静水压力环境下混凝土裂缝扩展长度试验研究.pdf

2 0 1 1 年 第 8 期 (总 第 2 6 2 期 ) Nu mb e r 8 i n2 0 1 1 ( T o t a l NO 2 6 2 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 8 0 1 4 静水压力环境下混凝土裂缝扩展长度试验研究 王建敏 ，徐世娘 ( 1 大连渤海检测有限公司，辽宁 大连 1 1 6 0 2 1 ；2 浙江大学 建筑工程学院， 浙江 杭州 3 1 0 0 2 7 ) 摘要： 昆 凝土裂缝扩展一直是1 一 程界研究的热门课题，而水压下 昆 凝土裂缝扩展的研究对于混凝土坝的安全运行有着极为重要的作 用 。 摹于此背景 ， 开展 了大 型混凝土试件在水压装置作用下 的裂缝扩张长度 的研究 ， 通 过全桥应变连接 的试验方法 和双 K断裂理论 ， 分别 得到 了裂缝扩展长度 ， 并根据对应长度计算 r失稳断裂韧度和黏聚断裂韧度。 结果表明裂缝扩展长度在两种方法下的误差较小 。 断裂韧度的 最大误差相对较大 ， 但平均误差仍在工程允许 范围内。 关键 词 ： 裂缝 扩展 ；双 K断裂 ；断裂韧度 中图分 类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 i 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 8 0 0 4 2 0 3 Ex per i men t a l s t u dy on c r a c k pr opa ga t i on on hy dr os t a t i c pr e s s ur e c i r c ums t an c e WANG J i a n- mi n 。 X U S h i - l a n g ( 1 Da l i a n Bo h a i C o n s t r u c t i o n Q u a l i ty I n s p e c t i o n C o ， L t d ， Da l i a n 1 1 6 0 2 1 ， C h i n a ； 2 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n dA r c h i t e c t u r e ， Z h e j i a n gUn i v e r s i t y， Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 7 ， Ch i n a ) Ab s t r ac t ： I t i s i mp o r t a n t t o s t u d y t h e c r a c k p r o pa g ati o n u n d e r h y d r o s t a t i c p r e s s u r e b e c a us e o f t h e d a m c o l l a p s e b y p l e n t y o f c r a c k s i n h y d r a u l i c c o n c r e t e He n c e h e l e n g t h o f c r a c k p r o p a g a t i o n i s c o mp a r e d t o t h e e x p e r i me n t a l v a l u e b y f u l l b r i d g e s t r a i n g a u g e s ， wh i c h a r e wi d e l y u s e d f o r t h e s i mp l i c it y a n d f a c i l i t y Fu rth e r mo r e t h e u n s t a b l e f r a c t u r e t o u g h n e s s a n d c o h e s i o n f r a c tur e t o u g h n e s s I t i s c o n c l u d e d t h a t t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a r e l a r g e r t h a n t h e c a l c u l a t i o n be c a u s e the c r a c k i n t h e i n t e r i o r i s a h e a d o f t h e s u r f a c e Ho we v e r t h e a v e r a g e e r r o r i s a p p r o x i ma t e l y me e t the r e q u i r e me n t i nt h e e n g i n e e rin gp r a c t i c e ， a n dt h e e x p e r i m e n tal me t h o d s c a nb eu s e di nt h ewa t e rp r e s s u r ef o r t h el i m i t a t i o n o f c a l c u l a t i o n Key w o r ds ： c r a c k p r o p a g a t i o； d o u bl e K f r a c t u r e c rit e r i o n； f r a c t u r e t o u g h ne s s 0 引言 在混凝土断裂力学研究中， 裂缝的断裂过程区的长度始终 是研 究者关心 的重要 课题之一 。 自从 1 9 6 1 年 Ka p l a n进行 的混 凝土断裂韧度试验l l _开创了混凝土断裂力学研究以来， 经过半 个 多世 纪的研究 ， 混凝 土裂缝依 然是研 究的重要 课题 ， 因为混 凝土非均匀多相体系的材料特性 ， 在制作、 施工以及使用等一 系列过程中不可避免地会出现一些微小的裂缝或其他缺陷， 这 些裂缝或缺陷会在某种应力状态下逐渐扩展成构件的断裂破 坏。 并且对于水压下运行的? 昆 凝土， 在地震或循环荷载作用下 的水工结构， 压力水进入裂缝 ， 使得混凝土的所能承受的荷载 明 显减小 ， 很 多混凝 土坝在安 全运行期 就发生 了溃坝事故 。 因 此监测水工混凝土在运行期内的裂缝扩展情况 ， 根据扩展长度 预测在各种条件下的扩展路径以及危险程度， 可以在进一步扩 展达到溃坝前采取控制措施 ， 防止重大事故的发生。 但是由于 水压力作用下的混凝土断裂试验难度非常大， 装置较为复杂， 凶此国外只是少数学者开展过这方面的试验研究。 S a o u ma课 题组对不同水压下扩展裂缝中水压力分布进行了研究口 - 4 1 。 国内 的很多学者主要从数值模拟理论方面进行了研究。 为此， 开展 水压下混凝土裂缝长度的试验研究 ， 计算参数模型就有其实际 意 义。 1 试 验 概 述 试验采用楔人式紧凑拉伸试件， 见图 1 ( a ) ， 由于试验水压 密封难度大的问题 ， 试验中采用j层水压密封 ， 即在试件表面 粘贴橡胶板 ， 之后再用钢板和球角钢架进行加 固密封 ， 保证试件 在高水压下不渗漏 。 具体尺寸见图 1 ( b ) ， 试件厚度均为 2 0 0mm。 试验采用混凝土一次性浇筑完毕， 配合比为水泥： 砂： 石子： 水 = 1 ： 2 1 7 ：3 2 9 ： 0 5 2 。 水泥采用大连小野田水泥厂生产的P O 3 2 5 级水 泥 ， 粗骨料为青碎石 ， 最大粒径为 3 0 mm； 细骨料为河砂， 最大 粒径 为 5 m F f l 。 2 全桥 应 变片的布置与测量 应变片的布置示意图见图 1 ( C ) ， 自裂缝尖端开始向下标 记， 强度等级为 1 、 2 、 3 。 每对应变片的垂直设定间距为2 0 mm， 南于粘贴的误差 ， 在试验之前 ， 重新测量真实距离。 裂缝扩展长 度的测量方法如下： 设某一对应变片距加载点的距离为n ， 初始 缝长为 a 0 ， 则裂缝的扩展长度 0 _ 铷。 在加载初期的一段时间 内， 应变随着荷载的增长呈线性增加 ， 能量不断积聚 ， 在应变达 到最大值后， 应变开始回缩 ， 能量得到释放 ， 这说明裂缝已扩展 至此应变片处 ， 此时最大应变值所对应的荷载即为裂缝扩展 “ 时的荷载值， 为此我们可根据每一对应变片监测裂缝的扩展过 收稿 日期 ：2 0 1 l _ J 0 2 _ 2 5 基金项目：国家9 7 3 项 目( 2 0 0 2 C B 4 1 2 7 0 9 ) ； 国家自然科学基金重点项目( 5 0 4 3 8 0 1 0 ) 42 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 轴承 刀 口 ( 安装夹式引申计) 应变片 球角 固定架 薄钢板 支座 f a 1 试 件 的尺 寸 和密 封 装置 示 意 图 f b ) 试件 尺寸标 注图 图 1 试件 程， 直至试件失稳断裂。 由于裂缝间隔的选取 ， 使得部分试件的 临界裂缝扩展长度位于两组应变片之间， 这样对两个应变片进 行线性插值， 得到最大荷载对应的裂缝扩展长度 吼。 采用应变片测量混凝土裂缝是断裂试验采取的较为普遍 的方法 ， 因为它无需附加设备， 在试验开始前根据情况进行粘 贴即可。 由图 2的荷载应变曲线看到 ， 通过全桥应变片监测 裂缝 在不同阶段扩展长度的方法简单明了， 而且无需完整的荷载曲 线。 对于应变片测量需要的是整体曲线的趋势图， 即找到最大值 点所对应的荷载是主要的， 而对于应变绝对数值的大小并不重 要， 这也就说明对于应变片标距长度的选择具有很大的自由性， 可以根据试验的其他条件确定。 如针对本试验而言， 为了防止附 加约束对于应 变片 的挤压影 响， 选择 了标距较大的应变片 ， 其测 量结果与小标距的应变片在功能上并无区别， 而且这一方法在 测定裂缝扩展长度方面也优于半桥应变片。 由图上可以看到对 于某些应变片， 回弯点较为圆滑， 这样可以采用最大值点两侧 取平均值的方法确定最大应变值。 1 0 0 8 0 z 6 0 4 0 20 0 50 0 5 0 l O0 1 5 0 200 ， ( c ) M&S- 3 1 O 0 8 0 歪6 0 4 0 2 0 0 5O O 5 0 1 00 1 50 200 ， s ( b ) M&S - 2 ,e l ( e ) M&S 一 5 图 2 应变片对应位置荷载一 应变 曲线 3 结果计算与分析 3 1 结果计算 对于裂缝扩展长度的试验测定方法和曲线， 在文献【 5 进行 ( c 1 应 变片 测 点布 置 图 了介绍。 对于裂缝扩展长度的计算确定 ， 也有了一系列较为详 尽的计算方法啕 。 为了便于后面结果讨论 ， 对裂缝尖端的位置、 外载荷产生的应力强度因子脚、 黏聚韧度因子 等概念进行简 单介绍。 试件的初始缝长记为 a o ， 当外载荷 P小于起裂荷载 时 ， 裂缝不会 扩展 ， 长度保持 不变 ； 随着 P的逐渐增 加 ， 当超过 时， 裂缝开始稳定扩展， 长度记为 a ， 扩展量 A a = a a o ， 这一扩 展长度正是由于黏聚力的存在而产生的。 对于混凝土这种半脆 性材料 ， 在试件起裂后不是立刻形成新的自由开裂表面， 而是 在裂缝失稳破坏前存在着主裂缝的稳定扩展。 根据虚拟裂缝 模型， 当 a o 处的裂缝张开位移小于应力释放开裂宽度时尚能传 递应力 ， 这个应力就是分布在裂缝尖端的黏聚力， 使得半脆性材 料 的变形 曲线 出现非线性 。 由黏 聚力产生 的应力强度 因子记 为 K ； 由外载荷 P产生 的应力强度 因子记 为 ； 将研与 的差值 记 为 ， 有些文献将其称为裂缝尖端净应力强度因子 。 表 1中 所列的计算结果是根据应变片所对应的位置进行逐个计算的， 即为不同应变片达到最大值时， 记录此时的荷载和裂缝 口张开 位移 ， 求得此处的 、 、 等对应参数。 应变片 1 所对应的荷 载 P即为起裂荷载 m 。 如果应变片的回弯点刚好对应最大荷 载， 最后的应变片强度等级即为最大荷载， 否则应变片强度等级 Ma x代表最大荷载处 ， 其临界裂缝扩展长度的试验测定根据相 关 位置 的线性差值 而得 。 对于每 个试件 ， P和 C MO D的选取 是 相同的， 裂缝扩展长度和断裂韧度是分别采用试验测定和公式 计算得到， 见表 1 。 3 2 结果分析 针对上述的计算结果， 将试件的裂缝扩展长度 a为荷载 P ， 载荷 P产生的应力强度因子记为研( K p ) 为荷载 P和黏聚力产生 的应力强度 因子 ( K 。 ) 为荷 载 P的对照 曲线 列于图 3 。 有列表 和图中均可以看出， 裂缝扩展长度试验值中的极大多数小于计 算值， 这是由于对于计算公式而言裂缝长度为整个扩展面的平 均长度 ， 而对于粘贴于试件表面的应变片而言， 当有裂缝从表 面经过时， 应变片即发生回弯， 所以其测得的值为表面裂缝扩 展长度 ， 这也说明在试件扩展过程中， 先出现内部裂缝 ， 其发展 快于表面裂缝。 但由表中数据和对照图均可看出两者数据吻合 较好 ， 个别数据误差在 1 0 左右 ， 其余均小于 6 。 因此对于将 附加 约束作 为整体考虑的情况 ， 在 不方便试 验测 量裂缝扩展长 度的同时， 可以采用混凝土裂缝扩展公式进行计算。 对于研的对 照结果 ， 其个别误差的最大值小于 9 ， 其吻合结果更优于裂缝 扩展长度 ， 而对于 其相对误差较大， 而且由对照图可以看出， 其结果受裂缝扩展长度的影响较大， 但平均误差仍小于 1 2 ， 对 于工程而言也是可以接受的误差。 最大值点所对应的 值对 应计算起裂韧度 ， 其与 1 号应变片的外荷载断裂韧度的误差在 43 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 试件对应参数结果列表 3 0 2 5 20 I 5 1 O 0 5 6 1 ( F ) K。 -1 ( S ) 一 1 ( F ) - Kp x 1 ( s ) - K 。 0 70 80 90 1 OO 4 4 J D kN 3 O 2 5 1 20 1 5 1 0 0 5 3 X O 5O 70 9O 1l 0 P kN ! 宣 羔 3 0 2 5 ； 2 0 1 5 1 0 0 5 3 图 3 断裂参数 8 、 、 。 的对 照图 O 60 7O 80 90 P kN 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 O 5 3 P kN 0 5O 70 90 11 0 P kN 下转第 4 7页 吕 目、 x ， - 一 - _ F S F S 4 4 4 4 - - - - F S F S 2 2 2 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 提供的未确知均值聚类等级判定方法。 2 2 评 价 结果 采用郑少瑛等嘲 的有代表性的 2 5个民用住宅工程项 目质 量历史数据( 详见表 1 ) ， 进行实证研究( 为便于数据处理， 通过 表 1 的数据， 建立判别模型， 求取判别函数的得分， 将其与判别 表 1 钢筋混凝土工程质量评价数据 上接第 4 4页 两种方 法下非常接近 ， 这也 正好验证 了徐世娘教授提 出的双 K 断裂理论 。 4结论 本研究主要根据应变片的测定对裂缝扩展长度进行了实 测和计算 ， 并对相应情况下的外荷载断裂韧度和黏聚韧度进行 了计算。 主要结论如下 ： ( 1 ) 采用全桥连接的应变片测定了扩展过程中的裂缝扩展长 度， 其测量方法简便易行且试验结果易于分析， 最大值点在荷载一 应变曲线上易于确定 。 对不同阶段的扩展过程进行了监测 ， 利用不 同阶段得到的P和C MO D的数值采用公式计算了裂缝扩展长度， 并与试验值进行比价较， 结果发现误差较小， 完全符合工程需要。 ( 2 ) 根据试验和计算公式得到的裂缝扩展长度分别计算了 外荷载断裂韧度和黏聚断裂韧度， 外荷载断裂韧度吻合的较好 ， 其最大误差小于 9 ， 黏聚断裂韧度的误差相对较大， 但平均误 差仍在工程范围允许内。 ( 3 ) 最大荷载处的值即为计算起裂韧度， 与对应方式下 1 号 应变片的荷载断裂韧度即试件的测量起裂韧度计算了差值， 发 现误差较小， 较好的吻合了双 K断裂理论。 结果一同列入表 1 。 按照第 1 节的方法进行评价， 将评价结果列 入表 1 。 可见该方法评估结果与期望结果相吻合， 说明该模型评 估正确率高 ， 能较好的评估混凝土的综合施工质量。 3结论 将 模板工程 、 钢 筋工程 、 混凝 土工程施工 质量作 为 3个判 别 因子 ， 结合工程 可变模糊 集理论与模 型 ， 采用未确 知均值 聚 类方法进行等级判定 ， 建立了钢筋混凝土施工质量评判的数学 模型， 为钢筋混凝土施工质量评价与分类提供数量化和定量化 的途径。 模型评价正确率高， 而具有较高的工程应用价值， 为钢 筋混凝土施工质量评估问题的研究提供了一条新思路。 参考文献 ： 1 孙 建平 建 设工程质 量安全 风险 管理 M 北京 ： 中 国建筑 工业出版 社 ， 2 0 0 6 【 2 J G J 5 5 2 ( ) 0 0 ， 普通混凝土配合比设计规程 s E 京： 中国建筑工业 出版社， 2 0 0 1 【 3 】 郑少瑛 ， 陈静茹基于神经网络在钢筋混凝土施工质量评价中的应 用研究叭 四川建筑科学研究， 2 0 0 9 ， 3 5 ( 6 ) ： 3 0 1 3 0 3 4 】莫轻兵 冈 筋混凝土施工质量评价的智能方法【 J J _ 混凝土， 2 0 1 0 ( 8 ) ： 3 5 - 3 7 5 陈守煜工程可变模糊集理论与模型一 模糊水文水资源学数学基础l J 】 大连理工大学学报 ， 2 0 0 5 ， 4 5 ( 2 ) ： 3 0 8 3 1 2 【 6 】 董陇军， 李夕兵 ， 宫凤强 膨胀土胀缩等级分类中的未确知均值聚类 模型及应用I J 1 中南大学学报， 2 0 0 8 ， 3 9 ( 5 ) ： 1 0 7 5 1 0 8 0 7 】 董陇军， 赵国彦未确知均值分级方法及在回采巷道围岩分类中的 应用 J 】 _解放军理工大学学报， 2 0 0 9 ， 1 0 ( 6 ) ： 5 7 5 5 7 9 8 周惠成 ， 张丹 可变模糊集理论在旱涝灾害评价中的应用 J f 农业工 程学报， 2 0 0 9 ， 2 5 ( 9 ) ： 5 6 6 1 作者简介： 张颖红( 1 9 6 9 一 ) ， 女。 联系地址： 浙江杭州下沙高教园区 浙江工商大学基建处( 3 1 0 0 1 8 ) 联系电话 ： 1 3 5 8 8 7 3 6 7 8 2 参考 文献： 1 K A P L AN M F C r a c k p r o p a g a t i o n a n d t h e f r a c t u r e o f c o n c r e t e J J o u r h a l o f t h e A me r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ， 1 9 6 1 ， 5 8 ( 5 ) ： 5 9 1 6 1 0 2 】B R UH WI L E R E， S AO U MA V Wa t e r F r a c t u r e i n t e r a c t i o n i n c o n c r e t e P a t t i ： F a c t u r e p r o p e r t i e s f J 1 A C I Ma t e r i a l s J o u rna l ， 1 9 9 5， 9 2( 3 ) ： 2 9 6 3 0 3 3 B RU H WI L E R E， S A O UMA V Wa t e r f r a c t u r e i n t e r a c t i o n i n c o n c r e t e P a rt I I ： Hy d r o s t a t i c p r e s s u r e i n c r a c k s J A C I Ma t e r i a l s J o u rna l ， 1 9 9 5 ， 9 2 ( 3 ) ： 3 8 3 3 9 0 【 4 S L O WI K V， S A OU MA V Wa t e r p r e s s u r e i n p r o p a g a t i o n c o n c r e t e c r a c k s J J o u r n al o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 0 ， 1 2 6 ( 2 ) ： 2 3 5 2 4 2 5 王建敏静水压力环境下混凝土裂缝扩展与双 K断裂参数试验研究 大连 ： 大连理工大学， 2 0 0 8 6 徐世煨， 王建敏 水压作用下大坝混凝土裂缝扩展与双 K断裂参数 土木工程学报 ， 2 0 0 9 ， 4 2 ( 2 ) ： 1 1 9 1 2 5 7 】 郑爽 多种试件几何混凝土裂缝静应力强度因子的研究 D 辽宁： 大 连理工大学， 2 0 0 5 作者简介 ： 联系地址 ： 联 系电话 ： 王建敏( 1 9 7 8 一 ) ， 女， 博士， 主要从事水压下混凝土断裂试 验研究。 大连市前程街 1 5 号 大连渤海检测有限公司( 1 1 6 0 2 1 ) l 5 9 4 2 83 9 O 9 0 4 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m