一种岩石与混凝土界面抗剪性能测试装置的制作方法

本发明涉及岩体工程技术领域，具体涉及一种岩石与混凝土界面抗剪性能测试装置。

背景技术：

嵌岩型基础是直接建在基岩上的一种基础形式，施工时直接采用成孔机械或人工或爆破在岩石中钻孔，孔内放入锚筋或钢筋笼并浇筑混凝土，使地基和基础粘结成为一个整体，能够充分利用岩石地基的坚固性以及钢材抗拉强度高的特点，这种形式的基础可承受较大拉力和水平力，而且施工工艺简单、地基稳定性好，能够减少开挖量、节省混凝土以及减轻劳动量。

在输变电工程对于嵌岩型基础的施工过程要求混凝土基础和基岩必须能够较好的连接成为一个整体，以确保输变电工程结构的承载需求，而目前针对于嵌岩型基础相关的研究和施工设计方法存在以下问题：

嵌岩型基础的承载力由岩石与混凝土界面的连接强度控制，如果界面强度达不到设计要求，就不能很好的利用基岩的坚固性和基础结构的抗拉性能；

目前所采用的标准施工设计中对于基础与岩石间力学参数的设计取值以经验为主，基础结构、岩石地基的强度不匹配，导致基础的设计在应用中偏差较大且易带来质量问题和安全隐患；

在科学研究和理论分析中对岩石与混凝土界面的抗剪性能的测试没有很好的方法和标准，对于界面的抗剪强度和变形特征没有很好的力学模型和本构方程。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的是提出一种结构简单、稳定、易操作的岩石与混凝土界面抗剪性能测试装置，该装置模拟基岩的围压环境、混凝土流态压力并通过精准的测量岩石与混凝土界面上拔实验中的力学强度和变形特征来测试嵌岩型基础上拔过程中岩石与混凝土界面抗剪性能，为研究嵌岩型基础在基岩中的承载力性能提供科学依据。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种岩石与混凝土界面抗剪性能测试装置，其改进之处在于，所述装置包括固定组件、加压组件和剪切组件；

所述固定组件包括柱形套管和位于所述柱形套管上下的且与其外径相同的柱形剪切板；所述剪切组件由穿心千斤顶和上端穿过所述穿心千斤顶的剪切杆组成，所述剪切杆的下端设有剪切盘；所述加压组件包括上下底板和设置于柱形剪切板的盖板上的t型加圧板；

所述剪切组件的剪切杆位于所述固定组件的所述柱形套管内且所述固定组件、加压组件和剪切组件同轴性设置。

优选的，所述柱形套管包括刚性外套管和缩性内套管；

所述岩石为柱型；所述柱形剪切板通过螺栓与所述刚性外套管固定。

优选的，所述剪切杆包括剪切盘、锚固板、垂直穿过所述锚固板轴心与所述剪切盘连接的提拉杆；所述剪切杆和所述锚固板的外径小于柱形岩石内径；所述锚固板数目为1-5个。

优选的，所述缩性内套管、剪切杆和t型加圧板的下端面分别连接压力传感器。

进一步的，所述柱形剪切板的盖板内径为所述柱形岩石内外径间的任一值。

进一步的，所述刚性外套管由按照重量份比80:2：7：5：4:2的铁、锰、硅、铬、钼以及碳制成。

进一步的，所述柱形岩石内径90mm～150mm，壁厚2cm～4cm；所述柱形套管外径为150mm～230mm。

进一步的，所述剪切杆由按重量百分比计的下述组份制得：co：4.7-6.6％、pb：3.4-4.5％、sn：1.4-.34％、te：2.2-2.8％、tl：7-9％、si：1.2-1.8％、ba：0.13-0.19％、c：0.45-0.67％、余量为fe和杂质，其中杂质中各含量为p＜0.045％、s＜0.043％、o＜0.009％。

进一步的，所述柱形剪切板的底板设有柱形孔，所述柱形孔正下方设有位移传感器。

优选的，固定所述加压组件的竖直固定件的数目至少为4。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：

1.本发明结构简单、稳定、易操作，可以在室内进行岩石与混凝土界面抗剪性能的测试。

2.本发明模拟基岩的围压环境、混凝土浇筑流态压力并通过精准的测量岩石与混凝土界面上拔实验中的力学强度和变形特征更准确的测试了嵌岩型基础上拔过程中岩石与混凝土界面的抗剪性能，为研究嵌岩型基础在基岩中的承载力性能提供科学依据。

3.本发明适用性高，针对不同尺寸的岩石样品可定制不同尺寸系列的剪切装置，通过缩性内套管可减小环状岩样的尺寸误差、岩石节理和破裂面对岩石与混凝土界面抗剪性能测试的影响。

4.本发明为实测岩石与混凝土界面抗剪强度、极限位移等指标以及评价剪切特性提供了解决方案，克服了目前主要采用经验值的技术不足的问题，提高了工程设计及质量控制的科学性。

5.本发明的装置及测试方法考虑了地下岩石围压、混凝土浇筑流态压力对岩石与混凝土界面抗剪性能的影响，相关指标更科学适用。

附图说明

图1是岩石与混凝土界面抗剪性能测试装置正视图；

图2是岩石与混凝土界面抗剪性能测试装置断面图；

图3是固定结构侧视图；

图4是剪切杆示意图；

图5是剪切力与相对位移变化曲线峰值图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种岩石与混凝土界面抗剪性能测试装置，如图1所示，所述装置包括固定组件、加压组件和剪切组件；

所述固定组件包括柱形套管和位于所述柱形套管上下的且与其外径相同的柱形剪切板；所述剪切组件由穿心千斤顶和上端穿过所述穿心千斤顶的剪切杆组成，所述剪切杆的下端设有剪切盘；穿心千斤顶为上端穿过所述穿心千斤顶的剪切杆提供拉力；所述加压组件包括上下底板和设置于柱形剪切板的盖板上的t型加圧板。所述t型加圧板的下端面连接有压力传感器；

所述剪切组件的剪切杆位于所述固定组件的所述柱形套管内且所述固定组件、加压组件和剪切组件同轴性设置。

具体的，所述柱形套管包括刚性外套管和缩性内套管；所述岩石为柱型；所述柱形剪切板通过螺栓与所述刚性外套管固定。柱形套管的内径大小约等于柱形岩石外径，可通过调节缩性内套管内部容量适应于不同尺寸的柱形样品，缩性内套管内部可以填充一定量的流体，例如水或液压油，柱形套管可以起到保护和固定柱形岩石的作用，还可通过调节缩性内套管容量模仿柱形岩石未钻取前的岩石围压，缩性内套管中的压力传感器测量缩性内套管和柱形岩石间的压强。

具体的，所述剪切杆包括剪切盘、锚固板、垂直穿过所述锚固板轴心与所述剪切盘连接的提拉杆；所述剪切杆和所述锚固板的外径小于柱形岩石内径；所述锚固板数目为1-5个。

具体的，所述缩性内套管、剪切杆和t型加圧板的下端面分别连接压力传感器。

具体的，所述柱形剪切板的盖板内径为所述柱形岩石内外径间的任一值，柱形剪切板的盖板的剪切约束力和剪切杆提供给剪切盘的剪切力可以达到对岩石与混凝土界面的剪切作用。

具体的，所述刚性外套管由按照重量份比80:2：7：5：4:2的铁、锰、硅、铬、钼以及碳制成。

具体的，所述柱形岩石内径90mm～150mm，壁厚2cm～4cm；所述柱形套管外径为150mm～230mm。

具体的，所述剪切杆由按重量百分比计的下述组份制得：co：4.7-6.6％、pb：3.4-4.5％、sn：1.4-.34％、te：2.2-2.8％、tl：7-9％、si：1.2-1.8％、ba：0.13-0.19％、c：0.45-0.67％、余量为fe和杂质，其中杂质中各含量为p＜0.045％、s＜0.043％、o＜0.009％。

具体的，所述柱形剪切板的底板设有柱形孔，所述柱形孔正下方设有位移传感器。柱形岩石下柱形孔对应的位移传感器测量在剪切过程中柱形岩石的位移，提拉杆下柱形孔对应的位移传感器测量混凝土在上拔过程中的位移。

具体的，固定所述加压组件的竖直固定件的数目至少为4。

在一个实施例中：

在岩石层深度为8m，岩层平均重度为26kn/m³的岩石层以内摩擦角为50°的角度钻取岩石样品，并将岩石样品打磨成内径110mm，壁厚30mm，高300mm的柱形岩石；

根据公式计算柱形岩石原位(未钻取前)的岩石围压，其中，q为围岩压力；γr为取样点以上岩层平均重度；h为取样点深度；侧压力计算系数，φ为内摩擦角；计算得到试验施加围压为75kpa。

同时按照qh＝γhh计算取样深度处流态混凝土压力值，其中，γh为流态混凝土密度，一般取25kn/m³；h为取样点深度；计算得到取样深度处流态混凝土压力值为200kpa。

利用磨光机将柱形岩石端部打磨为水平光滑，打磨时岩石有破裂面但破裂面完整，利用石膏等胶结材料粘合呈整体，当岩芯样品若有局部小部分缺失，可用石膏等强度较低、硬化较快的材料迅速填补并粘合，形成柱形样品；

选取内径140mm，外径为180mm的柱形套管，将柱状岩石置于缩性内套管内并在缩性内套管中填充流体使缩性内套管施加给柱形岩石的压力与柱形岩石原位的岩石围压值的10％等同，且柱形岩石紧贴柱形剪切板的盖板位置放置，下部空隙利用石膏等低强度胶结材料补齐；

将外径180mm的柱形剪切板通过螺栓与刚性外套管固定，柱形剪切板的盖板内径为120mm，剪切底板中心和柱形岩石下方位置设有20mm的圆形孔洞；

将剪切杆放入柱形岩石内，保证剪切盘处于柱形岩石最底部，与柱形剪切板的底板直接接触，剪切杆中部可根据测试情况，适当加入锚固措施，例如多层锚固板或者焊接钢筋和箍筋等，保证上拔测试过程中剪切杆不会从胶凝材料(混凝土)中脱出，最后向柱形岩石内部孔隙注入胶凝材料(混凝土)；

胶凝材料(混凝土)注入后立即放在加压组件的下底板上，在胶凝材料(混凝土)上表面放置含压力传感器的t型加圧板，在加圧板上放置穿心千金顶，通过螺栓将上下底板连接；在加圧板的上放置穿心张拉千斤顶，千斤顶内部腔体直径大于环状岩样内径，保证在剪切过程中千斤顶不会阻碍上拔；

在缩性内套管中填充流体使缩性内套管施加给柱形岩石的压力与柱形岩石原位岩石围压值的10％等同，同时通过穿心千金顶和加圧板在胶凝材料(混凝土)上表面施加压力与取样深度处流态混凝土压力值等同。

待柱形岩石内部胶凝材料(混凝土)固化完成之后，固化并养护28天，拆除加压组件。

利用穿心千斤顶对剪切杆施加上拔力，通过剪切杆传递到剪切盘，对岩石与混凝土界面产生剪切力，通过预先设置的位移传感器测量混凝土位移sh和岩石的位移sr，计算岩石与混凝土间相对位移δs＝sh-sr，利用荷载测试传感器测量施加在剪切杆上的上拔力，监测试验过程并记录数据，利用公式计算岩石与混凝土界面的剪切力，其中，t为上拔力；d为柱形岩石内径；l为环状岩石样品高度。

通过测试及计算，可绘制岩石与混凝土界面剪切力与相对位移变化曲线，如图5，分析界面剪切特性，并根据实测及剪切力与相对位移变化曲线峰值点，得到界面剪切强度为1000kpa,相应极限相对位移2.7mm。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。