用于模拟混凝土基岩接触面水力劈裂特性的试验装置和试验方法与流程

本发明涉及一种水力劈裂特性分析的试验装置和试验方法，特别是一种用于模拟混凝土基岩接触面水力劈裂特性的试验装置和试验方法。

背景技术：

随着我国筑坝技术迅猛发展，一大批高混凝土坝已投入运行或即将建设。基岩是经过长期的堆积演化形成的，混凝土坝体是由人工材料采用一定的浇筑方法短期内形成的，由于受温度、浇筑技术、接触面效应等的影响不可避免的会在混凝土坝体与基岩的接触面之间形成裂缝，混凝土与坝基接触面裂缝中充斥着水压力，裂缝在高水压作用下会进一步扩展，降低混凝土坝体与坝基的胶结能力，严重影响坝体的稳定性，可能引发坝体滑动、垮坝等事故。因此，研究混凝土基岩接触面的水力劈裂特性具有工程应用价值和理论意义。

已有的研究一般采用中空的圆柱形混凝土或水泥砂浆试件开展混凝土或岩体水力劈裂试验研究，对混凝土-坝基接触面这一薄弱层面开展室内试验的研究较少。且大坝在实际运行过程中，裂缝扩展受诸多因素的影响，例如初始裂缝宽度、裂缝倾斜角度、裂缝粗糙程度等。

为了研究混凝土坝体与基岩接触面间的水力劈裂特性，有必要对传统水力劈裂试验装置进行改进，开发一种可用于模拟混凝土基岩接触面水力劈裂特性的试验装置。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种用于模拟混凝土基岩接触面水力劈裂特性的试验装置，该用于模拟混凝土基岩接触面水力劈裂特性的试验装置简易方便，且可真试反映不同材料接触面间裂缝扩展特性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于模拟混凝土基岩接触面水力劈裂特性的试验装置，包括模具、钢片、测压导管、水密封夹具、水压加载系统、应变片、夹式引伸计和计算机。

模具用于混凝土基岩试件的制备，混凝土基岩试件在混凝土基岩接触面处具有试件初始裂缝。

模具包括底板和四个侧壁，侧壁与底板可拆卸连接；四个侧壁与底板围合形成中心容腔，中心容腔的形状与混凝土基岩试件的形状相同。

模具的两个位置相对应的侧壁中心部位各设置有一个圆孔，每个圆孔内设置有一个能够旋转的圆盘，每个圆盘的中心均设置有一条与试件初始裂缝形状相同的模具预制裂缝。

钢片能放置在两条模具预制裂缝中并能从两条模具预制裂缝中移除。

模具的顶部开口端面中心部位设置有一块条状且能移除的塑料板，该塑料板沿模具预制裂缝方向布置；塑料板沿长度方向设置有若干个预制孔洞；每个预制孔洞内均设置有一根测压导管，每根测压导管的一端均伸入模具中且与钢片相接触；每根测压导管内均设置有一根位置固定且能移除的钢棒。

应变片粘贴固定在混凝土基岩试件上，用于测试混凝土基岩试件沿试件初始裂缝延伸方向的应变。

夹式引伸计也粘贴固定在混凝土基岩试件表面，用于测量试件初始裂缝的变形情况。

水密封夹具包括两块水密封钢板、两块硅胶夹垫、螺杆和密封帽；两块水密封钢板相互平行，且均套装在螺杆上；在每块水密封钢板的内侧面均固定设置一块硅胶夹垫；位于顶部的水密封钢板的中心部位设置有夹具螺纹中心孔，该螺纹中心孔能与试件初始裂缝相贯通；

位于底部的水密封钢板中心部位设置有螺纹密封帽孔，该螺纹密封帽孔与螺纹中心孔同轴设置，且能与密封帽密封配合。

水压加载系统包括水箱、电动调压泵、耐高压导水管和若干个水压力传感器；水箱、电动调压泵、耐高压导水管依次相连接，耐压导水管的另一端水密封夹具中的螺纹中心孔相连接；耐高压导水管的中部以及每根测压导管端部均连接一个水压力传感器。

应变片、夹式引伸计和每个水压力传感器均与计算机相连接。

所述水箱中添加有示踪剂。

所述钢片的两侧或一侧设置有粘胶层，粘胶层的外侧飘洒有盐粒层。

所述钢片的厚度或宽度能够调整。

本发明还提供一种用于模拟混凝土基岩接触面水力劈裂特性的试验方法，该用于模拟混凝土基岩接触面水力劈裂特性的试验方法简易方便，且可真试反映不同材料接触面间裂缝扩展特性。

一种用于模拟混凝土基岩接触面水力劈裂特性的试验方法，包括如下步骤。

步骤1，制模：经过圆盘制作、模具预制裂缝制作、钢片插入和测压导管固定步骤后形成所需模具，具体制模过程为。

1）圆盘制作：准备一个无盖的方形盒体，在方形盒体的两个位置相对应的侧壁中心部位切割一对半径相等的圆盘，并在方形盒体上形成一对圆孔。

2）模具预制裂缝制作：在每个圆盘的中心部位各横向加工一条模具预制裂缝；接着，将加工有模具预制裂缝的圆盘放置在圆孔中，并旋转圆盘，使模具预制裂缝处于预设角度，然后使用胶带将圆盘固定在方形盒体的侧壁上。

3）钢片插入：将钢片放置在两条模具预制裂缝中。

4）测压导管固定：将开设有若干个预制孔洞的塑料板粘接固定在方形盒体的顶部开口端面中心部位，每个预制孔洞中插入一根测压导管，每根测压导管的底部均伸入方形盒体内，并与钢片的上表面接触；每根测压导管内均插入一根位置固定的钢棒。

步骤2，混凝土基岩试件形成：具体形成过程为。

1）混凝土浇筑：将搅拌后的混凝土浇筑在步骤1的模具中，在添加混凝土的同时进行振捣拌，直至振捣之后的混凝土与插入模具中的钢片顶面相齐平。

2）浇筑水泥砂浆：当混凝土与钢片顶面齐平后，浇筑水泥砂浆至模具顶部开口端面相齐平，浇筑同时进行振捣；然后，养护到初凝后，拔出钢片和钢棒，将方形盒体拆除，并养护，即形成带有试件初始裂缝的混凝土基岩试件。

步骤3，应变片和夹式引伸计布置：将应变片沿试件初始裂缝延伸方向进行粘贴固定在混凝土基岩试件表面，相邻两片应变片之间的间隔距离相等；将夹式引伸计分别布置在试件初始预制裂缝中部位置和试件初始裂缝尖端位置。

步骤4，装样：将粘贴有应变片且养护完成的混凝土基岩试件放置在水密封夹具的两块橡胶夹垫之间，使混凝土基岩试件的其中一条试件初始裂缝与水密封夹具中的夹具螺纹中心孔相对应，拧紧螺杆上的螺母，将混凝土基岩试件夹紧固定在水密封夹具中。

步骤5，试验：将水压加载系统中的耐高压导水管与夹具螺纹孔中心孔连接，耐高压导水管中部安装一个水压力传感器；将每根测压导管的尾端各连接一个水压力传感器；将每片应变片、夹式引伸计和每个水压力传感器均与计算机相连接；开启计算机和水压加载系统，控制电动调压泵的加载速率，将耐高压导水管、试件初始裂缝中的空气排出，暂停电动调压泵送水；调节电动调压泵的压力值，开始混凝土基岩试件的水力劈裂特性试验，并记录混凝土基岩试件内的水压力值、应变位移值。

所述步骤5中，在开启计算机和水压加载系统前，在水压加载系统的水箱内加入示踪剂，开启计算机和水压加载系统，控制电动调压泵的加载速率，将耐高压导水管、试件初始裂缝中的空气排出，使用密封帽将水密封夹具底部密封。

所述步骤1中，钢片在放置进两条模具预制裂缝前，先在钢片的两侧或一侧涂抹一层粘性胶，再在粘性胶上飘洒颗粒状的盐粒。

所述步骤1中，钢片在放置进两条模具预制裂缝前，钢片具有不同的宽度或厚度。

本发明采用上述结构和方法后，与现有相比，具有如下优点：

⒈可以根据试验的需要，进行不同裂缝宽度、裂缝厚度、裂缝粗糙度组合工况下的混凝土与基岩接触面间的水力劈裂特性试验。

⒉试验过程中在水箱中加入染色剂，用于显示初始裂缝的裂缝扩展的轨迹。

3.旋转圆盘可便捷的实现不同角度的预制初始裂缝，可研究裂缝角度对水力劈裂特性的影响。

4试验获得的缝内水压值、裂缝应变值、外荷载等数据可通过仪器全自动的采集，并保存。

5.在传统水力劈裂试验中采用的密封装置基础上进行了改进，该进后的密封装置不仅增加了密封的效果，而且装载试件的过程简单快捷，提高了试验工作效率。

附图说明

图1为本发明模具的结构示意图。

图2为水密封夹具的结构示意图。

图3为钢片示意图。

图4为模具预制裂缝示意图。

图5为应变片、夹式引伸计位置示意图。

图6为水压力传感器示意图。

图7为测压导管中插入钢棒示意图。

图8为塑料扎口示意图。

其中有：1模具的俯视方向；2模具；3测压导管；4塑料板；5模具预制裂缝；6圆盘；7钢片；8水密封夹具；9螺杆；10水密封钢板；11硅胶夹垫；12耐高导水管；13应变片；14夹式引伸计；15试件初始裂缝；16压力传感器接头；17水压力传感器；18塑料扎口；19钢棒；20密封帽。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图8所示，一种用于模拟混凝土基岩接触面水力劈裂特性的试验装置，包括模具2、钢片7、测压导管3、水密封夹具8、水压加载系统、应变片13、夹式引伸计14和计算机。

模具用于混凝土基岩试件的制备，混凝土基岩试件在混凝土基岩接触面处具有试件初始裂缝。

模具包括底板和四个侧壁，侧壁与底板可拆卸连接；四个侧壁与底板围合形成中心容腔，中心容腔的形状与混凝土基岩试件的形状相同。

模具优选由塑料材料制成，模具优选为一个方形盒体，本申请中优选为一个立方体的盒体，立方体的盒体边长优选为150mm。

模具的两个位置相对应的侧壁中心部位各设置有一个圆孔，每个圆孔内设置有一个能够旋转的圆盘，圆盘的半径优选为4-6cm。

每个圆盘的中心均设置有一条与试件初始裂缝形状相同的模具预制裂缝5，模具预制裂缝的宽度优选为6mm。

钢片能放置在两条模具预制裂缝中并能从两条模具预制裂缝中移除。钢片的两侧或一侧设置有粘胶层，粘胶层的外侧飘洒有盐粒层。

进一步，上述钢片的厚度或宽度优选能够调整。钢片有不同的规格例如：长200mm、厚1.8mm、宽50mm一侧为锲形刀刃状钢片；长200mm、厚1.8mm、宽40mm一侧为锲形刀刃状钢片；长200mm、厚1.8mm、宽60mm一侧为锲形刀刃状钢片；长200mm、厚3.6mm、宽50mm一侧为锲形刀刃状钢片；长200mm、厚5.4mm、宽50mm一侧为锲形刀刃状钢片；长200mm、厚1.8mm、宽50mm一侧为锲形刀刃状表面带有粗颗粒的盐粒钢片。根据试验目的插入不同规格的钢片可以研究变缝宽、缝厚、粗糙度接触面间水力劈裂特性。

另外，将同一规格的钢片7插入圆盘6预制的模具预制裂缝5中，通过旋转圆盘6可以进行不同倾斜角裂缝水力劈裂特性试验。

模具的顶部开口端面中心部位设置有一块条状且能移除的塑料板4，该塑料板沿模具预制裂缝方向布置；塑料板沿长度方向设置有若干个预制孔洞，预制孔洞的数量优选为3个。

每个预制孔洞内均设置有一根测压导管，每根测压导管的一端均伸入模具中且与钢片相接触。

每根测压导管内均设置有一根位置固定且能移除的钢棒。

每根测压导管的内径优选为2mm，长度优选为120mm。测压导管3在插入到模具2中预制孔洞前，将塑料扎口18扎在弯管一半位置处，将多余的部分剪除，并用高强度粘性胶水粘好。具体为将塑料扎口18与塑料扎口一侧的测压导管3插入到模具内侧，然后将直径为1mm的150mm长的钢棒19插入到塑料弯管3中，埋入到试件的一端要与钢片7接触。为了使3根测压导管3在振捣过程中，保持平衡，使用透明胶带将3根测压导管3连接起来。

应变片粘贴固定在混凝土基岩试件上，用于测试混凝土基岩试件沿试件初始裂缝延伸方向的应变。

夹式引伸计也粘贴固定在混凝土基岩试件表面，用于测量试件初始裂缝的变形情况。

水密封夹具包括两块水密封钢板、两块硅胶夹垫、螺杆和密封帽20；两块水密封钢板相互平行，且均套装在螺杆上；在每块水密封钢板的内侧面均固定设置一块硅胶夹垫；位于顶部的水密封钢板的中心部位设置有夹具螺纹中心孔，该螺纹中心孔能与试件初始裂缝相贯通。

位于底部的水密封钢板中心部位设置有螺纹密封帽孔，该螺纹密封帽孔与螺纹中心孔同轴设置，且能与密封帽密封配合。

由于硅胶具有很好的压缩性，所以使用硅胶夹垫11具有很好的密封性。

水压加载系统包括水箱、电动调压泵、耐高压导水管和若干个水压力传感器；水箱、电动调压泵、耐高压导水管依次相连接，耐压导水管的另一端水密封夹具中的螺纹中心孔相连接；耐高压导水管的中部以及每根测压导管端部均连接一个水压力传感器。

应变片、夹式引伸计和每个水压力传感器均与计算机相连接。

进一步，水箱中添加有示踪剂。

一种用于模拟混凝土基岩接触面水力劈裂特性的试验方法，包括如下步骤。

步骤1，制模：经过圆盘制作、模具预制裂缝制作、钢片插入和测压导管固定步骤后形成所需模具，具体制模过程为：

1）圆盘制作：准备一个无盖的方形盒体，优选为边长为150mm的立方体。在方形盒体的两个位置相对应的侧壁中心部位切割一对半径相等且优选均为4-6cm的圆盘，并在方形盒体上形成一对圆孔。

2）模具预制裂缝制作：在每个圆盘的中心部位各横向加工一条模具预制裂缝；接着，将加工有模具预制裂缝的圆盘放置在圆孔中，并旋转圆盘，使模具预制裂缝处于预设角度，然后使用胶带将圆盘固定在方形盒体的侧壁上，使圆盘与圆孔之间的缝隙以及模具预制裂缝处均用胶带进行粘贴固定。

3）钢片插入：根据需要，将模具预制裂缝处的胶带划破一个开口，将所需型号的钢片放置在两条模具预制裂缝中。当需要制作一定粗糙度的试件初始裂缝时，需先在钢片的两侧或一侧涂抹一层粘性胶，再在粘性胶上飘洒颗粒状的盐粒，然后将钢片插入模具预制裂缝中。

4）测压导管固定：将开设有若干个预制孔洞的塑料板粘接固定在方形盒体的顶部开口端面中心部位，每个预制孔洞中插入一根测压导管，每根测压导管的底部均伸入方形盒体内，并与钢片的上表面接触；每根测压导管内均插入一根位置固定的钢棒。

步骤2，混凝土基岩试件形成：具体形成过程为。

1）混凝土浇筑：将搅拌后的混凝土浇筑在步骤1的模具中，在添加混凝土的同时进行振捣拌，直至振捣之后的混凝土与插入模具中的钢片顶面相齐平。

2）浇筑水泥砂浆：当混凝土与钢片顶面齐平后，浇筑水泥砂浆至模具顶部开口端面相齐平，浇筑同时进行振捣；然后，养护到初凝后，拔出钢片和钢棒，将方形盒体拆除，并养护，即形成带有试件初始裂缝的混凝土基岩试件。

混凝土基岩试件制作完成后，检查试件的试件初始裂缝有无堵塞，测压导管3有无松动，如果没有上述情况继续在室内养护至28d，否则重新再模具中浇筑。

另外，为便于脱模，在浇筑前，在模具内壁和钢片上涂覆有脱模剂。模具放置在振捣仪上振捣时需要用手握住测压导管3和钢棒19，防止振捣过程中测压导管3和钢棒19移位。

步骤3，应变片和夹式引伸计布置：将应变片沿试件初始裂缝延伸方向进行粘贴固定在混凝土基岩试件表面，相邻两片应变片之间的间隔距离相等；将夹式引伸计分别布置在试件初始预制裂缝中部位置和试件初始裂缝尖端位置。

应变片长优选为20mm、宽优选为5mm，将应变片13沿着预制裂缝尖端方向，用高强度粘性胶水每间隔1cm粘贴布置一个。

步骤4，装样：将粘贴有应变片且养护完成的混凝土基岩试件放置在水密封夹具的两块橡胶夹垫之间，使混凝土基岩试件的其中一条试件初始裂缝与水密封夹具中的夹具螺纹中心孔相对应，拧紧螺杆上的螺母，将混凝土基岩试件夹紧固定在水密封夹具中。

将养护28d试样安装到水密封夹具中，安装之前需要用砂纸将模具预制裂缝15所在的一对平面打磨光滑平整。

步骤5，试验：将水压加载系统中的耐高压导水管与夹具螺纹孔中心孔连接，耐高压导水管中部安装一个水压力传感器；将每根测压导管的尾端各连接一个水压力传感器；将每片应变片、夹式引伸计和每个水压力传感器均与计算机相连接；开启计算机和水压加载系统，控制电动调压泵的加载速率，将耐高压导水管、试件初始裂缝中的空气排出，暂停电动调压泵送水；将电动调压泵的压力值清零，开始混凝土基岩试件的水力劈裂特性试验，并记录混凝土基岩试件内的水压力值、应变位移值。

所述步骤5中，在开启计算机和水压加载系统前，在水压加载系统的水箱内加入示踪剂，然后，开启计算机和水压加载系统，控制电动调压泵的加载速率，将耐高压导水管、试件初始裂缝中的空气排出，空气排净后使用密封帽将水密封夹具底部密封。

本发明示踪剂在加载水压力时，加入到水箱中，经由耐高压导水管流入到试件中，显示裂缝扩展的轨迹。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。