本實(shí)用新型提供了水利水電工程領(lǐng)域中一種用于碾壓混凝土高壓水劈裂試驗(yàn)的技術(shù)，尤其是一種可預(yù)加剪應(yīng)力的碾壓混凝土高壓水劈裂試驗(yàn)用試件、及制備該試件的裝置。

背景技術(shù)：

隨著水資源開(kāi)發(fā)需求的增長(zhǎng)以及工程技術(shù)的進(jìn)步，高壩大庫(kù)的建設(shè)日益增多，壩高200m以上的特高混凝土重力壩不斷涌現(xiàn)。壩高的增長(zhǎng)帶來(lái)了新的問(wèn)題，特別是碾壓混凝土壩，存在碾壓薄弱層面，薄弱面在庫(kù)水壓力作用下是否會(huì)發(fā)生高壓水劈裂是一個(gè)重要的工程安全問(wèn)題。如果混凝土在高壓水作用下發(fā)生開(kāi)裂，將會(huì)對(duì)大壩的正常工作帶來(lái)巨大的潛在危險(xiǎn)。因此非常有必要研究碾壓混凝土層面在高壓水作用下的性能表現(xiàn)，以評(píng)估高壩的安全性。

碾壓混凝土重力壩的層面在高壓水作用下發(fā)生水力劈裂的機(jī)理復(fù)雜，其中一個(gè)重要原因既是實(shí)際工程中的碾壓混凝土是在復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下工作。在重力壩的上游表面，在不考慮水壓的情況下，碾壓混凝土層面的受到的力狀態(tài)可能是無(wú)應(yīng)力、受壓、受拉、受剪，以及這幾種力的疊加等情況。在考慮這些復(fù)雜外力條件下的碾壓混凝土層面的高壓水劈裂試驗(yàn)裝置，尤其是能夠產(chǎn)生剪應(yīng)力作用的碾壓混凝土層面的高壓水劈裂裝置還未見(jiàn)報(bào)道。

中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)(公開(kāi)號(hào)為CN 103698218 A)公開(kāi)了一種可模擬不同應(yīng)力條件下混凝土構(gòu)件水力劈裂試驗(yàn)裝置，該裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，考慮了不同初始裂縫傾斜角情況下的水力劈裂試驗(yàn)，然而僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)常態(tài)混凝土的高壓水劈裂試驗(yàn)。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利(公開(kāi)號(hào)CN 102053036 A)公開(kāi)了拉壓狀態(tài)下混凝土構(gòu)件高壓水劈裂模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和裝置，僅針對(duì)單軸受拉壓條件下的混凝土試件進(jìn)行高壓水劈裂試驗(yàn)，而且也僅是針對(duì)常態(tài)混凝土而言。可見(jiàn)考慮剪應(yīng)力狀態(tài)下的碾壓混凝土層面高壓水劈裂方面，還未有相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法及配套設(shè)配。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上問(wèn)題，尤其是碾壓混凝土的層面特點(diǎn)，本實(shí)用新型結(jié)合碾壓混凝土高壩的工作特點(diǎn)，在反復(fù)試驗(yàn)和工程實(shí)踐中提出了一種可預(yù)加剪應(yīng)力的碾壓混凝土高壓水劈裂試驗(yàn)裝置。可有效地模擬碾壓混凝土高壩層間縫在高壓水作用下的工作工況，提高碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)和研究水平，為碾壓混凝土壩高壩建設(shè)提供基礎(chǔ)保證，彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)外這一領(lǐng)域的空白。

通過(guò)檢索國(guó)內(nèi)外有關(guān)混凝土高壓水劈裂試驗(yàn)設(shè)備及方法文獻(xiàn)專(zhuān)利，表明在本實(shí)用新型之前，用于混凝土高壓水劈裂試驗(yàn)的可預(yù)加剪應(yīng)力的試驗(yàn)設(shè)備及方法還沒(méi)有報(bào)道。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本實(shí)用新型主要目的在于提供一種可預(yù)加剪應(yīng)力的碾壓混凝土高壓水劈裂試驗(yàn)用試件，其可以考慮剪應(yīng)力的影響，從而可以更真實(shí)、有效地模擬碾壓混凝土層面在高壓水作用下的工作工況。

本實(shí)用新型又一目的在于提供一種試件制備用裝置，其可供制備可預(yù)加剪應(yīng)力的碾壓混凝土高壓水劈裂試驗(yàn)用試件，且可以使試件的制備簡(jiǎn)單、可靠。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供的主要技術(shù)方案包括：

一種可預(yù)加剪應(yīng)力的碾壓混凝土高壓水劈裂試驗(yàn)用試件，該試件具有一延伸方向，在該延伸方向具有依次設(shè)置的第一混凝土塊、第二混凝土塊、第三混凝土塊和第四混凝土塊，其中，第一混凝土塊與第二混凝土塊的接觸面構(gòu)成第一層面，第二混凝土塊與第三混凝土塊的接觸面構(gòu)成第二層面，第三混凝土塊與第四混凝土塊的接觸面構(gòu)成第三層面，該第二層面與該延伸方向間具有一夾角α，該試件內(nèi)部于該第二層面處具有一預(yù)設(shè)裂縫，該預(yù)設(shè)裂縫通過(guò)一接口通道與試件外部連通。

其中，該預(yù)設(shè)裂縫位于試件的第二混凝土塊與第三混凝土塊的接觸面構(gòu)成第二層面，且位于試件延伸方向的長(zhǎng)度的中間部位，以使預(yù)設(shè)裂縫附近幾乎不受試件兩端的應(yīng)力集中的影響。

其中，所述第一混凝土塊與第四混凝土塊為常態(tài)混凝土，所述第二混凝土塊與第三混凝土塊為碾壓混凝土。

其中，所述試件的兩端設(shè)有或不設(shè)連接裝置，該連接裝置設(shè)有露出試件外的連接部。所述連接裝置為一端埋設(shè)于第一混凝土塊和第四混凝土塊中的錨桿。該露出試件外的連接部為螺紋段。

其中，所述試件整體呈圓柱體。所述預(yù)設(shè)裂縫優(yōu)選為圓形。

一種試件制備用裝置，其包括：

殼模，具有容置空間，供制備上述試件用的常態(tài)混凝土和碾壓混凝土填入其中，該容置空間具有一延伸方向；

夯實(shí)設(shè)備，具有用于夯實(shí)殼模的容置空間中的碾壓混凝土的底板，該底板具有一斜面，該斜面與該延伸方向間具有一夾角α。

其中，所述殼模整體呈筒狀，其底端呈封閉狀，其封閉狀的底端的內(nèi)底部設(shè)有底蓋。

其中，所述底蓋設(shè)有或不設(shè)若干通孔，通孔供錨桿穿設(shè)。所屬錨桿靠近殼模內(nèi)底部的一側(cè)設(shè)有螺紋段和與螺紋段配合的螺母。

其中，所述底蓋與殼模內(nèi)底部之間設(shè)有墊塊。該墊塊與底蓋為一整體，對(duì)應(yīng)底蓋中部設(shè)置，若干錨桿環(huán)繞該墊塊設(shè)置。

其中，所述殼模的頂端呈開(kāi)口狀，其開(kāi)口狀的頂端內(nèi)部設(shè)有或者不設(shè)頂蓋。所述頂蓋設(shè)有若干通孔，供錨桿穿設(shè)。錨桿露出的一端設(shè)有螺紋段和與螺紋段配合的螺母。

其中，所述夯實(shí)設(shè)備為實(shí)驗(yàn)室用于壓實(shí)碾壓混凝土的振動(dòng)壓實(shí)成型儀。

其中，所述殼模為鋼模，整體呈圓柱體。

本實(shí)用新型的有益效果是：

本實(shí)用新型的可預(yù)加剪應(yīng)力的碾壓混凝土高壓水劈裂試驗(yàn)用試件，其可以考慮剪應(yīng)力的影響，從而可以更真實(shí)、有效地模擬碾壓混凝土高壩碾壓層面在高壓水作用下的工作工況；

本實(shí)用新型的試件制備用裝置，其可供制備可預(yù)加剪應(yīng)力的碾壓混凝土高壓水劈裂試驗(yàn)用試件，且可以使試件的制備簡(jiǎn)單、可靠。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型預(yù)加剪應(yīng)力狀態(tài)下碾壓混凝土構(gòu)件高壓水劈裂模擬實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)原理示意圖；

圖2為本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的可預(yù)加剪應(yīng)力的碾壓混凝土高壓水劈裂試驗(yàn)用試件的結(jié)構(gòu)示意圖(同時(shí)示出了制備該試件用的模具，即模具拆除前的狀態(tài))。

【主要元件符號(hào)說(shuō)明】

(1)圓柱體鋼模，(2)預(yù)設(shè)裂縫，(3)碾壓混凝土層面，(4)錨桿，(5)墊塊，(6)螺栓，(7)螺母，(8)上層常態(tài)混凝土，(9)上層碾壓混凝土，(10)下層碾壓混凝土，(11)下層常態(tài)混凝土。

具體實(shí)施方式

為了更好的解釋本實(shí)用新型，以便于理解，下面結(jié)合附圖，通過(guò)具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)說(shuō)明。

參見(jiàn)圖1，本實(shí)用新型的試驗(yàn)原理圖，其通過(guò)在試件中設(shè)置預(yù)設(shè)斜裂縫，將單軸試驗(yàn)機(jī)提供的拉壓荷載轉(zhuǎn)化為剪應(yīng)力，在一定的預(yù)加剪應(yīng)力之下，向試件中通入高壓水進(jìn)行試驗(yàn)，以模擬碾壓混凝土高壩層間縫在高壓水作用下的工作工況。

參見(jiàn)圖2，本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的可預(yù)加剪應(yīng)力的碾壓混凝土高壓水劈裂試驗(yàn)用試件，其包括三個(gè)圓柱體鋼模1，三個(gè)圓柱體鋼模1兩兩之間通過(guò)螺栓連接構(gòu)成一個(gè)整體的筒狀模具。模具內(nèi)灌注碾壓混凝土和常態(tài)混凝土，包括中部的兩層碾壓混凝土9、10和兩端的兩層常態(tài)混凝土8、11，得到混凝土構(gòu)件(即所述試件)，混凝土構(gòu)件中間澆筑成斜面狀態(tài)，并且在兩層碾壓混凝土的接觸斜面處(即碾壓混凝土層面3)預(yù)設(shè)1根高壓水管。

具體的，所述試件整體呈圓柱體狀，底面直徑450mm，高度1350mm，其上下兩端為常態(tài)混凝土8、11，且上下兩端的常態(tài)混凝土8、11中埋設(shè)有8根錨桿4，錨桿4露出的一端設(shè)有螺紋(優(yōu)選為設(shè)成一螺栓6)，螺紋處螺合有螺母7；試件的中部設(shè)有兩層碾壓混凝土9、10，兩層碾壓混凝土9、10之間，以及其與上下兩端的常態(tài)混凝土8、11之間形成三處45°的斜面，兩層碾壓混凝土9、10為150mm厚，即相鄰斜面間的間距為150mm，并且在兩層碾壓混凝土9、10之間的斜面處(即碾壓混凝土層面3)設(shè)有預(yù)設(shè)裂縫2，該預(yù)設(shè)裂縫2恰位于試件的整體長(zhǎng)度的中間位置，該預(yù)設(shè)裂縫2通過(guò)一預(yù)先埋設(shè)于其中的高壓水管與外部連通，以向其中輸入試驗(yàn)用的高壓水。

其中，其模具包括三個(gè)規(guī)格為Φ450mm×450mm的圓柱體鋼模1，該三個(gè)規(guī)格為Φ450mm×450mm的圓柱體鋼模1兩兩之間通過(guò)4個(gè)螺栓連接。其位于頂端的一個(gè)圓柱體鋼模兩端呈開(kāi)口狀，且于頂側(cè)設(shè)有頂蓋，頂蓋上環(huán)設(shè)有8個(gè)通孔，供穿設(shè)錨桿；其位于底端的一個(gè)圓柱體鋼模一端(即底端)呈封口狀，該封口狀的底端的內(nèi)底面設(shè)有底蓋，底蓋上環(huán)設(shè)有8個(gè)通孔，供穿設(shè)錨桿，底蓋的中部與內(nèi)底面之間設(shè)有墊塊5；其位于中部的，一個(gè)圓柱體鋼模兩端呈開(kāi)口狀，且于側(cè)壁設(shè)有側(cè)開(kāi)口，以供高壓水管設(shè)置。

其中，所述混凝土試件的制備包括：

制備Φ450mm×1350mm的圓柱形試件需3個(gè)Φ450mm×450mm的圓柱形試模。裂縫設(shè)置在試件長(zhǎng)度的中間部位，從而使裂縫附近幾乎不受兩端應(yīng)力集中的影響。由于在試件中間部位成一45°斜縫，將Φ3mm-6mm高壓水管置于試件中間，沿斜裂縫敷設(shè)伸出試件。

具體的，成縫構(gòu)件的制作有以下幾個(gè)要點(diǎn)：

①將帶有6個(gè)錨桿的底蓋置于Φ450mm×1350mm圓柱形模內(nèi)，使底蓋下端螺栓高度低于鋼制墊塊，保證底蓋處于水平狀態(tài)；

②往試模里加入全級(jí)配常態(tài)混凝土淹沒(méi)錨桿，再在在斜面處加上層厚為150mm的碾壓混凝土。用改裝的45°傾斜底板的振動(dòng)碾夯實(shí)；

③沿夯實(shí)面橢圓長(zhǎng)軸方向鋪設(shè)一條高壓水管，并做好保護(hù)措施(包括管嘴用塑料紙堵上，防止異物進(jìn)入)，水管其余部分沿圓柱形模具壁面伸出；

④再往鋪設(shè)水管的碾壓混凝土層面澆筑一層層厚為150mm的碾壓混凝土，并用上述振動(dòng)碾夯實(shí)；

⑤在上述碾壓混凝土層面澆筑常態(tài)混凝土至圓柱形模頂端，用振搗棒振搗密實(shí)，并蓋上帶有6個(gè)錨桿的頂蓋；

⑥試件原地靜置一周后，拆模，測(cè)試試件是否進(jìn)水通暢，確定進(jìn)水通暢后，將進(jìn)水口封堵保護(hù)，錨桿6的螺絲上涂一層黃油，進(jìn)行防銹保護(hù)。試件小心運(yùn)至養(yǎng)護(hù)室，養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期。

具體的，所述試件的試驗(yàn)方法包括：

試件安裝——將試件安裝在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，將上下錨桿6與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的錨栓連接，準(zhǔn)備開(kāi)始試驗(yàn)；

水壓加壓——試驗(yàn)前首先對(duì)測(cè)試相應(yīng)材料的強(qiáng)度，通過(guò)有限元計(jì)算，預(yù)估試件的劈裂水壓，據(jù)此確定水壓的加壓步長(zhǎng)和閾值；

萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件施加恒定拉力——該拉力通過(guò)45°碾壓混凝土的層面轉(zhuǎn)化為剪力作用，在高壓水管中按照一定的步長(zhǎng)通入高壓水，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中仔細(xì)觀察試件表面有無(wú)漏水情況，并記錄壓力表的讀數(shù)有無(wú)驟降現(xiàn)象，據(jù)此判斷水力劈裂是否發(fā)生，壓力表所達(dá)到的最高值就是劈裂時(shí)候的水壓力。

綜上所述，本實(shí)用新型基于傳統(tǒng)高壓水劈裂模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和裝置常只針對(duì)單軸受拉壓條件下的混凝土試件進(jìn)行高壓水劈裂試驗(yàn)且難以考慮剪應(yīng)力影響的不足，研究和開(kāi)發(fā)的可預(yù)加剪應(yīng)力的碾壓混凝土高壓水劈裂試驗(yàn)用試件，其可以考慮剪應(yīng)力的影響，從而可以更真實(shí)、有效地模擬碾壓混凝土高壩層間縫在高壓水作用下的工作工況，且方法簡(jiǎn)單、可行；

本實(shí)用新型的試件制備用裝置，其可供制備可預(yù)加剪應(yīng)力的碾壓混凝土高壓水劈裂試驗(yàn)用試件，且可以使試件的制備簡(jiǎn)單、可靠。