本發(fā)明屬于水工混凝土建筑物水力劈裂模擬實驗技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種在往復(fù)荷載及高水壓作用下的混凝土構(gòu)件的水力劈裂測試試驗機(jī)。不僅適用于探索水工混凝土結(jié)構(gòu)上的裂縫在動載及高水壓作用下發(fā)生水力劈裂的機(jī)理和規(guī)律，還可以用于研究減小水力劈裂危害，確保結(jié)構(gòu)安全的方法。

背景技術(shù)：

水力劈裂最早被應(yīng)用于石油工程中，常用于加快石油的開采速度，促進(jìn)產(chǎn)量的增長。將巖體或混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)已有的裂縫或空隙在高壓水作用下，發(fā)生擴(kuò)展、擴(kuò)張、相互貫通等物理現(xiàn)象統(tǒng)稱為水力劈裂，其實質(zhì)就是指在高壓水作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生裂縫擴(kuò)展的過程。在水利界中，伴隨著一系列重大的事故的發(fā)生，如美國的特頓壩(Teton)、法國的馬爾帕賽拱壩(Malpasset)和意大利的瓦伊昂拱壩(Vaiont)等，水力劈裂在大壩中的危害已引起了專家和學(xué)者們的高度重視。

近年來，我國已建或在建的的大多數(shù)混凝土壩的壩址區(qū)位于西北、西南地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，地震活動較頻繁?；炷两Y(jié)構(gòu)不可避免的會出現(xiàn)一些裂縫，一旦遭受可能發(fā)生的地震，這些裂縫在地震等往復(fù)荷載及高水壓的共同作用下，發(fā)生水力劈裂過程，不僅危害到大壩的安全，影響了整個工程效益的充分發(fā)揮，而且更直接威脅到下游人民的生命財產(chǎn)安全。因此，深入研究往復(fù)荷載及高水壓作用下水工混凝土構(gòu)件的水力劈裂問題具有重大的意義。

目前，已有學(xué)者采用帶預(yù)制裂縫的圓柱形混凝土試件，通過導(dǎo)管充入高壓水或高壓氮氣的方式或者采用緊湊型拉伸試件通過楔入式加載的方式實現(xiàn)混凝土構(gòu)件的劈裂過程。前者只能測定混凝土構(gòu)件發(fā)生劈裂時的靜水壓力及裂縫的最終擴(kuò)展路徑，無法實時觀測裂縫的擴(kuò)展，更別說裂縫擴(kuò)展與往復(fù)荷載及水壓的相互關(guān)系；后者可通過調(diào)節(jié)不同荷載測得裂縫內(nèi)水壓力的變化，得出在靜荷載及水壓共同作用下對混凝土構(gòu)件裂縫擴(kuò)展的影響，這些大多只能用于靜荷載作用的研究，難于實現(xiàn)地震等往復(fù)荷載的施加，盡管有學(xué)者通過在加載架上加裝彈簧或磁鐵，轉(zhuǎn)靜載為動載，模擬裂縫的張開、閉合過程，但彈簧或磁鐵強(qiáng)度有限，裂縫的閉合過程不充分，與實際工程存在較大的差距。本發(fā)明提供一個往復(fù)荷載及高水壓作用下混凝土構(gòu)件發(fā)生水力劈裂的測試試驗機(jī)，可完整實現(xiàn)裂縫的張開、閉合過程。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：

針對現(xiàn)有技術(shù)方案存在的問題，本發(fā)明公開了一種往復(fù)荷載及高水壓下混凝土構(gòu)件水力劈裂測試試驗機(jī)，可對水工混凝土構(gòu)件裂縫的起裂、擴(kuò)展及失穩(wěn)等全過程進(jìn)行測試。與現(xiàn)有混凝土斷裂擴(kuò)展測試試驗機(jī)相比，本發(fā)明可在同時施加往復(fù)荷載、高水壓及動水壓力情況下，測試混凝土構(gòu)件的水力劈裂過程，其結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、操作方便、測試功能多樣和測試過程安全可控。

技術(shù)方案：

一種往復(fù)荷載及高水壓下混凝土構(gòu)件水力劈裂測試試驗機(jī)，包括MTS試驗機(jī)作動頭、軸向力傳感器、作動連接桿、楔形加載架、軸承、傳力鋼軸、小型軸力傳感器、小型作動連接桿、直線導(dǎo)軌、高壓密封缸、密封缸連接桿、非接觸式光測窗口、排氣孔及注水管；MTS試驗機(jī)作動頭、軸向力傳感器、作動連接桿、楔形加載架組成混凝土試件上的往復(fù)荷載加載部分；楔形加載架上開有直線導(dǎo)軌，由直線導(dǎo)軌、軸承、小型作動連接桿、小型軸力傳感器、傳力鋼軸組成混凝土試件上的往復(fù)荷載傳動部分；高壓密封缸、非接觸式光測窗口、密封缸連接桿組成混凝土試件的高壓密封腔部分；高壓密封缸右側(cè)有連接高壓水的注水管，頂部有排氣孔；傳力鋼軸位于混凝土試件上部的兩個四分點處；混凝土試件上部有一預(yù)制裂縫，裂縫下側(cè)線性陣列一系列水壓測壓孔；混凝土試件位于高壓密封缸內(nèi)部，其底部置于試樣支座上。

所述混凝土試件為全級配混凝土試件，其尺寸為450mm×450mm×200mm；所述預(yù)制裂縫深度150～200mm，寬度1～3mm為宜；所述的水壓測壓孔線性陣列分布于裂縫下側(cè)，直徑宜為1～3mm。

所述的預(yù)制裂縫、混凝土試件、試樣支座三者中心線位于同一平面。

所述混凝土試件上部四分點處開有鋼軸孔洞，傳力鋼軸穿過鋼軸孔洞，兩端分別連接軸承；所述的傳力鋼軸與混凝土試件之間是可轉(zhuǎn)動的。

所述直線導(dǎo)軌對應(yīng)平行于楔形加載架外沿面。

有益效果：

本發(fā)明提供的一種往復(fù)荷載及高水壓下混凝土構(gòu)件水力劈裂測試試驗機(jī)，克服了傳統(tǒng)混凝土斷裂擴(kuò)展測試試驗機(jī)無法測試動載及高水壓下裂縫張開、閉合過程的缺陷，采用高壓密封腔，通過MTS試驗機(jī)作動頭、作動連接桿、楔形加載架、小型作動連接桿等對混凝土試件快速施加往復(fù)荷載；預(yù)制裂縫張開、擴(kuò)展過程中，高壓水迅速充滿縫間，預(yù)制裂縫閉合過程中，首先從傳力鋼軸端面開始閉合，縫間高壓水因流出不及時而壓力升高，進(jìn)而促使裂縫尖端進(jìn)一步擴(kuò)展，可研究混凝土結(jié)構(gòu)裂縫張開、擴(kuò)展及閉合與動荷載的時程關(guān)系；實驗過程中可通過非接觸試光測窗口進(jìn)行非接觸、高精度記錄水力劈裂路徑，并通過預(yù)留的水壓測壓孔測得裂縫端面的水壓力分布變化情況，為探究混凝土結(jié)構(gòu)在動載及高壓水作用下的開裂擴(kuò)展機(jī)理提供實驗依據(jù)。本發(fā)明提供的測試試驗機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，密封安全可靠，測試功能多樣，操作便捷，穩(wěn)定可控，制備的混凝土試件符合實驗要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種往復(fù)荷載及高水壓下混凝土構(gòu)件水力劈裂測試試驗機(jī)實施時的示意圖；

圖2為本發(fā)明一種往復(fù)荷載及高水壓下混凝土構(gòu)件水力劈裂測試試驗機(jī)實施時的正面示意圖；

圖3為圖2的a部局部放大結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明一種往復(fù)荷載及高水壓下混凝土構(gòu)件水力劈裂測試試驗機(jī)實施時的側(cè)立示意圖。

圖中：

l—試樣支座 2—混凝土試件

3—楔形加載架 4—直線導(dǎo)軌

5—軸承 6—非接觸式光測窗口

7—小型軸力傳感器 8—密封缸連接桿

9—作動連接桿 10—軸向力傳感器

11—MTS試驗機(jī)作動頭 12—排氣孔

13—預(yù)制裂縫 14—小型作動連接桿

15—高壓密封缸 16—傳力鋼軸

17—注水管 18—水壓測壓孔

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖1所示，為本發(fā)明提供的一種往復(fù)荷載及高水壓作用下混凝土構(gòu)件水力劈裂測試試驗機(jī)實施時的示意圖，包括MTS試驗機(jī)作動頭(11)、軸向力傳感器(10)、作動連接桿(9)、楔形加載架(3)、軸承(5)、傳力鋼軸(16)、小型軸力傳感器(7)、小型作動連接桿(14)、直線導(dǎo)軌(4)、高壓密封缸(15)、密封缸連接桿(8)、非接觸式光測窗口(6)、排氣孔(12)及注水管(17)；MTS試驗機(jī)作動頭(11)、軸向力傳感器(10)、作動連接桿(9)、楔形加載架(3)組成混凝土試件(2)上的往復(fù)荷載加載部分；楔形加載架(3)上開有對應(yīng)平行于外沿邊的直線導(dǎo)軌(4)，如圖2所示；由直線導(dǎo)軌(4)、軸承(5)、小型作動連接桿(14)、小型軸力傳感器(7)、傳力鋼軸(16)組成混凝土試件(2)上的往復(fù)荷載傳動部分；高壓密封缸(15)、非接觸式光測窗口(6)、密封缸連接桿(8)組成混凝土試件(2)的高壓密封腔部分；高壓密封缸(15)右側(cè)有連接高壓水的注水管(17)，頂部有排氣孔(12)；傳力鋼軸(16)位于混凝土試件(2)上部的兩個四分點處；混凝土試件(2)上部有一預(yù)制裂縫(13)；混凝土試件(2)位于高壓密封缸(15)內(nèi)部，其底部置于試樣支座(1)上。

具體的，所述混凝土試件(2)為全級配混凝土試件，尺寸為450×450×200mm；所述預(yù)制裂縫(13)寬2mm，深200mm，位于試件中心線處；所述水壓測壓孔(18)線性陣列分布于裂縫下側(cè)，直徑2mm。

具體的，所述楔形加載架(3)其楔角α＝15°，如圖3所示，這樣較小的豎向荷載可以提供較大的水平荷載。

具體的，所述混凝土試件(2)上部四分點處開有鋼軸孔洞，傳力鋼軸(16)穿過鋼軸孔洞，兩端分別連接軸承(5)；所述的傳力鋼軸(16)與混凝土試件(2)之間是可轉(zhuǎn)動的。

在試驗過程中，由注水管(17)連接高壓水泵向高壓密封缸(15)注水，由排氣孔(12)排出腔內(nèi)空氣，排盡后關(guān)閉排氣孔(12)；由MTS試驗機(jī)作動頭(11)施加往復(fù)荷載，通過軸向力傳感器(10)、作動連接桿(9)、楔形加載架(3)、直線導(dǎo)軌(4)、小型作動連接桿(14)、小型軸力傳感器(7)、軸承(5)及傳力鋼軸(16)傳至混凝土試件(2)；依據(jù)點到直線距離，垂線最短的基本定律，小型作動連接桿(14)、小型軸力傳感器(7)、軸承(5)及傳力鋼軸(16)組成的傳動部分始終與直線導(dǎo)軌垂直；當(dāng)MTS試驗機(jī)作動頭(11)向下加載過程中，只由楔形加載架(3)外沿面作用于軸承(5)提供荷載，直線導(dǎo)軌(4) 處不產(chǎn)生額外荷載，此時預(yù)制裂縫(13)逐漸張開、擴(kuò)展，高壓水迅速充滿縫間；當(dāng)MTS試驗機(jī)作動頭(11)向上加載過程中，只由直線導(dǎo)軌(4)作用面通過小型作動連接桿(14)、小型軸力傳感器(7)提供荷載，楔形加載架(3)外沿面不產(chǎn)生額外荷載，此時預(yù)制裂縫(13)從傳力鋼軸(16)端面處開始閉合，縫間高壓水因流出不及時而水壓升高，促使水力劈裂的發(fā)生，預(yù)制裂縫(13)進(jìn)一步擴(kuò)展；如此往復(fù)，直至混凝土試件(2)完全劈裂。

如圖4所示，所述高壓密封缸(15)前端面處設(shè)有透明的非接觸式光測窗口(6)；所述混凝土試件(2)中下段線性陣列均勻分布有多個預(yù)留的水壓測壓孔(18)。整個試驗過程中，通過非接觸式光測窗口(6)采用現(xiàn)代光學(xué)實驗手段記錄預(yù)制裂縫(13)附近區(qū)域應(yīng)變場分布及裂縫擴(kuò)展實時路徑；通過線性陣列的水壓測壓孔(18)記錄縫間水壓力的實時分布情況。