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摘要：本文為研究碾壓混凝土斷裂特性，對沙牌拱壩碾壓混凝土試件進行了三點彎曲梁斷裂試驗和剪切斷裂試驗研究，獲得了試件的斷裂韌度KⅠC、KⅡC和斷裂能GF。試驗中應用光纖傳感檢測技術，對試件開裂進行監測，研究結果表明，經處理后的二次涂覆單模光纖對碾壓混凝土試件的開裂較敏感，當試件開裂時光強突變減弱，隨著裂縫開度增大光強逐漸降低，試件斷裂時光纖斷裂。光纖的埋設工藝是實用上需要研究解決的重要技術環節。

關鍵詞：碾壓混凝土斷裂韌度斷裂能光纖傳感裂縫

沙牌水電站位于四川省汶川縣境內岷江一級支流草坡河上，壩高132m，為目前世界上在建最高的碾壓混凝土拱壩。大壩采用全斷面通倉碾壓施工方法，以三級配碾壓混凝土為主。為了研究碾壓混凝土斷裂力學特性，為拱壩物理模型試驗和數值計算分析提供基礎資料，同時也為類似工程提供碾壓混凝土斷裂特性參數，對沙牌拱壩三級配碾壓混凝土本體試件進行了斷裂試驗研究。通過三點彎曲試驗及剪切斷裂試驗，獲得了碾壓混凝土試件的斷裂韌度和斷裂能以及荷載與加載點位移關系和荷載與縫端開口位移關系全過程曲線。研究中，通過對碾壓混凝土三點彎曲試件預埋光纖，應用光纖傳感檢測技術，研究了光纖對碾壓混凝土試件開裂的敏感性，探索光纖的光強隨試件開裂及裂縫發展過程的變化關系。

1試驗概況

1.1原材料基本情況水泥采用四川白花水泥廠生產的中熱普硅425＃水泥，粉煤灰為成都熱電廠二級粉灰，砂子為人工砂，細度模數2.6～2.8，石粉含量16%～20%，石子為花崗巖人工骨料，三級配40～80mm∶20～40mm∶5～20mm=30∶40∶30，水膠比為0.506.碾壓混凝土試件由國家電力公司成都勘測設計研究院科研所材料室制作，采用鋼模澆筑成型，并按標準方法要求在養護室養護，齡期90d.混凝土的碾壓模擬，采用附著式混凝土振動器。

1.2試件制備按照試驗內容要求，具體制作了如下3組試件：(1)帶切口的三點彎曲梁試件6個，編號Ⅰ1－1～Ⅰ－6，主要測試碾壓混凝土的I型斷裂韌度KⅠC和斷裂能GF。試件尺寸為：10cm×10cm×51.5cm，L(跨)W(高)比：L/W=4,裂紋用置于試件澆筑側面且頂角為30°的鋼三角形楔模制成，裂紋長度a=5cm，其裂紋長度與試件高度之比a/w=0.5.如圖1所示。(2)預埋光纖的三點彎曲梁試件4個，編號Ⅱ－1～Ⅱ－4，試件尺寸與第一組試件完全相同，只是在預制裂紋端部附近埋設了光纖，主要研究光纖對碾壓混凝開裂的敏感性，探索光纖的光強與裂縫發展過程的關系。光纖型號采用2種，即康寧10/125/250單模光纖及10/125/900二次單模涂覆光纖，在埋入時又分為對光纖傳感段進行了處理(即去掉光纖保護層)和未進行處理兩種情況，以比較其傳感效果。如圖2所示。(3)帶切口的剪切試件10個，主要測試碾壓混凝土的Ⅱ型斷裂韌度KⅡC。試件尺寸為：10cm×10cm×20cm，裂紋長度a=5cm，其中：雙面剪切試件4個(實際做了8個，成功了4個)，編號Ⅲ－1～Ⅲ－4，直剪試件6個，編號Ⅲ－5～Ⅲ－10，如圖3和圖4所示。

①碾壓混凝土試件②預制裂縫③加載支承④剛性梁

⑤力傳感器⑥撓度傳感器⑦開度傳感器⑧聲發射傳感器

圖1碾壓混凝土三點灣曲梁試件

圖2預埋光纖的碾壓混凝土三點彎曲梁試件

①碾壓混凝土試件②預制裂縫③剛性塊④位移傳感器

圖3碾壓混凝土雙面剪切試件

圖4碾壓混凝土直剪試件

1.3試驗裝置及測試過程

試驗采用美國產MTS815Teststar程控伺服巖石力學試驗系統，測試碾壓混凝土的斷裂力學特性，并能自動實時記錄荷載與加載點位移及荷載與縫端開度關系全過程曲線。試驗中采用等位移速率控制加載，加載速率為0.01mm/min.應變測試采用日本KYOWADPM600系列動態應變儀，該儀器有8個測試通道精確地測試應變。光纖傳感檢測采用廣州儀器公司生產的AI9301A/AI9302A型高穩定度智能光功率計檢測光纖中光信號的變化，其工作波長1300mm.同時還使用了TD2000型OTDR(光時域反射計)作對比，其工作波長為1300mm，損耗分辨率0.01dB，距離分辨率0.1m.試驗裝置及測試過程如圖5所示。

2試驗成果及分析

通過試驗測得三點彎曲梁試件荷載與加載點位移全過程關系曲線和荷載與縫端開口位移全過程關系曲線，以及預埋光纖三點彎曲梁試件光強與縫端張開位移曲線和剪切試驗荷載與位移關系曲線共26張，限于篇幅，僅列出典型的相關曲線，如圖6～圖9所示。

圖5試驗裝置及測試過程

圖6三點彎曲梁試驗荷載與加載點位移關系曲線

圖7光纖傳感試件裂縫光強與縫端張開位移關系曲線

圖8雙面剪切試驗荷載與剪切位移關系曲線

圖9直剪試驗荷載與剪切位移關系曲線

以三點彎曲梁實測曲線中最大荷載為裂紋失穩擴展的臨界荷載如圖6所示，試件的Ⅰ型斷裂韌KⅠC按下式計算[1]：

KⅠC＝PmaxL/BW3/2/f（a/w）(1)

式中：Pmax為臨界荷載；L為梁的跨度；B為梁的寬度；W為梁的高度。根據三點彎曲梁實測荷載與撓度曲線和梁斷裂時的最大變形，可計算梁的斷裂能[1]：

GF＝W0＋mgδ0/A(2)

式中：W0為荷載-撓度關系曲線下的面積；mg為支點間梁和加荷部件重量；δ0為梁斷裂時最大變形；A為為韌帶斷面面積。

根據剪切試驗實測曲線中的最大荷載如圖8、圖9所示，KⅡC的計算公式[1]：

KⅡC＝Qmax/BW1/2f(a/w)(3)

當H/W=1時：

當H/W=2時：

式中：Qmax為最大剪力；H為試件高度；W為試件斷面寬度；B為試件厚度。由試驗結果得到試件的斷裂韌度及斷裂能如表1和表2所示。由表1、表2可見，沙牌拱壩碾壓混凝土試件的Ⅰ型斷裂韌度KⅠC為0.442～0.579kN/cm3/2，試驗結果表明KⅠC值與試件臨界荷數Pmax成正比，同時KⅠC與劈裂抗拉強度ft相關，一般情況下ft大，則KⅠC偏大；Ⅱ型斷裂韌度KⅡC為0.801～1.088kN/cm3/2，由雙面剪切試驗和直剪試驗兩種方法得出的KⅡC相近，這說明兩種試驗方法可行并起到相互驗證作用。斷裂能GF為06.26～149.07N/m，

表1碾壓混凝土三點彎曲梁斷裂試驗結果

試件編號劈裂抗拉強度ft/MPa最大荷載Pmax/N斷裂韌度KⅠC/(kN/cm3/2)斷裂能GF/N/m

Ⅰ－11.801440.00.501124.53

Ⅰ－21.641289.50.456138.08

Ⅰ－31.781340.00.474141.92

Ⅰ－41.681250.00.442112.68

Ⅰ－51.591259.00.445106.26

Ⅰ－61.751323.00.468120.72

Ⅱ－22.011640.00.579149.07

Ⅱ－31.871500.00.530138.73

注：1劈裂抗拉強度試件尺寸10×10×10cm3.2試件Ⅱ-1、Ⅱ-4在搬運中光纖脆斷，未能測試。

表2碾壓混凝土剪切斷裂試驗結果

試件編號試驗情況最大剪力Qmax/N斷裂韌度KⅡC/(kN/cm3/2)

Ⅲ－1雙面剪切24346.90.860

Ⅲ－2雙面剪切23714.30.837

Ⅲ－3雙面剪切22693.90.801

Ⅲ－4雙面剪切30622.41.081

Ⅲ－5直剪26428.61.088

Ⅲ－6直剪21755.10.895

Ⅲ－7直剪25102.21.033

Ⅲ－8直剪20510.20.845

Ⅲ－9直剪23744.90.977

Ⅲ－10直剪25693.91.058

GF值不僅與荷載和撓度關系曲線下的面積有關，還與梁斷裂時的最大變形以及韌帶斷面面積有關。需要說明的是，該試驗結果未考慮試件尺寸效應的影響。混凝土的斷裂韌度KⅠC和斷裂能GF都具有明顯的尺寸效應。大量的試驗證明[1]，試件的平面尺寸愈大，求得的KⅠC愈大，而KⅠC值增大，GF值也愈大。一般認為當試件尺寸為2.0m×2.0m×0.2m時，混凝土KⅠC已趨于穩定值。因而，表1和表2中的KⅠC值，如直接引用是不合理的，必須考慮試件尺寸的影響，文獻[1]分析了大量的試驗所得的KⅠC值，提出了考慮尺寸效應后，可得高度d＝2m，縫深a＝1m的KⅠC值為d＝10cm，a＝5cm的試件KⅠC值的1.9倍。

3光纖傳感試件裂縫

在試驗研究中，應用了光纖傳感檢測技術。由于光纖尺寸小，重量輕，埋入混凝土時對埋設點的性質無大的影響，因此光纖傳感技術已開始用于探測混凝土中的裂縫。如國外Rossi和LeMaou等[2]，使用埋入式多模光纖(100μm直徑，在幾個截面處把保護層去掉)，探測混凝土中的裂縫。國內劉浩吾教授[3］和楊朝輝博士[4]通過多夾角、多種光纖、多種材料的模型試驗，提出了斜交光纖裂縫傳感的新型式，并結合三峽大壩及其基礎和其它巖土工程、混凝土結構工程，提出了斜交光纖裂縫傳感檢測技術應用的若干典型布置方案等。光纖傳感的基本原理是光纖周圍混凝土的熱、力學參量的變化會引起光纖傳輸的光信號如光強、相位、波長等的變化，通過檢測這些光學信號的變化，即能高精度地傳感混凝土中的溫度和應變值。當裂縫穿過沒有保護層的光纖任一截面時，就會觀察到該點光強衰減加大，以此探測裂縫的發生和增長。并利用光時域反射計(OTDR)和光頻率反射計(OFDR)技術，測試從光纖反射的信號而將各種被測量定位。

本次試驗采用的光纖分為對傳感段進行處理(即去掉保護層)和未對傳感進行處理兩種，以比較其傳感效果。在試驗中實時監測光強與試件位移的變化關系，其試驗成果經過歸一化處理，得出了傳感段處理后的光纖其光強與縫端張開位移關系曲線如圖7所示。由圖7中曲線可以看出：經處理后的二次涂覆單模光纖對碾壓混凝土的開裂較敏感，表現為試件開裂時，光信號有變化。即光強突變減弱，如曲線中bc段所示，隨著裂縫的開度增大光強逐漸降低，其降低過程由緩慢逐漸加快，如圖中cd段和de段所示，當試件斷裂時光纖斷裂。傳感段未經處理的光纖對試件的開裂不敏感，沒有明顯的光強與開度變化過程。但是經過處理后的光纖很纖細、精巧對埋設工藝要求較高，埋設時很容易斷裂，因此，光纖的埋設工藝是實用上需要研究解決的重要技術環節。

4主要結論

通過斷裂試驗，獲得了沙牌拱壩三級配碾壓混凝土試件的斷裂韌度KⅠC、KⅡC和斷裂能GF，以及荷載與加載點位移關系和荷載與縫端開口位移關系全過程曲線，這些成果為研究沙牌碾壓混凝土拱壩的開裂和破壞機制提供了基礎資料，同時為類似工程提出了可供參考的碾壓混凝土斷裂特性參數。光纖傳感檢測結果表明，傳感段經處理后的二次涂覆單模光纖對碾壓混凝土的開裂較敏感，當試件開裂時光強突變減弱，隨著裂縫的開度增大光強逐漸降低，其降低過程由緩慢逐漸加快，當試件斷裂時光纖斷裂。感段未經處理的光纖對試件的開裂不敏感。光纖的埋設工藝是實用上需要研究解決的重要技術環節。

參考文獻：

［1］于驍中，等。巖石和混凝土斷裂力學［M］。長沙：中南工業大學出版社，1991。

［2］RossiP,etal.Newmethodfordetectingcracksinconcreteusingfiberoptics［C］。MaterialsandSturctures,ResearchandTesting(RILEM),1989

［3］劉浩吾。混凝土重力壩裂縫觀測的光纖傳感技術及神經網絡［J］。水利學報，1999，(10)。

［4］楊朝暉。工程結構安全監測的光纖傳感技術及神經網絡方法研究［D］。成都：四川聯合大學，1996。

［5］于驍中，等。巖石、混凝土斷裂力學在國內的進展［J］。水利學報，1984，(9).