水力劈裂效应下堤坝混凝土断裂特性分析研究

董永福，葛枫炎，王 锴

(1. 中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120；2.上海交通建设总承包有限公司，上海 200120)

水是人类生存不可或缺的一部分，如何有效利用水资源是千百年人类以来一直探索的问题，在水利工程领域中，建设人工大坝，帮助人类合理调度水资源，使人类生存环境可持续性发展[1- 2]。在科技进步的今天，大部分河堤、水库、大坝，包括农田水利围垦工程中坝体护面、防浪墙等结构，均采用的是混凝土浇筑形成。混凝土作为工程建设的最根本材料，对其力学性能进行研究，有助于保障工程建设安全质量[3- 4]，但由于坝体面临水压力的特殊性，因而针对水利工程中混凝土的水力拉伸劈裂效应研究很有必要。国内外已有较多学者借助室内试验、数值分析及原型试验等手段，开展混凝土水力劈裂效应研究[5- 8]。但由于水利大坝在施工过程中不可避免会有混凝土裂隙，因而借助人工预制裂隙[9]，探讨不同预制裂缝夹角条件下混凝土断裂特性具有重要意义。

1 试验设备及方案

1.1 试验设备

利用自主研发的加载装置，开展混凝土断裂特性分析，该加载装置主要有一端固定支座的预制钢板，承载能力达到500kN拉伸力的螺栓固定，接口适配于试样尺寸，并具有伸缩性，适配于直径为38、50、75、100、200、250mm的试样，在试样另一端同样设置有预制钢板连接缝，分别以千斤顶作为两端钢板支撑载体，钢板厚度达60mm，能完成单轴拉伸及弯曲拉伸等断裂试验。两端加压动力设备主要来自手动液压泵，控制好一定的加压速度，保证管路内压力稳定，关闭阀门后，保证轴力稳定。水压加载利用三相异步电动机提供水泵动力，电机频率为50Hz，转速1400r/min。为保证预制裂隙内水压均匀稳定，在试验前，抽混凝土试样至真空饱和，并保证预制裂缝内处于水压饱满状态，另采用角钢槽密封住裂缝外口，并在角钢外表面设置螺纹孔，供内置传感器连接线通过。

实验数据采集系统利用YD- 26B型电阻仪监测采集混凝土试样表面应变片传回的应力、应变等数据，该检测系统有4个通道，分辨率达到0.001mm，误差控制在0.05%内，可实现室温～80℃数据采集，裂缝扩展位移CMOD具有自动校准功能，采用半桥搭接的方式，保证各项数据传回到检测系统里不失真。数据显示系统具有图标显示功能，能实现加载过程中实时获得裂缝应变及加载应力变化曲线。

1.2 实验方案

本次混凝土断裂特性试验样品取自某围垦工程堤坝原材料，主要为水泥及工程现场附近的粗骨料砂砾石，搅拌用水为天然河水，偏碱性，试样室内精加工打磨后为长方体形态，宽200mm、高600mm、长800mm，裂缝水平线夹角分别为0°、30°、60°，各试样几何形态如图1所示。

图1 混凝土试样几何形态示意图

采用模板制作出匹配混凝土试样的模具，逐一浇筑入混凝土，形成预制混凝土模板，切除掉模板后，打磨表面，装入试验加载系统中，用螺栓固定住试样。试样表面经乙醇擦拭后，顺时针方向粘贴应变片，并依次连接上数据采集系统连接线，所有连接线均为绝缘导线。待试验准备工作就绪后，首先施加水压力至1.2MPa，并保证水压力恒定，水压力加载速率为0.3MPa/min，而后施加轴向拉力，速率控制为5kN/min，采集系统实时间隔0.25s/次存盘数据，直至试样出现贯穿性裂缝或内部渗水，试验结束，关闭所有加载设备，并导出采集数据。

2 实验结果及分析

2.1 应力应变结果分析

图2为恒定水压力条件下，不同预制裂缝夹角的应力应变曲线，其中应变1～8是指预制裂缝内上端部测试数据，应变9～12为预制裂缝下端部测试数据。从图2中的变化关系可看出，随着轴向拉力的增大，试样变形逐渐增大，表明混凝土试样内部裂纹的扩张与轴力成正比。0°裂缝夹角试样在1～8通道中最大应变达到312με，而在9～12通道中应变值最大超过580με，在30°与60°裂缝夹角试样中亦是如此，依据应变片的位置可知裂缝下部扩张变形更大，且更剧烈。对比不同预制裂缝夹角试样的应变值可知，随着预制裂缝夹角的增大，在1～8通道中，试样应力应变约呈“陡峭”，表明试样脆性变形能力增强，在同为200kN轴力拉伸下，0°预制裂缝夹角试样的1～8通道平均应变为159.2με，30°与60°预制裂缝夹角试样的1～8通道平均应变分别是前者的28.9%、24.8%，且三者数值均为峰值轴力前应变值。这表明随着预制裂缝夹角的增大，试样裂缝上端部变形能力逐渐减小，不易发生较大变形。从峰值轴力后应力应变表现来看，60°预制裂缝夹角试样不论是1～8通道或是9～12通道，均不会产生应力跌落现象，峰值后均具有一定的残余变形能力[10]，而在0°与30°预制裂缝夹角试样预制裂缝上端部或在下端部，均会有一定应力跌落，即发生失稳破坏现象，表明该围垦工程混凝土试样在具备天然裂缝条件下，后期是否具有一定的承载能力与天然裂缝夹角有关。

图2 不同预制裂缝夹角的应力应变曲线

图3 不同预制裂缝夹角试样起裂荷载曲线

2.2 断裂特性参数分析

混凝土断裂特性参数主要包括起裂荷载、失稳荷载及起裂角等参数，研究断裂特性参数有助于提升对混凝土试样承受拉伸断裂能力的理解。

(1)起裂荷载

起裂荷载是指试样在初始裂缝条件下，随着荷载超过某个数值，发生二次裂纹，反映在应力应变曲线上即是应变点增大到一定极限变形条件，试样内部颗粒无法再次承受极限拉力变形时，会发生颗粒滑移破坏，此时对应的荷载即为起裂荷载。为了计算方便，找出起裂应变，联系式(1)、式(2)，获得起裂荷载，即

(1)

(2)

图3为典型试样不同预制裂缝夹角试样起裂荷载曲线。从图3中可看出，除了0°预制裂缝夹角下起裂荷载达到150kN以上，另外两种预制裂缝夹角试样起裂荷载较为接近，表明随着预制裂缝夹角增大，试样内部起裂荷载更小，更易于混凝土试样内部形成较大裂纹。

(2)失稳荷载

失稳荷载是指试样应力达到极限程度时，混凝土试样内部应力无法承受更大程度，试样应力应变发生跌落，失稳破坏，如图4所示。

图4 失稳荷载示意图

由于试样在承受拉伸轴力前，已预制裂缝，故而有效裂纹长度包括二次裂纹长度与预制裂缝长度，以二次裂纹长度达到最大为衡量标准，相对应的应力认为是失稳破坏荷载，计算如下式：

图5 试样失稳破坏荷载曲线

(3)

(4)

图5为典型试样失稳破坏荷载曲线。从图5中可看出，随着预制裂缝夹角增大，失稳荷载逐渐增大，60°夹角裂缝失稳荷载是0°夹角裂缝的1.1倍。由于施加水压作用，更符合围垦工程堤坝实际工况，表明天然裂缝夹角的存在有利于增加混凝土试样承受荷载能力。

(3)起裂角

由于测量复合型断裂形式下的起裂角会受到一定的表面粗糙影响，本文将以最终破坏角作为起裂角[11]，如图6所示，β表示预制裂缝与混凝土试样Y轴的夹角，β0表示预制裂缝与混凝土试样X轴的夹角，θ0表示试样起裂角。

图6 起裂角示意图

表1为典型试样起裂角与断裂韧度的结果。从表1中可看出，随着预制裂缝夹角增大，试样起裂角增大，两者呈正相关。另一方面，Ⅱ型-Ⅰ型起裂断裂韧度值与Ⅱ型-Ⅰ型失稳断裂韧度值基本接近，但断裂韧度值随着预制裂缝夹角的增大而增大，预制裂缝夹角增大，断裂形式逐渐趋于复合断裂形式。

表1 试样起裂角与断裂韧度结果

2.3 双K断裂准则应用

双K断裂准则通常来说主要包括直线型、二次函数型及多次函数型[12- 13]，如下式所示。

直线型：aKΙ+bKΙΙ=KΙC

(5)

(6)

(7)

式中，a，b，α，β—与试验相关的常数。

基于对试样断裂韧度结果的分析，获得起裂韧度拟合曲线公式，并以此获得Ⅰ- Ⅱ型复合断裂曲线，如图7所示。从图7中的整体表现可看出，起裂韧度与失稳韧度拟合曲线划分出试样在受拉过程中内部变形破坏过程：在失稳韧度曲线之上时，试样处于破坏失稳阶段；介于起裂韧度与失稳韧度之间区域时，试样裂纹处于可控性扩张阶段；在起裂韧度曲线以下时，试样内部主要还是预制裂缝承受拉伸作用，并未产生二次裂纹。比较Ⅰ型断裂韧度与Ⅱ型断裂韧度，不论是起裂韧度值或是失稳韧度值，总是Ⅰ型断裂韧度值更大[14- 15]。

表2 断裂韧度拟合方程式

图7 Ⅰ- Ⅱ型复合断裂曲线

3 结论

(1)混凝土试样内部裂纹的扩张与轴向拉伸作用成正比，且预制裂缝下端部扩张变形更大；随着预制裂缝夹角的增大，试样脆性变形能力增强，预制裂缝上端部变形能力减小；60°裂缝夹角下峰值轴力后仍具有一定残余变形能力。

(2)分析了混凝土起裂荷载、失稳荷载及起裂角三个断裂特性参数，0°预制裂缝夹角下起裂荷载达150kN以上，30°与60°预制裂缝夹角下试样起裂荷载接近一致；随着预制裂缝夹角的增大，失稳荷载与起裂角均增大，60°夹角裂缝失稳荷载是0°夹角裂缝失稳荷载的1.1倍。

(3)Ⅱ型- Ⅰ型起裂断裂韧度值与Ⅱ型- Ⅰ型失稳断裂韧度值基本接近，但断裂韧度值随着预制裂缝夹角的增大而增大；不论是起裂韧度值还是失稳韧度值，总是Ⅰ型断裂韧度值更大。