帶裂縫混凝土芯樣性能試驗研究

劉波 楊立富 武安

1.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司科學(xué)試驗研究院 云南 昆明 650033 2.承德寶通電力有限公司 河北 承德 067000

混凝土拱壩在澆筑完成后經(jīng)常會存在很多裂縫，有些為貫穿性裂縫。裂縫的存在影響了拱壩的整體性，削弱了拱壩的剛度。為了解決這一世界性難題，采用人工造縫，形成受力薄弱面，誘導(dǎo)芯樣試件沿50°角薄弱面破壞，以研究在軸心受壓、受彎拉、受剪狀態(tài)下混凝土芯樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，了解芯樣的裂縫發(fā)展趨勢和破壞形狀[1-3]。

1 試驗方法

混凝土芯樣力學(xué)性能試驗工作按有關(guān)規(guī)程規(guī)范執(zhí)行：《水工混凝土試驗規(guī)程》（DL/T5150-2001）、《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》（SL264-2001）、《工程巖體試驗方法》（GB/T50266-99）。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 軸心抗壓試驗

2.1.1 試驗技術(shù)路線

采用壩體混凝土鉆芯Φ130mm芯樣試件，在其中部布置與受壓面成50°角的人造裂縫，人為在混凝土芯樣兩側(cè)制造裂縫受力薄弱面，縫深沿直徑兩端分別切進(jìn)20mm～30mm。在每個芯樣沿裂縫縫尖方向前后對應(yīng)面各貼5～6片應(yīng)變片，芯樣及應(yīng)變片布置示意圖見圖1。研究小灣壩體混凝土芯樣試件在有裂縫受損條件下，受單向軸壓作用時的破壞形態(tài)。混凝土應(yīng)力狀態(tài)采集采用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)進(jìn)行，應(yīng)變采集采用靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)進(jìn)行，采集頻率為2次/s。試驗時，通過預(yù)壓對試件進(jìn)行糾偏后，以0.1MPa/s速度連續(xù)、均勻加荷，直至試件破壞。

圖1 軸心受壓試件人工制縫及應(yīng)變片布置示意圖

2.1.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

在軸心受壓的條件下，大多數(shù)測點(diǎn)最大壓應(yīng)變均在800×10-6以上。從變形規(guī)律上看，受損芯樣應(yīng)力-應(yīng)變變化未呈現(xiàn)沿造縫縫尖應(yīng)力集中和應(yīng)變顯著增大的現(xiàn)象。說明帶縫混凝土未損傷區(qū)域在單軸受壓的應(yīng)力作用下，裂縫對其延伸影響甚微。

2.1.3 裂縫發(fā)展趨勢和破壞形態(tài)

試驗首先對人造裂縫深度總計達(dá)到40mm（兩端各20mm）的24#-1和24#-2混凝土芯樣進(jìn)行軸心受壓試驗，從芯樣受力變形發(fā)展情況來看，軸心受壓芯樣未沿預(yù)設(shè)的50°角人工裂縫薄弱面剪切破壞，而是首先在有效受力部位薄弱點(diǎn)產(chǎn)生豎直向裂縫，并隨混凝土塑性變形的增加裂縫逐漸擴(kuò)展，最終整體破壞。為了進(jìn)一步了解裂縫延伸對小灣壩體混凝土裂縫開展的影響范圍，對24#-3和24#-4芯樣人工造縫沿直徑方向分別增加了10mm，使人造裂縫沿直徑方向總計達(dá)到60mm（兩端各30mm），受軸心抗壓時，芯樣仍不按50°角人工裂縫薄弱面剪切破壞，依然是沿有效受力部位薄弱點(diǎn)產(chǎn)生豎直向裂縫，并隨混凝土塑性變形的增加裂縫逐漸擴(kuò)展，最終整體破壞。其中編號24#-4芯樣隨著軸壓力的增加，內(nèi)部受大骨料偏心作用，極限荷載破壞時，出現(xiàn)了沿混凝土薄弱面偏心潰壞的現(xiàn)象。4塊受損芯樣軸心抗壓極限破壞形態(tài)表現(xiàn)為常見的抗壓破壞特征，無剪切破壞特征。

2.2 抗彎試驗

2.2.1 試驗技術(shù)路線

在混凝土芯樣加工好的長方體試件底面中部進(jìn)行人工切縫，縫深12mm～13mm，人為制造受力薄弱面，預(yù)設(shè)在受彎拉狀態(tài)下試件沿人工造縫縫尖斷裂破壞，每個試件對應(yīng)前后兩面沿人工裂縫縫尖頂端依次各貼4片應(yīng)變片測量應(yīng)變。壓力試驗機(jī)采用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)，應(yīng)變儀采用靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，應(yīng)力與應(yīng)變采集頻率為2次/s。試驗采用水工混凝土抗彎強(qiáng)度簡支梁三分點(diǎn)加荷法，以50N/s～100N/s速度連續(xù)、均勻加荷，直至試件破壞。

2.2.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

在抗彎荷載的作用下，帶縫混凝土小梁未受損區(qū)域拉應(yīng)變沿受拉區(qū)向受壓區(qū)過度，呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律符合小梁彎曲變形的特征。4個試件中僅有1個沿人工造縫處斷裂，其機(jī)理是人工造縫縫尖正好有1個約70mm的大骨料粘接薄弱界面與其銜接，當(dāng)試件承受抗彎極限荷載時，粘貼于緊靠裂縫縫尖頂端對應(yīng)面的兩測點(diǎn)中，有1測點(diǎn)應(yīng)變片已被拉壞，另1測點(diǎn)拉應(yīng)變值達(dá)247×10-6。這一變形形式與未沿人工造縫斷裂面破壞的另2個試件，拉應(yīng)變值及變形規(guī)律極其相近。說明裂縫向混凝土小梁未受損區(qū)域延伸開展影響甚微。

2.2.3 裂縫發(fā)展趨勢和破壞形態(tài)

從帶縫試件抗彎變形和裂縫發(fā)展趨勢來看，4個帶縫小梁受彎曲拉變形時，有3個未從人工造縫處斷裂，由試驗攝像記錄顯示，帶縫小梁彎拉破壞過程中，裂縫均沿大骨料界面處開始產(chǎn)生，然后擴(kuò)展最終斷裂。1個沿人工造縫面斷裂(編號26#-3)，觀察斷裂破壞面發(fā)現(xiàn)，此帶縫小梁人工造縫縫尖面正好與混凝土內(nèi)部一個約70mm的骨料界面銜接，面積占斷裂面約30%，從而造成沿人工造縫面斷裂狀態(tài)。

2.3 裂縫對混凝土芯樣抗剪強(qiáng)度的影響

2.3.1 混凝土裂縫化灌芯樣抗剪試驗研究

(1) 抗剪試驗成果

劈拉試驗后模擬化灌的混凝土抗剪試驗共進(jìn)行了15組（90塊試件）。峰值強(qiáng)度大值平均值f′為1.403，C′值為4.851MPa；平均值f′為1.314，C′值為4.019MPa；小值平均值f′為1.292，C′值為2.744MPa；殘余強(qiáng)度大值平均值f為0.966，C值為0.668MPa；平均值f為0.867，C值為0.470MPa；小值平均值f為0.762，C值為0.379MPa；成果表明模擬化灌后的混凝土抗剪試驗峰值強(qiáng)度較高，尤其表現(xiàn)在C值上。

(2) 剪切破壞特征

15組（90塊試件）混凝土裂縫化灌芯樣試驗試塊剪切破壞時均沿混凝土接觸面被剪斷，部分將骨料剪斷或?qū)⒐橇习纹穑患羟衅茐谋憩F(xiàn)為較明顯脆性破壞特征。剪斷時的剪切位移值主要分布于2.0mm～5.8mm之間，平均剪切位移為4.42mm。

(3) 混凝土裂縫化灌芯樣抗剪強(qiáng)度可靠性估值成果表

將15組（90塊試件）混凝土裂縫化灌芯樣抗剪試驗的數(shù)據(jù)分別使用0.2分位值法和t分布概率統(tǒng)計法分別計算出混凝土本體芯樣抗剪強(qiáng)度的0.2分位值及不同置信區(qū)間的下限值，計算成果見表1。

表1 混凝土裂縫化灌芯樣抗剪強(qiáng)度可靠性成果表

2.3.2 大體積混凝土芯樣抗剪試驗研究

(1) 抗剪試驗成果

此次研究試驗中采用點(diǎn)群中心法對拱壩22組（109塊試件）混凝土芯樣抗剪試驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸，峰值強(qiáng)度平均值φ′為53.2°，C′值為4.73MPa；殘余強(qiáng)度平均值φ為40.8°，C值為1.69MPa；峰值強(qiáng)度小值平均為φ′為49.8°，C′值為3.952MPa；殘余強(qiáng)度小值平均φ為39.3°，C值為1.27MPa。

(2) 剪切破壞特征

22組（109塊試件）混凝土芯樣抗剪試驗試塊均在混凝土中破壞，只有極個別試塊沿層面剪斷。局部將骨料剪斷或?qū)⒐橇习纹穑患羟衅茐谋憩F(xiàn)為較明顯脆性破壞特征，大多數(shù)試塊剪斷時發(fā)出脆斷響聲。剪斷時的剪切位移一般為2.5mm～6.5mm，平均剪切位移為4.34mm。

(3) 大體積混凝土芯樣抗剪強(qiáng)度可靠性估值成果表

將22組（109塊試件）混凝土芯樣抗剪試驗的數(shù)據(jù)分別使用0.2分位值法和t分布概率統(tǒng)計法分別計算出大體積混凝土芯樣抗剪強(qiáng)度的0.2分位值及不同置信區(qū)間的下限值，計算成果見表2：

表2 大體積混凝土芯樣抗剪試驗成果可靠性成果表

2.3.3 帶縫芯樣抗剪試驗研究

(1) 抗剪試驗成果

使用最小二乘法對1組（5塊）帶縫混凝土芯樣抗剪試驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，峰值強(qiáng)度φ′值為50.5°，C′值為4.52MPa，殘余強(qiáng)度φ為42.6°，C值1.39MPa。

(2)剪切破壞特征

5塊帶縫混凝土芯樣剪切破壞時均沿芯樣開縫水平面剪斷，剪切面平整，擦痕明顯，部分骨料被剪斷。剪切破壞表現(xiàn)為較明顯脆性破壞特征，大多數(shù)試塊剪斷時發(fā)出脆斷響聲。剪斷時的剪切位移為4.2mm～11.2mm，平均剪切位移為6.9mm。

2.3.4 裂縫對芯樣抗剪強(qiáng)度影響研究

綜合分析混凝土裂縫化灌芯樣抗剪試驗、大體積混凝土芯樣抗剪試驗和帶縫芯樣抗剪試驗研究成果表明，帶縫混凝土芯樣峰值抗剪強(qiáng)度介于大體積混凝土芯樣、混凝土裂縫化灌芯樣峰值抗剪強(qiáng)度平均值與峰值抗剪強(qiáng)度小值平均值之間，帶縫混凝土芯樣峰值抗剪強(qiáng)度與混凝土裂縫化灌芯樣峰值抗剪強(qiáng)度、大體積混凝土芯樣峰值抗剪強(qiáng)度相比較為接近，說明裂縫的存在對周邊混凝土抗剪強(qiáng)度并無較大影響；但從三者剪切破壞時的平均剪切變形來看，帶縫混凝土芯樣剪切破壞時剪切位移明顯大于混凝土裂縫化灌芯樣和大體積混凝土芯樣剪切破壞時剪切位移，說明裂縫對混凝土芯樣的變形破壞影響較大。

3 結(jié)束語

(1) 帶縫(人造)芯樣受單向軸心壓力荷載時，裂縫均未沿預(yù)計50°角斷裂面延伸，而是從有效受力薄弱點(diǎn)產(chǎn)生豎直向裂縫，即沿軸向劈力破壞。其機(jī)理為承壓面約束應(yīng)力集中，導(dǎo)致試件裂縫逐漸擴(kuò)展直至整體破壞，表現(xiàn)為常見的混凝土芯樣軸心受壓破壞形態(tài)。在軸心受壓的條件下，大多數(shù)測點(diǎn)最大壓應(yīng)變均在800×10-6以上。應(yīng)力－應(yīng)變變化未出現(xiàn)沿造縫縫尖頂端應(yīng)力集中和應(yīng)變顯著增大的特征。說明帶縫混凝土未損傷區(qū)域在單軸受壓應(yīng)力的作用下，裂縫未沿混凝土未損傷區(qū)域延伸。

(2) 在抗彎荷載的作用下，帶縫混凝土小梁未受損區(qū)域拉應(yīng)變沿受拉區(qū)向受壓區(qū)過度，呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，應(yīng)力—應(yīng)變變化規(guī)律符合小梁彎曲變形的特征。4個試件中僅有1個沿人工造縫處斷裂，其機(jī)理是人工造縫縫尖正好有1個約70mm的大骨料粘接薄弱界面與其銜接，當(dāng)試件承受抗彎極限荷載時，粘貼于緊靠裂縫縫尖頂端對應(yīng)面的兩測點(diǎn)中，有1測點(diǎn)應(yīng)變片已被拉壞，另1測點(diǎn)拉應(yīng)變值達(dá)247×10-6。這一變形形式與未沿人工造縫斷裂面破壞的另2個試件，拉應(yīng)變值及變形規(guī)律極其相近。說明裂縫向混凝土小梁未受損區(qū)域延伸開展影響甚微。

(3) 帶縫混凝土芯樣峰值抗剪強(qiáng)度與混凝土裂縫化灌芯樣峰值抗剪強(qiáng)度和大體積混凝土芯樣峰值抗剪強(qiáng)度相比較為接近，帶縫混凝土芯樣峰值抗剪強(qiáng)度介于兩者峰值抗剪強(qiáng)度平均值與峰值抗剪強(qiáng)度小值平均值之間，說明裂縫的存在對周邊混凝土抗剪強(qiáng)度并無較大影響。

帶縫混凝土芯樣剪切破壞時剪切位移明顯大于混凝土裂縫化灌芯樣和大體積混凝土芯樣剪切破壞時剪切位移，說明裂縫對混凝土芯樣的變形破壞影響較大。