专利名称：制作混凝土构件高压水力劈裂模拟实验试件的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于水利大坝模拟实验的技术领域，更具体地涉及一种制作混凝土构件高压水力劈裂模拟实验试件的装置，该试件适用于研究混凝土结构发生水力劈裂的机理和规律，也可用于探索减小混凝土结构水力劈裂可能性的方法。
背景技术：
水力劈裂是水流在岩体或混凝土的间隙内运动与周围固体变形耦合的过程，表现为高压水流将岩体或混凝土内已有的裂隙和空隙驱动扩张、扩展、相互贯通等。水力劈裂问题的实质是具有高势能的高压水对岩体或混凝土的破坏。水力劈裂起源于石油天然气行业，已被广泛的应用于油气井的增产。油气主要从岩层中开采，所以目前对岩石水力劈裂的机理研究相对较多。在水利界，水力劈裂在土石坝中的作用也较早的引起了人们的重视。这是伴随着一系列严重事故开始的，如美国的特顿坝(Teton)、挪威的海特尤维坝(Hyttejuvet)、英国的巴德海特坝(Balderhead)等。近年来，我国在建和拟建一大批高坝，水力劈裂问题再次成为水利水电行业研究的热点课题。但我国对水力劈裂的研究集中在坝基的裂隙岩体方面，混凝土坝体方面还很少。然而混凝土坝体存在发生水力劈裂的可能。例如混凝土重力坝，坝高已达200m级，混凝土拱坝已达300m级，加之混凝土坝表面不可避免地会出现裂缝，都给水力劈裂的发生提供了条件。深入研究混凝土坝坝体的水力劈裂问题具有一定意义。例如国内重力坝规范规定，重力坝应满足无拉应力准则和抗滑稳定。有学者研究表明，较之瑞士大狄克逊重力坝(285m)设计准则，我国规范设计的重力坝断面明显要小，分析原因，与前者考虑高坝的高压水劈裂等因素有关。目前，已有学者采用混凝土楔形劈裂试件和圆柱形的无应力混凝土试件对混凝土的水力劈裂问题进行研究。然而，实际工程中混凝土构件的水力劈裂问题复杂。例如，混凝土坝由于温度、施工和混凝土干缩等因素的影响，坝体表面不可避免地存在裂缝，裂缝的形式多样，如水平缝、竖直缝等。裂缝所处的工况也很复杂，如无应力缝、受压缝、受拉缝等。为了进一步研究混凝土构件的水力劈裂问题，需要设计一种制作混凝土构件高压水力劈裂模拟实验试件的装置。

实用新型内容本实用新型的目的在于改进现有技术的不足，提供一种制作混凝土构件高压水力劈裂模拟实验试件的装置，其制作出的试件使模拟更准确、实验更简单。解决上述问题的技术方案是这种制作混凝土构件高压水力劈裂模拟实验试件的装置，包括一个钢模和一套成缝构件；成缝构件包括一对刚性成缝片、一个固定构件和两条通水管；一对刚性成缝片是上片、下片且它们之间具有构成试件中缝隙的间隙，两条通水管分别连通间隙和外界，两条通水管是包括第一进水端口、第一横向部和第一竖向部的第一进水管以及包括第二进水端口、第二横向部和第二竖向部的第二进水管；在固定构件的朝向钢模内腔的一侧固定安装这对刚性成缝片，固定构件与钢模固定连接。使用本实用新型的装置制作的试件具有与外界连通的缝隙，通过对试件进行注水加压实验，能够得到混凝土中的裂缝在承受高压水下劈裂的水压数据，实验方法简单，但却能用来准确模拟拉压状态下混凝土构件的水力劈裂。
以下结合附图
对本实用新型作进一步说明。图Ia为进行受拉状态下混凝土构件高压水力劈裂模拟实验时施加拉力的示意图；图Ib为进行受压状态下混凝土构件高压水力劈裂模拟实验时施加压力的示意图；图2为本实用新型的制作混凝土构件高压水力劈裂模拟实验试件的装置的结构示意图；图加为图2的a部局部放大结构示意图；图2b为图2的b部局部放大结构示意图。
具体实施方式
如各附图所示，这种制作混凝土构件高压水力劈裂模拟实验试件的装置，包括一个钢模20和一套成缝构件；所述成缝构件包括一对刚性成缝片、一个固定构件观和两条通水管；一对刚性成缝片是上片21、下片22且它们之间具有构成试件中缝隙的间隙，两条通水管分别连通间隙和外界，两条通水管是包括第一进水端口 12、第一横向部1 和第一竖向部M的第一进水管以及包括第二进水端口 13、第二横向部13a和第二竖向部25的第二进水管；在固定构件的朝向钢模内腔的一侧固定安装这对刚性成缝片，固定构件与钢模固定连接。优选地，钢模20为一端敞口且另一端封闭的圆筒形钢模。优选地，固定构件28为一块直径与钢模内径相同的圆钢板。优选地，在固定构件的下面设有支承构件观1。优选地，上片21、下片22均是圆形钢片；上片21和下片22平行放置，中间设环形垫片31 ；在下片22上设有两个孔洞与所述间隙连通，第一竖向部M和第二竖向部25分别与两个孔洞相连，第一横向部1 和第二横向部13a分别与外界相连；上片21和下片22在沿其表面的法线方向可拆分地装配且在沿其表面的切线方向固定。优选地，在上片21与下片22相对的表面上设置一个凸起支撑块30，在下片22的对应位置上设置一个与凸起支撑块的截面积匹配的凹坑，凸起支撑块30插设在凹坑中。优选地，在固定构件上可拆分地安装锚杆27。或者，钢模还包括一个上顶盖四，该上顶盖上可拆分地设置锚杆27。优选地，在两条通水管外套有一个支撑管23。优选地，在固定构件上还设有通道件沈，其包围第一竖向部对、第二竖向部25、第一横向部12a、第二横向部13a、支撑管23。下面给出混凝土构件高压水力劈裂模拟实验的两个实施例。实施例1 本实施例描述的是受拉状态下混凝土构件高压水力劈裂模拟实验设计方法和装置。(1)混凝土试件的制备制备045OmmX 1350mm的圆柱形全级配混凝土试件2，试件中间预设平行于上、下底面的圆形裂缝1，裂缝的直径150mm，厚约1 3mm，优选2mm。实验原理图如图Ia所示。需要说明的是，试件长度大于lm，且裂缝设置在试件长度的中间部位，从而使裂缝附近几乎不受两端应力集中的影响。还可以在试件中形成垂直于试件上下底面或倾斜的裂缝。裂缝也可以是非圆形状。制作试件的装置包括一个045OmmX 1350mm的圆筒钢模20和一套成缝构件，如图2、图加所示。成缝构件主要包括厚圆钢板观(即所述固定构件)和两个成缝钢片21、22(即所述成缝件)。成缝构件还包括一些附属物件进出水管12^131对、25，通道件沈，锚杆27和支撑管23等。具体的，成缝构件的制作有以下① ⑤个要点①.成缝构件的核心是两个成缝钢片21、22，要求它们沿钢片表面的法向能自由分开，沿钢片径向即其表面的切向不能相互移动，并保证钢片之间形成约1 3mm厚的圆缝。具体的，切割两块直径150mm的钢片，作为钢片21和钢片22。在钢片22上打穿两个通水孔。两钢片平行相叠，在两块钢片相对的表面上，其中钢片21上设置一个凸起支撑块30，钢片22的对应位置上设置一个凹坑，支撑块30可插设在凹坑中，使两成缝钢片沿径向不能相互移动，而沿法向能自由分开。只在钢片22周边粘一圈1 3mm厚的垫片31，优选用502胶水粘一圈1 3mm厚的纸片，然后成缝钢片21、22平行叠放，之间形成1 3mm厚的圆缝，如图2b所示。②.一个其中具有两个相互隔开的通道的通道件26。通道件沈的作用是连接通向钢片22的进出水管对、25，以及通向试件外面的进出水管12a、13a,以及支撑管23。用螺丝16将通道件沈连接在厚圆钢板观(即所述固定构件)的一个侧面上，如图加。③.支撑管23，其一端固定在所述通道件沈上，且该支撑管23的管口罩住所述通道件沈上两个所述通道的各一个端口。支撑管23另一端与所述成缝钢片22固联，该端管口罩住所述成缝钢片22上的两个通水孔。支撑管采用钢管。④.在支撑管23中设有两根水管，即进出水管对、25，每根连接管的两端分别连接成缝钢片22上一个通水孔和通道件沈上一个孔洞。再加上进出水管12a、13a，由此，形成钢片21、22间的所述间隙与外界连通的通道。注入裂缝的水从通道件的一个管路口例如水管12a的管口 12进入，再通过连接管M进入两个钢片21、22之间的间隙(即混凝土试件预设裂缝中)，裂缝的排水可以从水管25、13a的管口 13排出。⑤.如图加所示，厚圆钢板观的直径与钢模内径匹配，在其下方的中间部位固设一支承构件观1，使得固定构件在距离钢模底板一段间距例如为70mm处定位。在钢板观的周边穿孔，轴对称的设置若干锚杆27，锚杆通过螺母固定，该螺母设置在钢板28和钢模底板之间的间隙中。在钢模20的另一端口设置上顶盖29 (如图2所示)，该上顶盖四上也设有若干锚杆27，且与固定构件即圆形钢板观上的锚杆27对应。在制成试件后，所有锚杆都固结在试件中，用来连接加拉机施加恒拉力。如图2所示。安放成缝构件，如图2。成缝钢片21叠放在22上后，为了防止浇注时水泥浆进入21与22间的裂缝，在裂缝的周边蒙覆盖物，例如可以是3 4层报纸。作为试件的进、出水口，水管12、13的端口用胶带密封，防止杂物进入。将成缝构件，放入钢模20底部。由于厚圆钢板观的直径与钢模内径匹配，所以成缝构件能与圆筒钢模较好的固定，无需其他固定措施。浇注混凝土，并小心振捣。待钢模浇注满后，立刻用铁锤将带有锚杆的上盖四砸入混凝土中，如图2所示。在浇注现场，还要用相同的混凝土制备一些无裂缝的试件，其体积较小，与普通拉伸试验机相适应，用于混凝土力学性能的测量。试件原地静置一周后，拆模，测试试件的裂缝进、出水是否顺畅。确定通水顺畅后，将进、出水口封堵保护。锚杆27的螺丝上涂一层黄油，进行防锈保护。试件小心运至养护室，养护至相应龄期。(2)实验安装过程将试件安装在加拉机上。水管12a或13a的端口 12和端口 13与水压加压装置连接。启动水压加压装置，向试件内的裂缝充红墨水，待试件内的空气排完后，停止充水，密封出水口。开始实验。(4)水压加压过程加拉机对试件施加恒拉力，如图Ia所示，拉力值按实验要求确定。裂缝内施加高水压，水压采用梯级加压方式。整个过程仔细观察试件表面有无漏水，以及压力表的读数有无骤降，并据此判断水力劈裂是否发生。压力表所能达到的最高值既是劈裂水压。实施例2本实施例描述的是受压状态下混凝土构件高压水劈裂模拟实验设计方法和装置。(1)实验安装过程制备0450mm X 1350mm的圆柱形全级配混凝土试件，试件中间预设平行于上、下底面的圆形裂缝，缝的直径150mm，厚约1 3mm。试件的结构与实施例1基本相同，试件的制备过程也基本相同。不同之处在于，制备试件的装置中不包含上盖四，厚圆钢板观(即所述固定构件)上无需钻孔安装锚杆27 ；浇注混凝土时，钢模浇满后抹平即可，无需加盖29。(2)实验安装过程将试件安装在加压机上。连接进、出水管，启动水压加压装置，向试件内充红墨水，待试件内的空气排完后，停止充水，密封出水口。开始实验。(3)水压加压过程实验时，将试件安装在加压机上，加压机对试件施加恒压力，如图Ib所示，压力值按实验要求确定。裂缝内施加高水压，水压采用梯级加压方式。整个过程仔细观察试件表面有无漏水，以及压力表的读数有无骤降，并据此判断水力劈裂是否发生。压力表所能达到的最高值既是劈裂水压。为了测得各种裂缝情况下的劈裂水压，试件中的裂缝可以是如实施例1及实施例2的横向裂纹，也可以是纵向裂纹，还可以是斜向裂纹。制作各种方向的裂纹，只需要将成缝构件与固定构件之间的倾斜方向设定为所需角度即可。 一种制作混凝土构件高压水力劈裂模拟实验试件的装置，其制作出的试件使模拟更准确、实验更简单。这种制作混凝土构件高压水力劈裂模拟实验试件的装置，包括一个钢模和一套成缝构件；成缝构件包括一对刚性成缝片、一个固定构件和两条通水管；一对刚性成缝片是上片、下片且它们之间具有构成试件中缝隙的间隙，两条通水管分别连通间隙和外界，两条通水管是包括第一进水端口、第一横向部和第一竖向部的第一进水管以及包括第二进水端口、第二横向部和第二竖向部的第二进水管；在固定构件的朝向钢模内腔的一侧固定安装这对刚性成缝片，固定构件与钢模固定连接。
权利要求1.制作混凝土构件高压水力劈裂模拟实验试件的装置，其特征在于包括一个钢模00)和一套成缝构件；成缝构件包括一对刚性成缝片、一个固定构件08)和两条通水管；一对刚性成缝片是上片(21)、下片02)且它们之间具有构成试件中缝隙的间隙，两条通水管分别连通间隙和外界，两条通水管是包括第一进水端口(12)、第一横向部(12a)和第一竖向部04)的第一进水管以及包括第二进水端口(13)、第二横向部(13a)和第二竖向部05)的第二进水管；在固定构件的朝向钢模内腔的一侧固定安装这对刚性成缝片，固定构件与钢模固定连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于钢模00)为一端敞口且另一端封闭的圆筒形钢模。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于固定构件08)为一块直径与钢模内径相同的圆钢板。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于在固定构件的下面设有支承构件081)。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于上片(21)、下片02)均是圆形钢片；上片和下片02)平行放置，中间设垫片(31)；在下片02)上设有两个孔洞与所述间隙连通，第一竖向部04)和第二竖向部0 分别与两个孔洞相连，第一横向部(12a)和第二横向部(13a)分别与外界相连；上片和下片0 在沿其表面的法线方向可拆分地装配，且在沿其表面的切线方向固定。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于在上片与下片0 相对的表面上设置一个凸起支撑块(30)，在下片0 的对应位置上设置一个与凸起支撑块的截面积匹配的凹坑，凸起支撑块(30)插设在凹坑中。
7.根据权利要求1至6之一所述的装置，其特征在于在固定构件上可拆分地安装锚杆(27)。
8.根据权利要求1至6之一所述的装置，其特征在于钢模还包括一个上顶盖( )，该上顶盖上可拆分地设置锚杆、2Τ)。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于在两条通水管外套有一个支撑管03)。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于在固定构件上还设有通道件( )，其包围第一竖向部(M)、第二竖向部(25)、第一横向部(1 )、第二横向部(13a)、支撑管(23)。
专利摘要公开了一种制作混凝土构件高压水力劈裂模拟实验试件的装置，其制作出的试件使模拟更准确、实验更简单，其包括一个钢模和一套成缝构件；成缝构件包括一对刚性成缝片、一个固定构件和两条通水管；一对刚性成缝片是上片、下片且它们之间具有构成试件中缝隙的间隙，两条通水管分别连通间隙和外界，两条通水管是包括第一进水端口、第一横向部和第一竖向部的第一进水管以及包括第二进水端口、第二横向部和第二竖向部的第二进水管；在固定构件的朝向钢模内腔的一侧固定安装这对刚性成缝片，固定构件与钢模固定连接。
文档编号G01N1/28GK202339294SQ20112039775
公开日2012年7月18日 申请日期2011年10月18日 优先权日2011年10月18日
发明者冯炜, 常凊睿, 李新宇, 汪洋, 贾金生, 郑璀莹 申请人:中国水利水电科学研究院