碾压混凝土断裂试验研究

收稿日期：2000-08-28
基金项目：国家“九五”科技攻关项目（96-220-02-03）
作者简介：张林（1955），女，四川筠连人，四川大学水利水电学院副研究员，主要从事水工结构模型试验研究。

　　沙牌水电站位于四川省汶川县境内岷江一级支流草坡河上，坝高132m，为目前世界上在建最高的碾压混凝土拱坝。大坝采用全断面通仓碾压施工方法，以三级配碾压混凝土为主。为了研究碾压混凝土断裂力学特性，为拱坝物理模型试验和数值计算分析提供基础资料，同时也为类似工程提供碾压混凝土断裂特性参数，对沙牌拱坝三级配碾压混凝土本体试件进行了断裂试验研究。通过三点弯曲试验及剪切断裂试验，获得了碾压混凝土试件的断裂韧度和断裂能以及荷载与加载点位移关系和荷载与缝端开口位移关系全过程曲线。研究中，通过对碾压混凝土三点弯曲试件预埋光纤，应用光纤传感检测技术，研究了光纤对碾压混凝土试件开裂的敏感性，探索光纤的光强随试件开裂及裂缝发展过程的变化关系。

1 试验概况

1.1 原材料基本情况　水泥采用四川白花水泥厂生产的中热普硅425^＃水泥，粉煤灰为成都热电厂二级粉灰，砂子为人工砂，细度模数2.6～2.8，石粉含量16%～20%，石子为花岗岩人工骨料，三级配40～80mm∶20～40mm∶5～20mm=30∶40∶30，水胶比为0.506.碾压混凝土试件由国家电力公司成都勘测设计研究院科研所材料室制作，采用钢模浇筑成型，并按标准方法要求在养护室养护，龄期90d.混凝土的碾压模拟，采用附着式混凝土振动器。

1.2 试件制备　按照试验内容要求，具体制作了如下3组试件：(1)带切口的三点弯曲梁试件6个，编号Ⅰ 1－1～Ⅰ－6，主要测试碾压混凝土的I型断裂韧度K_ⅠC和断裂能G_Ｆ。试件尺寸为：10cm×10cm×51.5cm，L(跨)W(高)比：L/W=4,裂纹用置于试件浇筑侧面且顶角为30°的钢三角形楔模制成，裂纹长度a=5cm，其裂纹长度与试件高度之比a/w=0.5.如图1所示。(2)预埋光纤的三点弯曲梁试件4个，编号Ⅱ－1～Ⅱ－4，试件尺寸与第一组试件完全相同，只是在预制裂纹端部附近埋设了光纤，主要研究光纤对碾压混凝开裂的敏感性，探索光纤的光强与裂缝发展过程的关系。光纤型号采用2种，即康宁10/125/250单模光纤及10/125/900二次单模涂覆光纤，在埋入时又分为对光纤传感段进行了处理(即去掉光纤保护层)和未进行处理两种情况，以比较其传感效果。如图2所示。(3)带切口的剪切试件10个，主要测试碾压混凝土的Ⅱ型断裂韧度K_ⅡC。试件尺寸为：10cm×10cm×20cm，裂纹长度a=5cm，其中：双面剪切试件4个(实际做了8个，成功了4个)，编号Ⅲ－1～Ⅲ－4，直剪试件6个，编号Ⅲ－5～Ⅲ－10，如图3和图4所示。

①碾压混凝土试件 ②预制裂缝 ③加载支承 ④刚性梁
⑤力传感器 ⑥挠度传感器 ⑦开度传感器 ⑧声发射传感器
图1 碾压混凝土三点湾曲梁试件

图2 预埋光纤的碾压混凝土三点弯曲梁试件

①碾压混凝土试件 ②预制裂缝 ③刚性块 ④位移传感器
图3 碾压混凝土双面剪切试件

图4 碾压混凝土直剪试件

1.3 试验装置及测试过程

　　试验采用美国产MTS815Teststar程控伺服岩石力学试验系统，测试碾压混凝土的断裂力学特性，并能自动实时记录荷载与加载点位移及荷载与缝端开度关系全过程曲线。试验中采用等位移速率控制加载，加载速率为0.01mm/min.应变测试采用日本KYOWA DPM 600系列动态应变仪，该仪器有8个测试通道精确地测试应变。光纤传感检测采用广州仪器公司生产的AI9301A/AI9302A型高稳定度智能光功率计检测光纤中光信号的变化，其工作波长1300mm.同时还使用了TD2000型OTDR(光时域反射计)作对比，其工作波长为1300mm，损耗分辨率0.01dB，距离分辨率0.1m.试验装置及测试过程如图5所示。

2 试验成果及分析

　　通过试验测得三点弯曲梁试件荷载与加载点位移全过程关系曲线和荷载与缝端开口位移全过程关系曲线，以及预埋光纤三点弯曲梁试件光强与缝端张开位移曲线和剪切试验荷载与位移关系曲线共26张，限于篇幅，仅列出典型的相关曲线，如图6～图9所示。

图5 试验装置及测试过程

图6 三点弯曲梁试验荷载与加载点位移关系曲线

图7 光纤传感试件裂缝光强与缝端张开位移关系曲线

图8 双面剪切试验荷载与剪切位移关系曲线

图9 直剪试验荷载与剪切位移关系曲线

以三点弯曲梁实测曲线中最大荷载为裂纹失稳扩展的临界荷载如图6所示，试件的Ⅰ型断裂韧Ｋ_ⅠC按下式计算^[１]：

K_Ⅰ_C＝P_maxL/BW^3/^２/f（a/w）
	(1)

式中：P_max为临界荷载；L为梁的跨度；B为梁的宽度；W为梁的高度。根据三点弯曲梁实测荷载与挠度曲线和梁断裂时的最大变形，可计算梁的断裂能^[1]：

G_F＝W₀＋mgδ₀/A

(2)

式中：W₀为荷载-挠度关系曲线下的面积；mg为支点间梁和加荷部件重量；δ₀为梁断裂时最大变形；A为为韧带断面面积。

　　根据剪切试验实测曲线中的最大荷载如图8、图9所示，Ｋ_ⅡC的计算公式^[１]：

K_Ⅱ_C＝Q_max/BW^1/2f(a/w)

(3)

当H/W=1时：

当H/W=2时：

式中：Q_max为最大剪力；H为试件高度；W为试件断面宽度；B为试件厚度。由试验结果得到试件的断裂韧度及断裂能如表1和表2所示。由表1、表2可见，沙牌拱坝碾压混凝土试件的Ⅰ型断裂韧度K_ⅠC为0.442～0.579kN/cm^３/２，试验结果表明K_ⅠC值与试件临界荷数P_max成正比，同时K_ⅠC与劈裂抗拉强度ft相关，一般情况下ft大，则KⅠC偏大；Ⅱ型断裂韧度Ｋ_ⅡC为0.801～1.088kN/cm^３/２，由双面剪切试验和直剪试验两种方法得出的Ｋ_ⅡC相近，这说明两种试验方法可行并起到相互验证作用。断裂能Ｇ_Ｆ为06.26～149.07N/m，

表1 碾压混凝土三点弯曲梁断裂试验结果

试件编号	劈裂抗拉强度ft/MPa	最大荷载P_max/N	断裂韧度K_ⅠC/(kN/cm^3/2)	断裂能G_Ｆ/N/m

Ⅰ－1	1.80	1440.0	0.501	124.53
Ⅰ－2	1.64	1289.5	0.456	138.08
Ⅰ－3	1.78	1340.0	0.474	141.92
Ⅰ－4	1.68	1250.0	0.442	112.68
Ⅰ－5	1.59	1259.0	0.445	106.26
Ⅰ－6	1.75	1323.0	0.468	120.72
Ⅱ－2	2.01	1640.0	0.579	149.07
Ⅱ－3	1.87	1500.0	0.530	138.73

注：1劈裂抗拉强度试件尺寸10×10×10cm³.2试件Ⅱ-1、Ⅱ-4在搬运中光纤脆断，未能测试。

表2 碾压混凝土剪切断裂试验结果

试件编号	试验情况	最大剪力Q_max/N	断裂韧度K_ⅡC/(kN/cm^3/2)

Ⅲ－1	双面剪切	24346.9	0.860
Ⅲ－2	双面剪切	23714.3	0.837
Ⅲ－3	双面剪切	22693.9	0.801
Ⅲ－4	双面剪切	30622.4	1.081
Ⅲ－5	直剪	26428.6	1.088
Ⅲ－6	直剪	21755.1	0.895
Ⅲ－7	直剪	25102.2	1.033
Ⅲ－8	直剪	20510.2	0.845
Ⅲ－9	直剪	23744.9	0.977
Ⅲ－10	直剪	25693.9	1.058

Ｇ_Ｆ值不仅与荷载和挠度关系曲线下的面积有关，还与梁断裂时的最大变形以及韧带断面面积有关。需要说明的是，该试验结果未考虑试件尺寸效应的影响。混凝土的断裂韧度Ｋ_ⅠC和断裂能G_F都具有明显的尺寸效应。大量的试验证明^[１]，试件的平面尺寸愈大，求得的Ｋ_ⅠC愈大，而Ｋ_ⅠC值增大，G_Ｆ值也愈大。一般认为当试件尺寸为2.0m×2.0m×0.2m时，混凝土Ｋ_ⅠC已趋于稳定值。因而，表1和表2中的Ｋ_ⅠC值，如直接引用是不合理的，必须考虑试件尺寸的影响，文献[1]分析了大量的试验所得的Ｋ_ⅠC值，提出了考虑尺寸效应后，可得高度d＝2m，缝深a＝1m的Ｋ_ⅠC值为d＝10cm，a＝5cm的试件Ｋ_ⅠC值的1.9倍。

3 光纤传感试件裂缝

　　在试验研究中，应用了光纤传感检测技术。由于光纤尺寸小，重量轻，埋入混凝土时对埋设点的性质无大的影响，因此光纤传感技术已开始用于探测混凝土中的裂缝。如国外Rossi和LeMaou等^[２]，使用埋入式多模光纤(100μm直径，在几个截面处把保护层去掉)，探测混凝土中的裂缝。国内刘浩吾教授^[３］和杨朝辉博士^[４]通过多夹角、多种光纤、多种材料的模型试验，提出了斜交光纤裂缝传感的新型式，并结合三峡大坝及其基础和其它岩土工程、混凝土结构工程，提出了斜交光纤裂缝传感检测技术应用的若干典型布置方案等。光纤传感的基本原理是光纤周围混凝土的热、力学参量的变化会引起光纤传输的光信号如光强、相位、波长等的变化，通过检测这些光学信号的变化，即能高精度地传感混凝土中的温度和应变值。当裂缝穿过没有保护层的光纤任一截面时，就会观察到该点光强衰减加大，以此探测裂缝的发生和增长。并利用光时域反射计(OTDR)和光频率反射计(OFDR)技术，测试从光纤反射的信号而将各种被测量定位。

　　本次试验采用的光纤分为对传感段进行处理(即去掉保护层)和未对传感进行处理两种，以比较其传感效果。在试验中实时监测光强与试件位移的变化关系，其试验成果经过归一化处理，得出了传感段处理后的光纤其光强与缝端张开位移关系曲线如图7所示。由图7中曲线可以看出：经处理后的二次涂覆单模光纤对碾压混凝土的开裂较敏感，表现为试件开裂时，光信号有变化。即光强突变减弱，如曲线中bc段所示，随着裂缝的开度增大光强逐渐降低，其降低过程由缓慢逐渐加快，如图中cd段和de段所示，当试件断裂时光纤断裂。传感段未经处理的光纤对试件的开裂不敏感，没有明显的光强与开度变化过程。但是经过处理后的光纤很纤细、精巧对埋设工艺要求较高，埋设时很容易断裂，因此，光纤的埋设工艺是实用上需要研究解决的重要技术环节。

4 主要结论

　　通过断裂试验，获得了沙牌拱坝三级配碾压混凝土试件的断裂韧度K_ⅠC、K_ⅡC和断裂能G_Ｆ，以及荷载与加载点位移关系和荷载与缝端开口位移关系全过程曲线，这些成果为研究沙牌碾压混凝土拱坝的开裂和破坏机制提供了基础资料，同时为类似工程提出了可供参考的碾压混凝土断裂特性参数。光纤传感检测结果表明，传感段经处理后的二次涂覆单模光纤对碾压混凝土的开裂较敏感，当试件开裂时光强突变减弱，随着裂缝的开度增大光强逐渐降低，其降低过程由缓慢逐渐加快，当试件断裂时光纤断裂。感段未经处理的光纤对试件的开裂不敏感。光纤的埋设工艺是实用上需要研究解决的重要技术环节。

参考文献：

［1］于骁中，等。岩石和混凝土断裂力学［Ｍ］。长沙：中南工业大学出版社，1991。

［2］Rossi P,et al.New method for detecting cracks in concrete usingfiber optics ［C］。Materials andSturctures,Research and Testing (RILEM),1989

［3］刘浩吾。混凝土重力坝裂缝观测的光纤传感技术及神经网络［J］。水利学报，1999，(10)。

［4］杨朝晖。工程结构安全监测的光纤传感技术及神经网络方法研究［D］。成都：四川联合大学，1996。

［5］于骁中，等。岩石、混凝土断裂力学在国内的进展［J］。水利学报，1984，(9).

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