快速变温耦合复杂应力条件下的水工混凝土水力劈裂装置及方法

摘要

本发明涉及一种快速变温耦合复杂应力条件下的水工混凝土水力劈裂装置及方法，包括压力室，压力室内通过紧固装置对待试验的预制缝混凝土标准试件进行安装和固定，还包括安装在紧固装置外围的应力施加装置，用于实现对预制缝混凝土标准试件拉应力的施加，还包括空气加热系统以及循环水系统，空气加热系统与压力室连通，循环水系统布设在压力室内部，两者通过伺服系统控制共同作用实现压力室的快速变温；本发明不仅可以迅速对压力室进行变温，同时利用空气加热与循环水的共同作用来保持压力室内温度的稳定，而且可以迅速测得加入温度场的多场耦合条件下混凝土结构试件水力劈裂特性的试验数据，从而提高水力劈裂试验研究的额效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种快速变温耦合复杂应力条件下的水工混凝土水力劈裂装置及方法，属于模拟试验技术领域。

背景技术

混凝土面板由于干缩作用普遍存在初始裂缝，在高水压力作用下会导致裂缝尖端拉应力集中产生开裂破坏，也就是水力劈裂，导致面板破坏，防渗系统失效危害工程安全；在一些特殊的工程如抽水蓄能电站的上水库面板堆石坝，水库蓄放水使面板经历了冷热和干湿循环，本质上是一个快速的持卸荷过程，其应力状态发生快速的转变；同时，混凝土面板本身受到水压力、河谷顶托力、面板间挤压力、温度应力等作用，应力状态十分复杂，在复杂应力条件耦合温度应力作用下的混凝土面板水力劈裂，是关系到高面板坝长期安全运行的重要问题。

已有相关学者和单位研制了应力场-温度场耦合条件下的混凝土面板水力劈裂装置，然而，装置的温度稳定性差、且变温速率慢，严重影响了该装置在试验和工程中的应用。如何开发能快速改变压力室温度且能保持长期稳定装置，并将其与荷载施加设备联合起来共同使用，是进行温度场-应力场耦合条件下水工混凝土水力劈裂试验的关键。

发明内容

本发明提供一种快速变温耦合复杂应力条件下的水工混凝土水力劈裂装置及方法，不仅可以迅速对压力室进行变温，同时利用空气加热与循环水的共同作用来保持压力室内温度的稳定，而且可以迅速测得加入温度场的多场耦合条件下混凝土结构试件水力劈裂特性的试验数据，从而提高水力劈裂试验研究的额效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种快速变温耦合复杂应力条件下的水工混凝土水力劈裂装置，包括压力室，压力室内通过紧固装置对待试验的预制缝混凝土标准试件进行安装和固定，还包括安装在紧固装置外围的应力施加装置，用于实现对预制缝混凝土标准试件拉应力的施加，压力室的底部分别开设进水口与出水口，进水口内插入进水管道，出水口内插入出水管道；还包括空气加热系统以及循环水系统，空气加热系统与压力室连通，循环水系统布设在压力室内部，两者通过伺服系统控制共同作用实现压力室的快速变温；

作为本发明的进一步优选，前述的预制缝混凝土标准试件包括相互匹配的上钢制套件和下钢制套件，两者之间形成安置混凝土的空间，混凝土的顶部与上钢制套件、底部与下钢制套件之间安插密集打有孔径为1mm小孔的透水铜板，混凝土的两侧粘贴密封式钢板，在上钢制套件上设有内部出水口；

前述的应力施加装置包括安装在预制缝混凝土标准试件X方向两侧面的钢制连接板，钢制连接板上均安装压力螺栓，还包括安装在预制缝混凝土标准试件Y方向两侧面的钢制连接板，钢制连接板上均安装拉力螺栓，在四块钢制连接板上同时安装压力传感器；压力室的顶部插入可上下移动的轴压杆；

前述的紧固装置包括布设在预制缝混凝土标准试件两侧且与压力室底部相垂直的固定钢板，在压力室底部位于预制缝混凝土标准试件的两侧分别开设凹槽，固定钢板插入凹槽内，固定钢板的中间位置预留小孔，小孔内旋入与固定钢板垂直布设的钢轴，钢轴的顶端与预制缝混凝土标准试件相接触；固定钢板上安装有横向温度传感器；

在下钢制套件中间部位开设预留孔，其内连通压力室的进水管道；

前述的空气加热系统包括压缩空气加热器，其顶端开设压缩空气出气口，在压缩空气加热器上还安装用于调节温度的旋钮、温度输出传感器、温度指示器和流量传感器，压缩空气加热器的底部与压力室相连通；

前述的循环水系统包括安装在压力室内部两侧壁上的导热铜管，还包括至少一个散热储水片，其通过导热铜板与导热铜管相连接，散热储水片之间通过储水片连接板连接相通，最底端的散热储水片上设有循环水系统出水口，循环水系统出水口的上方安装储水片止水阀；

作为本发明的进一步优选，前述上钢制套件的顶部为轴力垫板，前述轴压杆的底端为凹进去的弧形结构，其弧度与轴力垫板的弧度匹配；

作为本发明的进一步优选，前述的压力室为圆柱形结构，其内径为500mm，高度为500mm，壁厚为20mm；在压力室顶盖位于轴压杆的两侧分别安装压力控制阀和压力表；压力室的顶盖上同时安装用于测量竖向变形的竖向位移传感器；预制缝混凝土标准试件两侧安装横向位移传感器；

作为本发明的进一步优选，循环水系统前述循环水系统底端的循环水系统进水口通过管道与布设在压力室外部的恒温水箱相连通，管道上安装储水片止水阀；进水管道与布设在压力室外部的进水箱相连通，在进水管道上安装止水阀；恒温水箱与进水箱同时与电动机相连通；

作为本发明的进一步优选，压力室顶盖上开设导气孔，第一恒温水箱的底部通过管道通过导气孔与压力室相连通；

一种快速变温耦合复杂应力条件下的水工混凝土水力劈裂装置的试验方法，包括以下步骤：

第一步：制作预制缝混凝土标准试件，按照规范要求制作预制缝混凝土标准试件，使其在室温中成型并养护28天；

第二步：对预制缝混凝土标准试件进行密封，在混凝土的顶部与底部分别贴合透水铜板，在透水铜板上均匀密集开设多个直径为1mm的小孔；混凝土上套设钢制套件，所述的钢制套件为相互匹配的上钢制套件和下钢制套件，在钢制套件和预制缝混凝土标准试件上分别开设匹配的预留孔，预留孔内通过螺栓紧密连接；在上钢制套件上开设内部出水口，下钢制套件中间位置预留孔，压力室的进水管道通过导管与下钢制套件预留的孔相连通；

第三步：对预制缝混凝土标准试件进行拉、压预应力加载，旋紧安装在预制缝混凝土标准试件X方向两侧面钢制连接板上的压力螺栓，对钢制连接板进行紧固，实现对预制缝混凝土标准试件压应力的施加；旋紧安装在预制缝混凝土标准试件Y方向两侧面钢制连接板上的拉力螺栓，对钢制连接板进行紧固，实现对预制缝混凝土标准试件拉应力的施加；安装在钢制连接板上的压力传感器对所加预应力进行监测；

第四步：对预制缝混凝土标准试件进行紧固，在压力室底板上预制缝混凝土标准试件的两侧开设对称的凹槽，凹槽内插入与底板垂直的固定钢板，固定钢板中央位置预留孔，孔内旋入与固定钢板垂直的钢轴，钢轴的顶端与预制缝混凝土标准试件相抵；在固定钢板上安装横向温度传感器，将横向温度传感器的测针进行调整使其对准预制缝混凝土标准试件侧面的中心位置；

第五步：循环水系统的安装，在压力室内部两侧壁上均匀安装导热铜管，安装至少一个散热储水片，且其通过导热铜板与导热铜管相连接，散热储水片之间通过储水片连接板连接相通，最底端的散热储水片上设有循环水系统出水口，循环水系统出水口的上方安装储水片止水阀；

第六步：提供试验所需稳定的温度，启动电动机，将恒温水箱内的水由循环水系统的底端通入，恒温水箱内的水为试验所需温度的水，直至充满整个导热铜管与散热储水片，此时关闭止水阀；调整空气加热器上的旋钮，查看温度指示器，通过压缩空气做功将计算后的体积的高温空气通入压力室来增加温度，直至温度达到试验所需温度；监控压力室内温度并反馈给伺服系统以实现循环控制，保证压力室温度快速变化并保持稳定；

第七步：在轴压杆上通过万能试验机进行压力施加，压力面向下移动，直至接触到轴压杆顶部，采用水压或者轴压的加载方式，使得轴压杆下移，上钢制套件的顶部为轴力垫板，轴压杆的底端为凹进去的弧形结构，两者接触后匹配形成球铰，试验过程中对数据进行实时监测和保存；

第八步：启动电动机，将进水箱中的水缓慢通入预制缝混凝土标准试件的预制缝中，模拟器水力劈裂的情况；

作为本发明的进一步优选，步骤7中，根据设定的压力室温度以及压缩热空气的温度，当压力室内温度较低时，通过压缩空气做功将计算后的体积的高温空气持续通入压力室，当压力室内温度较高时，打开压力室顶盖上的压力控制阀，通过降低压力的压强来降低温度；若压力室内压强增大，压力室顶盖上安装的压力表提示达到压力阈值时，也需打开压力控制阀，将压力室内的部分气体进行释放，释放的同时保证压力室内的温度在试验所需温度之上；

作为本发明的进一步优选，整个压力室通过布设在压力室底部的底板固定螺栓安装在试验台上。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明可以对水工预制缝混凝土标准试件在快速变温条件下在预制缝混凝土标准试件X方向、Y方向以及轴压杆施加三向拉、压应力，然后进行高水压力作用下的水力劈裂试验，可以考虑不同温度、应力水平、应力状态以及水压等因素对水工混凝土损伤开裂的影响，模拟环境因素以及结构真实应力状态进行室内试验；

压力室内温度的改变通过压缩空气加热器和压力室内各控制阀门以及各传感器来实现，通过压缩空气做功来增加温度到指定值，经计算将一定体积的高温空气通入压力室，监控室内温度并反馈给伺服系统以实现循环控制，保证压力室温度快速变化并保持稳定；

温度伺服系统控制系统可以使快速变温过程完全通过计算机来控制，操作者只需设定需要的压力室温度以及压缩热空气温度，即可在循环控制过程中达到温度快速变化，并且，在水力劈裂试验过程中若压力室温度降低，温度控制系统将继续向压力室内通入热空气，以维持试验过程温度稳定；

压力室顶部设置安全阀，安全阀采用熔点较低的铝合金材料，可以在压力室内气压超过允许值时自动将高压气体释放出去，维持压力室内气压在一个大气压附近，配合温度伺服系统，可以使压力室的温度到达指定温度，又不致压强过高，产生危险；

通过在导热铜管内设置多个散热储水片，以增加压力室内储水量；储水量的增加可以使系统平均比热容增大，在密封系统中可保持较长时间温度稳定，因而不需要在整个试验过程中在导热铜管中进行热水循环来保持温度稳定，在系统达到需要温度是进行封闭即可，散热储水片的设置可保证水力劈裂试验具有足够的时间来完成；

预制缝混凝土标准试件X方向、Y方向应力的施加采用机械加载方式，只需使用高强螺栓以及相应的反力装置，就能够对水工预制缝混凝土标准试件施加上长期稳定的荷载，模拟其真实的工作状态，避免了液压千斤顶以及相应伺服系统的使用，不仅简化了操作流程，也节省了试验成本和压力室内操作空间，富余的空间可用来多设置散热片，增加室内温度稳定；

试验装置监控系统包括温度传感器、压力传感器和流量传感器等，可以实时监控螺栓预紧力、水工预制缝混凝土标准试件的应变、压缩空气加热器内空气的温度、压力以及通气阀流量、压力室内空气温度、压力等参数，掌握试验过程中各变量的真实值，保证试验在较高精度下完成。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的优选实施例的整体结构示意图；

图2是本发明的优选实施例的空气加热系统结构示意图；

图3是本发明的优选实施例的散热储水片的结构示意图；

图4是本发明的优选实施例的散热储水片与导热铜管连接示意图；

图5是本发明的优选实施例的导热铜管之间连接的局部放大示意图。

图中：1为轴压杆，2为压力表，3为顶盖，4为顶盖螺栓，5为导热铜板，6为导热铜管，7为轴力垫板，8为上钢套件，9为钢质连接板，10为温度传感器，11为透水铜板，12为进水管道，13为底板固定螺栓，14为止水阀，15为位移传感器，16为压力控制阀，17为导气孔，18为内部出水口，19为预制缝混凝土标准试件，20为钢制连接板，21为预制缝，22为钢轴，23为下钢套件，24为出水口，25为压缩空气出气口，26为温度输出传感器，27为温度旋钮，28为压缩空气加热器外壳，29为温度指示器，30为压力螺栓，31为拉力螺栓，32为密封室钢板，33为散热储水片，34为储水片连接板，35为储水片止水阀，36为循环水系统出水口，37为循环水系统进水口，38为流量传感器，39为压力传感器，40为压缩空气加热器，41为恒温水箱，42为电动机，43为进水箱。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-图5所示，本发明包括以下技术特征：1为轴压杆，2为压力表，3为顶盖，4为顶盖螺栓，5为导热铜板，6为导热铜管，7为轴力垫板，8为上钢套件，9为钢质连接板，10为温度传感器，11为透水铜板，12为进水管道，13为底板固定螺栓，14为止水阀，15为位移传感器，16为压力控制阀，17为导气孔，18为内部出水口，19为预制缝混凝土标准试件，20为钢制连接板，21为预制缝，22为钢轴，23为下钢套件，24为出水口，25为压缩空气出气口，26为温度输出传感器，27为温度旋钮，28为压缩空气加热器外壳，29为温度指示器，30为压力螺栓，31为拉力螺栓，32为密封室钢板，33为散热储水片，34为储水片连接板，35为储水片止水阀，36为循环水系统出水口，37为循环水系统进水口，38为流量传感器，39为压力传感器，40为压缩空气加热器，41为恒温水箱，42为电动机，43为进水箱。

本发明的一种快速变温耦合复杂应力条件下的水工混凝土水力劈裂装置，包括压力室，压力室内通过紧固装置对待试验的预制缝混凝土标准试件进行安装和固定，还包括安装在紧固装置外围的应力施加装置，用于实现对预制缝混凝土标准试件拉应力的施加，压力室的底部分别开设进水口与出水口，进水口内插入进水管道，出水口内插入出水管道；还包括空气加热系统以及循环水系统，空气加热系统与压力室连通，循环水系统布设在压力室内部，两者通过伺服系统控制共同作用实现压力室的快速变温；

作为本发明的进一步优选，前述的预制缝混凝土标准试件包括相互匹配的上钢制套件和下钢制套件，两者之间形成安置混凝土的空间，混凝土的顶部与上钢制套件、底部与下钢制套件之间安插密集打有孔径为1mm小孔的透水铜板，混凝土的两侧粘贴密封式钢板，在上钢制套件上设有内部出水口；

前述的应力施加装置包括安装在预制缝混凝土标准试件X方向两侧面的钢制连接板，钢制连接板上均安装压力螺栓，还包括安装在预制缝混凝土标准试件Y方向两侧面的钢制连接板，钢制连接板上均安装拉力螺栓，在四块钢制连接板上同时安装压力传感器；对预制缝混凝土标准试件水平方向应力的施加采用机械加载方式，采用高强螺栓以及相应的反力装置，从而对水工预制缝混凝土标准试件施加长期稳定的荷载，模拟其真实的工作状态，避免了液压千斤顶以及相应伺服系统的使用；压力室的顶部插入可上下移动的轴压杆；

前述的紧固装置包括布设在预制缝混凝土标准试件两侧且与压力室底部相垂直的固定钢板，在压力室底部位于预制缝混凝土标准试件的两侧分别开设凹槽，固定钢板插入凹槽内，固定钢板的中间位置预留小孔，小孔内旋入与固定钢板垂直布设的钢轴，钢轴的顶端与预制缝混凝土标准试件相接触；固定钢板上安装有横向温度传感器；

在下钢制套件中间部位开设预留孔，其内连通压力室的进水管道；

图2所示，前述的空气加热系统包括压缩空气加热器，其外部套设有压缩空气加热器外壳，可以实现压力室内温度的迅速变化，其顶端开设压缩空气出气口，在压缩空气加热器上还安装用于调节温度的旋钮、温度输出传感器、温度指示器和流量传感器，以此来控制压力室内的温度，并监测通入压力室内压缩空气的量，压缩空气加热器的底部与压力室相连通；

图3-图5所示，前述的循环水系统包括安装在压力室内部两侧壁上的导热铜管，还包括至少一个散热储水片，其通过导热铜板与导热铜管相连接，散热储水片之间通过储水片连接板连接相通，最底端的散热储水片上设有循环水系统出水口，循环水系统出水口的上方安装储水片止水阀，因为水的比热容较大，从而利用散热储水片中的水来保持压力室内部的温度稳定；

作为本发明的进一步优选，前述上钢制套件的顶部为轴力垫板，前述轴压杆的底端为凹进去的弧形结构，其弧度与轴力垫板的弧度匹配；

作为本发明的进一步优选，前述的压力室为圆柱形结构，其内径为500mm，高度为500mm，壁厚为20mm；在压力室顶盖位于轴压杆的两侧分别安装压力控制阀和压力表，压力表用来监测压力室内部压力，压力控制阀通过开关控制压力室内部的压强；压力室的顶盖上同时安装用于测量竖向变形的竖向位移传感器；前述顶盖通过顶盖螺栓进行固定；预制缝混凝土标准试件两侧安装横向位移传感器；

作为本发明的进一步优选，循环水系统前述循环水系统底端的循环水系统进水口通过管道与布设在压力室外部的恒温水箱相连通，管道上安装储水片止水阀；进水管道与布设在压力室外部的进水箱相连通，在进水管道上安装止水阀；试验中使用的水压由进水管经预制缝混凝土标准试件下方的垫块以及压力室底座，通过外部油气水转换系统提供；恒温水箱与进水箱同时与电动机相连通；

作为本发明的进一步优选，压力室顶盖上开设导气孔，第一恒温水箱的底部通过管道通过导气孔与压力室相连通；

一种快速变温耦合复杂应力条件下的水工混凝土水力劈裂装置的试验方法，包括以下步骤：

第一步：制作预制缝混凝土标准试件，按照规范要求制作预制缝混凝土标准试件，试件的规格为180mmX50mmX150mm，使其在室温中成型并养护28天；

第二步：对预制缝混凝土标准试件进行密封，在混凝土的顶部与底部分别贴合透水铜板，在透水铜板上均匀密集开设多个直径为1mm的小孔；混凝土上套设钢制套件，所述的钢制套件为相互匹配的上钢制套件和下钢制套件，在钢制套件和预制缝混凝土标准试件上分别开设匹配的预留孔，预留孔内通过螺栓紧密连接；在上钢制套件上开设内部出水口，下钢制套件中间位置预留孔，压力室的进水管道通过导管与下钢制套件预留的孔相连通；

第三步：对预制缝混凝土标准试件进行拉、压预应力加载，旋紧安装在预制缝混凝土标准试件X方向两侧面钢制连接板上的压力螺栓，对钢制连接板进行紧固，实现对预制缝混凝土标准试件压应力的施加；旋紧安装在预制缝混凝土标准试件Y方向两侧面钢制连接板上的拉力螺栓，对钢制连接板进行紧固，实现对预制缝混凝土标准试件拉应力的施加；安装在钢制连接板上的压力传感器对所加预应力进行监测；

第四步：对预制缝混凝土标准试件进行紧固，在压力室底板上预制缝混凝土标准试件的两侧开设对称的凹槽，凹槽内插入与底板垂直的固定钢板，固定钢板中央位置预留孔，孔内选入与固定钢板垂直的钢轴，钢轴的顶端与预制缝混凝土标准试件相抵；在固定钢板上安装横向温度传感器，将横向温度传感器的测针进行调整使其对准预制缝混凝土标准试件侧面的中心位置；

第五步：循环水系统的安装，在压力室内部两侧壁上均匀安装导热铜管，安装至少一个散热储水片，且其通过导热铜板与导热铜管相连接，散热储水片之间通过储水片连接板连接相通，最底端的散热储水片上设有循环水系统出水口，循环水系统出水口的上方安装储水片止水阀；

第六步：提供试验所需稳定的温度，启动电动机，将恒温水箱内的水由循环水系统的底端通入，恒温水箱内的水为试验所需温度的水，直至充满整个导热铜管与散热储水片，此时关闭止水阀；调整空气加热器上的旋钮，查看温度指示器，通过压缩空气做功将计算后的体积的高温空气通入压力室来增加温度，直至温度达到试验所需温度；监控压力室内温度并反馈给控制系统以实现循环控制，保证压力室温度快速变化并保持稳定；

第七步：在轴压杆上通过万能试验机进行压力施加，压力面向下移动，直至接触到轴压杆顶部，采用水压或者轴压的加载方式，使得轴压杆下移，上钢制套件的顶部为轴力垫板，轴压杆的底端为凹进去的弧形结构，两者接触后匹配形成球铰，试验过程中对数据进行实时监测和保存；

第八步：启动电动机，将进水箱中的水缓慢通入预制缝混凝土标准试件的预制缝中，模拟器水力劈裂的情况；

作为本发明的进一步优选，步骤7中，根据设定的压力室温度以及压缩热空气的温度，当压力室内温度较低时，通过压缩空气做功将计算后的体积的高温空气持续通入压力室，当压力室内温度较高时，打开压力室顶盖上的压力控制阀，通过降低压力的压强来降低温度；若压力室内压强增大，压力室顶盖上安装的压力表提示达到压力阈值时，也需打开压力控制阀，将压力室内的部分气体进行释放，释放的同时保证压力室内的温度在试验所需温度之上；

作为本发明的进一步优选，整个压力室通过布设在压力室底部的底板固定螺栓安装在试验台上。

具体实施例为：整个压力室安装完毕后，试验开始；假设压力室内原有10mol气体，压强为一个标准大气压，压力室内温度为25℃，此时若要使室内的温度迅速升高到60℃，使用者从散热储水片的底部进水口通过60℃的水，直至充满整个导热铜管和散热储水片，此时关闭散热储水片上的储水片止水阀；旋转外部压缩空气加热器上的旋钮，使温度指示器上的指针转到60，记录下压缩空气加热器上的流量传感器上的数据，假设此时通入的压缩空气的物质的量约为20mol，根据理想气体状态方程，pV＝nRT，

其中，p——理想气体的压强；

V——理想气体的体积；

n——理想气体的物质的量；

R——理想气体常数；

T——热力学温度(T＝摄氏温度+273)

则有T₂＝25+273＝298K，其中p₁为一个标准大气压，V₁＝V₂都等于压力室内的体积，n₁＝10mol，n₂＝10+20＝30mol，T₁＝25+273＝298K，T₂＝60+273＝333K，计算出压力室内的压强p₂约为3.4个标准大气压，通过压力表监控压力室的压强，一旦压强过大，便打开压力控制阀，释放出一部分气体。

本发明是一种既能快速变温且可保持压力室内温度长期稳定又能进行三向拉、压应力条件下的水工混凝土水力劈裂试验技术性好且经济的装置，该装置所提供的温度、拉、压应力稳定，可根据需要调整试件的温度和应力状态，并针对不同的裂缝宽度、长度进行试验，研究裂缝条件下的水工混凝土损伤开裂特性。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。