作用下的失稳荷载，然后叠加求出总的失稳韧度。由于裂缝失稳时已经完成扩展阶段，所以此时的裂缝长度变为初始缝长a和裂缝扩展长度Δa之和。

Ⅰ型断裂：

(5)

Ⅰ-Ⅱ复合型断裂：

(6)

同理，混凝土的失稳断裂韧度由两种荷载作用下混凝土的失稳韧度相加确定。

(7)

(8)

3　试验结果

试验结果如表2所示。

通过表2的试验结果拟合两种加载方式下的起裂韧度和失稳韧度表达式，如下：

恒定水压力施加轴力情况下：

恒定轴力加水压力情况下：

。

4　结语

通过轴拉试验方法进行了混凝土在水力劈裂作用下的Ⅰ-Ⅱ复合型断裂研究，计算了混凝土在水压和轴力下的双K断裂参数，并拟合了不同加载条件下双K断裂参数表达式。

[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]阳友奎,肖长富,邱贤德,等.水力压裂裂缝形态与缝内压力分布[J].重庆大学学报(自然科学版),1995,18(3):20-26.

[4]李庆斌,林皋,周鸿钧.异弹模界面裂缝的边界元分析及其应用[J].大连理工大学学报,1991(2):199-204.

[5]贾金生,李新宇,郑璀莹.特高重力坝考虑高压水劈裂影响的初步研究[J].水利学报,2006(12):1509-1515.

[6]徐世烺,王建敏.水压作用下大坝混凝土裂缝扩展与双K断裂参数[J].土木工程学报,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，在读本科生

TU375

A