大坝廊道混凝土真实断裂参数确定方法研究

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由于大坝廊道结构和应力分布较为复杂,在大坝施工期、运行期和维护期常出现裂缝。真实的廊道混凝土强度和断裂参数是准确分析大坝廊道结构工作性态和开裂风险的基础条件。然而,混凝土所处的环境温湿度和试件的尺寸等因素均会对试验测定的强度和断裂参数产生较大影响,因此直接采用特定龄期和尺寸混凝土试件的强度和断裂参数开展的廊道结构开裂风险分析可能会导致分析结果与廊道混凝土的真实抗裂安全系数存在较大偏差。为此,本文通过试验和理论研究,提出了一种考虑环境温湿度和尺寸因素的大坝廊道混凝土真实强度和断裂参数的确定方法。该方法首先采用大坝工程施工现场拌和楼生产的廊道混凝土浇筑成型试件,开展不同龄期和养护温湿度的大坝廊道混凝土强度试验和不同龄期、养护温湿度、试件尺寸和初始缝高比的廊道混凝土断裂试验,定量分析龄期和养护温湿度耦合作用下廊道混凝土强度和断裂参数的变化规律,以及试件尺寸和初始缝高比对廊道混凝土断裂参数的影响。最后基于上述试验结果,采用温湿度成熟度理论建立任意环境条件下大坝廊道混凝土强度及断裂参数的预测方程,进而通过引入尺寸效应模型分析结果,提出并验证了同时考虑环境和尺寸因素的大坝廊道混凝土真实断裂参数预测方程。研究成果可为大坝廊道结构的开裂风险分析中混凝土强度和断裂参数的确定提供依据。本文的主要研究内容和研究成果如下:(1)设计并开展了养护湿度为98%时,养护温度为10°C、20°C、40°C,和养护温度为20°C时,养护湿度为30%和60%的5种温湿度工况条件下廊道混凝土7天、14天、28天、60天和90天的强度和断裂试验。试验结果表明,在10°C至40°C的范围内,养护温度越高,同龄期条件下廊道混凝土的强度和断裂参数越大,强度和断裂参数的增长速率越快。随着龄期的增长,不同养护温度条件下的混凝土强度和断裂参数均将逐步接近于其最终的稳定值。养护湿度对廊道混凝土早龄期强度和断裂参数的影响较小,但随着龄期的增长,养护湿度的不足对强度和断裂参数产生的不利影响逐步显现出来,基本表现为随着龄期的增长,不同湿度条件下强度和断裂参数之间的差异呈现先扩大后缩小的规律。(2)设计并开展了不同试件尺寸和初始缝高比条件下廊道混凝土7天、14天、28天、60天和90天的断裂试验。每个龄期的试件组数相同,即初始缝高比为0.4时,尺寸为200 mm、300 mm、400 mm、500 mm、600 mm的试件5组,和尺寸为300 mm,初始缝高比为0.1、0.2、0.3、0.5、0.6的试件5组。试验结果表明,大坝廊道混凝土的断裂参数具有明显的尺寸效应,表现为断裂参数随着试件尺寸的增大而逐渐增大,直至试件尺寸达到特定值后趋于稳定。不同龄期廊道混凝土断裂参数达到稳定值的最小试件高度基本相同,均介于400 mm至500 mm之间。随着初始缝高比的增大,廊道混凝土的起裂韧度、失稳韧度和断裂能均逐渐降低。(3)基于上述试验结果,采用温湿度成熟度理论建立任意环境条件下大坝廊道混凝土强度及断裂参数的预测方程,进而通过引入尺寸效应模型分析结果,提出并验证了同时考虑环境和尺寸因素的大坝廊道混凝土真实断裂参数预测方程。研究表明,考虑温度、湿度和龄期的温湿度成熟度方法与强度-成熟度的对数关系可用于定量描述养护温度为10°C至40°C、相对湿度为30%至98%条件下低热水泥廊道混凝土强度和断裂参数的增长规律。采用在廊道混凝土内预埋温度计和在廊道内外设置小型气象站的方法,可确定廊道混凝土强度和断裂参数发展的最不利环境工况,从而确定真实环境条件下任意时刻廊道混凝土的强度和断裂参数。同时考虑环境和尺寸因素的大坝廊道混凝土真实断裂参数预测方程可用于实际工程廊道混凝土断裂参数的确定。在实际工程中,当采用本文提出的方法所确定的廊道混凝土强度及断裂参数与传统取值方法所得的廊道混凝土强度及断裂性能之间偏小较多时,应着重关注大坝廊道混凝土的强度及断裂参数是否满足承载力要求。
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