岩土体大掺量膨胀水泥浆膨胀过程可视化装置及使用方法与流程

本发明涉及土木工程实验领域，具体地指一种岩土体大掺量膨胀水泥浆膨胀过程可视化装置及使用方法。

背景技术：

膨胀剂在当今建筑施工中的应用很广泛，它的主要功能是补偿混凝土硬化过程中的干缩和冷缩，为改善工程中混凝土的一些相关性能，膨胀剂可以应用于与防水有关的地下、水工、海工、地铁、隧道等钢筋混凝土结构工程，在使用过程中提高混凝土的密实性、抗渗性、耐磨性，以及对钢筋的握裹力等。现阶段膨胀水泥浆在支护工程中逐渐开始应用，可以将膨胀水泥浆用于锚杆锚固体，利用其侧向膨胀性能提高锚杆抗拔力，该应用在岩体和土体锚固技术方面有着显著的经济效益，但在膨胀剂的使用中，对质量方面有严格要求，过高过低都不利于工程的使用，甚至有可能超过预期的效果，因此需结合实际工程概况而设计膨胀剂的含量，而在不同膨胀剂含量和不同的外力作用下的膨胀水泥浆对围岩的影响过程，是工程设计中无法预测的，也是施工人员比较关注的问题，因此不同膨胀剂含量的水泥浆在不同条件下的膨胀过程可视化对膨胀水泥浆广泛应用有极高的工程研究价值，然而在实际工程中，大掺量膨胀水泥浆的膨胀过程还没有具体的可视化装置和观察方法，不利于人们研究不同土壤密实度或地应力条件下三主体（锚杆、锚固体、土壤体或岩体）两界面（三主体之间界面）破坏模式及演化规律。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种岩土体大掺量膨胀水泥浆膨胀过程可视化装置及使用方法，以直接观察大掺量膨胀水泥浆在不同的条件下的膨胀过程，实现不同土壤密实度或地应力条件下不同膨胀剂含量水泥浆随时间变化及锚杆拉拔试验破坏模式的全程可视化，有利于研究不同土壤密实度或地应力条件下三主体两界面破坏模式及演化规律。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种岩土体大掺量膨胀水泥浆膨胀过程可视化装置，包括用于盛装土壤或岩样的长方体箱体，所述长方体箱体顶部开放，底部封闭；

所述长方体箱体其中一侧面开放并安装有钢化玻璃，所述钢化玻璃外表面设有刻度尺，所述钢化玻璃内侧面设有用于添加膨胀水泥浆的管材，所述管材内设有锚杆，所述锚杆上设有压力传感器和应变片，所述压力传感器和应变片输出端与数据采集系统连接；

所述长方体箱体顶部通过支撑架体与安装板连接，所述安装板底部与千斤顶固定端连接，所述支撑架体内部设有与长方体箱体顶部开口相匹配的承压板，千斤顶伸缩端紧贴承压板上表面。

优选地，所述管材为半圆环形钢管结构，所述承压板与管材接触的一侧设有与管材外形相吻合的半圆形凹槽。

优选地，所述锚杆由圆柱形杆和半圆柱形杆组成，所述半圆柱形杆的外圆弧面开设有安装压力传感器和应变片的槽子，所述圆柱形杆位于钢化玻璃顶部，所述半圆柱形杆的矩形面紧贴钢化玻璃内侧面。

优选地，所述长方体箱体为钢板材料焊接而成，所述支撑架体包括焊接于长方体箱体顶部四角位置的四根螺纹钢柱，所述螺纹钢柱顶部通过螺母与安装板连接。

优选地，所述安装板底部还竖向安装有四根用于限制千斤顶发生侧向移动的限位钢柱。

优选地，所述钢化玻璃为矩形，锚杆紧贴钢化玻璃内侧且与其竖直中心线重合。

更为优选地，刻度尺包括竖向刻度尺和横向刻度尺，其中竖向刻度尺与钢化玻璃外侧竖直中心线重合，横向刻度尺水平设置多个且与竖向刻度尺互相垂直。

另外，本发明还提供所述的岩土体大掺量膨胀水泥浆膨胀过程可视化装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1）：在长方体箱体其中一侧面安装钢化玻璃，在钢化玻璃外表面设置刻度尺，将管材安装于钢化玻璃内侧面，锚杆伸入到管材内，并将锚杆上的压力传感器和应变片输出端与数据采集系统连接；

步骤2）：在钢化玻璃内表面涂一层润滑油，以降低大掺量膨胀水泥在膨胀过程中的摩阻力，然后向长方体箱体内灌满土壤或放入切割好的完整岩样，然后将承压板放在土壤或岩样表面，通过千斤顶对承压板施加不同的压力使土壤或岩样达到不同的密实度及不同地应力，记录施加的压力最大值；

步骤3）：根据试验需求配制不同含量膨胀水泥浆，灌入管材内，在灌浆顶部用普通水泥浆封口，完成后抽出管材；

步骤4）：通过可视化的钢化玻璃观察竖向和横向土壤或岩样与膨胀水泥浆接触的初始位置，并通过刻度尺读出，记录数据，作为土壤或岩样膨胀前的初始数据；将高清摄像机正对钢化玻璃可视面，录像后将视频输入计算机中，每隔一定时间观察并记录竖向和横向土壤或岩样的位置，即土壤或岩样膨胀应变，而后绘制在不同土壤密实度条件下不同膨胀剂含量的水泥浆土壤膨胀应变随时间变化的曲线图，以及不同地应力条件下不同膨胀剂含量的水泥浆岩体膨胀应变随时间变化的曲线图；

步骤5）：通过数据采集系统采集压力数据，每隔一段时间采集灌注膨胀水泥浆后的压力数据，即膨胀压应力，绘制出不同膨胀剂含量的水泥浆压应力随时间变化的曲线图；

步骤6）：养护多天后，对锚杆进行拉拔试验，并通过摄像机记录锚固体的破坏及发生位移的情况，并通过应变片及压力传感器测量试验数据，将所有数据绘制成图表，得到抗拔力随膨胀剂含量变化的规律。

本发明的有益效果：

1、本发明装置调控性好，可模拟不同赋存条件，从而开展不同赋存条件下的岩土锚拉拔试验；可以得到在不同土壤密实度条件下或不同地应力条件下不同膨胀剂含量的锚固系统随时间变化规律，以及不同土壤密实度条件下或不同地应力条件下三主体（锚杆、锚固体、土壤体或岩体）两界面（三主体之间界面）破坏模式及演化规律、最终得到抗拔力随膨胀剂含量变化的规律。

2、该装置可以通过横向、竖向刻度尺及phantom高速摄像机，实现蠕变可视化，可反映出真实岩土体环境中在大掺量膨胀水泥浆作用下的变化；

3、锚杆换成非金属材料后可采用螺旋ct机扫描测试，定量研究拉拔过程中三主体两界面的破坏过程；

4、可研究不同土体条件下，不同地应力条件下，锚杆抗拔力随膨胀剂含量的变化规律，锚固体的界面正应力、剪应力、轴力的分布规律；

5、该装置可循环使用，结构简单，材料易得，易操作，大幅节约试验成本及周期，环境效益显著。

附图说明

图1为一种岩土体大掺量膨胀水泥浆膨胀过程可视化装置的结构示意图；

图2为图1中锚杆的结构示意图；

图3为图2的另一视角结构示意图；

图中，长方体箱体1、钢化玻璃2、刻度尺3、竖向刻度尺3.1、横向刻度尺3.2、管材4、锚杆5、圆柱形杆5.1、半圆柱形杆5.2、槽子5.3、支撑架体6、螺纹钢柱6.1、螺母6.2、安装板7、限位钢柱7.1、承压板8。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，一种岩土体大掺量膨胀水泥浆膨胀过程可视化装置，包括用于盛装土壤或岩样的长方体箱体1，所述长方体箱体1顶部开放，底部封闭；

所述长方体箱体1其中一侧面开放并安装有钢化玻璃2，所述钢化玻璃2外表面设有刻度尺3，所述钢化玻璃2内侧面设有用于添加膨胀水泥浆的管材4，所述管材4内设有锚杆5，所述锚杆5上设有压力传感器和应变片，所述压力传感器和应变片输出端与数据采集系统连接；

所述长方体箱体1顶部通过支撑架体6与安装板7连接，所述安装板7底部与千斤顶固定端连接，所述支撑架体6内部设有与长方体箱体1顶部开口相匹配的承压板8，千斤顶伸缩端紧贴承压板8上表面。

优选地，所述管材4为半圆环形钢管结构，所述承压板8与管材4接触的一侧设有与管材4外形相吻合的半圆形凹槽。这种设计使得承压板8受压时不会影响管材4。

优选地，如图2和3所示，所述锚杆5由圆柱形杆5.1和半圆柱形杆5.2组成，所述半圆柱形杆5.2的外圆弧面开设有安装压力传感器和应变片的槽子5.3，所述圆柱形杆5.1位于钢化玻璃2顶部，所述半圆柱形杆5.2的矩形面紧贴钢化玻璃2内侧面。这种设计有两个原因，一是半圆柱形杆5.2的矩形面可以紧贴钢化玻璃2内侧面，灌注的膨胀水泥浆不会将锚杆5整体都包围，留下半圆柱形杆5.2的矩形面可以作为参照位置，以方便观察测量锚固体及两侧土以锚杆5为中心向两侧发生的位移；二是压力传感器和应变片安装在半圆柱形杆5.2的外圆弧面以后，压力传感器就可以准确测试膨胀挤压的力，应变片准确测试锚杆5在拉拔过程中及挤压过程的应变变形。

优选地，所述长方体箱体1为钢板材料焊接而成，所述支撑架体6包括焊接于长方体箱体1顶部四角位置的四根螺纹钢柱6.1，所述螺纹钢柱6.1顶部通过螺母6.2与安装板7连接。

优选地，所述安装板7底部还竖向安装有四根用于限制千斤顶发生侧向移动的限位钢柱7.1。

优选地，所述钢化玻璃2为矩形，锚杆5紧贴钢化玻璃2内侧且与其竖直中心线重合。

更为优选地，刻度尺3包括竖向刻度尺3.1和横向刻度尺3.2，其中竖向刻度尺3.1与钢化玻璃2外侧竖直中心线重合，横向刻度尺3.2水平设置多个且与竖向刻度尺3.1互相垂直。优选地，刻度尺3为千分刻度尺。

另外，本发明还提供所述的岩土体大掺量膨胀水泥浆膨胀过程可视化装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1）：在长方体箱体1其中一侧面安装钢化玻璃2，在钢化玻璃2外表面设置刻度尺3，将管材4安装于钢化玻璃2内侧面，锚杆5伸入到管材4内，并将锚杆5上的压力传感器和应变片输出端与数据采集系统连接；

步骤2）：在钢化玻璃2内表面涂一层润滑油，以降低大掺量膨胀水泥在膨胀过程中的摩阻力，然后向长方体箱体1内灌满土壤或放入切割好的完整岩样，然后将承压板8放在土壤或岩样表面，通过千斤顶对承压板8施加不同的压力使土壤或岩样达到不同的密实度及不同地应力，记录施加的压力最大值；

步骤3）：根据试验需求配制不同含量膨胀水泥浆，灌入管材4内，在灌浆顶部用普通水泥浆封口，完成后抽出管材4；

步骤4）：通过可视化的钢化玻璃2观察竖向和横向土壤或岩样与膨胀水泥浆接触的初始位置，并通过刻度尺3读出，记录数据，作为土壤或岩样膨胀前的初始数据；将高清摄像机正对钢化玻璃2可视面，录像后将视频输入计算机中，每隔一定时间观察并记录竖向和横向土壤或岩样的位置，即土壤或岩样膨胀应变，而后绘制在不同土壤密实度条件下不同膨胀剂含量的水泥浆土壤膨胀应变随时间变化的曲线图，以及不同地应力条件下不同膨胀剂含量的水泥浆岩体膨胀应变随时间变化的曲线图；

步骤5）：通过数据采集系统采集压力数据，每隔一段时间采集灌注膨胀水泥浆后的压力数据，即膨胀压应力，绘制出不同膨胀剂含量的水泥浆压应力随时间变化的曲线图；

步骤6）：养护多天后，对锚杆5进行拉拔试验，并通过摄像机记录锚固体的破坏及发生位移的情况，并通过应变片及压力传感器测量试验数据，将所有数据绘制成图表，可以得到在不同土壤密实度条件下或不同地应力条件下不同膨胀剂含量的锚固系统随时间变化规律，以及不同土壤密实度条件下或不同地应力条件下三主体（锚杆、锚固体、土壤体或岩体）两界面（三主体之间界面）破坏模式及演化规律，最终得到抗拔力随膨胀剂含量变化的规律。

分别以土壤和岩样的实施过程作为实施例1和实施例2。

实施例1

步骤1）：在长方体箱体1其中一侧面安装钢化玻璃2，在钢化玻璃2外表面设置刻度尺3，将管材4安装于钢化玻璃2内侧面，锚杆5伸入到管材4内，并将锚杆5上的压力传感器和应变片输出端与数据采集系统连接；本实施例刻度尺3包括竖向刻度尺3.1和横向刻度尺3.2，其中竖向刻度尺3.1与钢化玻璃2外侧竖直中心线重合，横向刻度尺3.2水平设置三个且与竖向刻度尺3.1互相垂直；管材4为半圆环形钢管结构，锚杆5由圆柱形杆5.1和半圆柱形杆5.2组成，半圆柱形杆5.2的外圆弧面等间距开设有安装压力传感器和应变片的槽子5.3，圆柱形杆5.1位于钢化玻璃2顶部，所述半圆柱形杆5.2的矩形面紧贴钢化玻璃2内侧面；

步骤2）：在钢化玻璃2内表面涂一层润滑油，以降低大掺量膨胀水泥在膨胀过程中的摩阻力，然后向长方体箱体1内灌满土壤，然后将承压板8放在土壤表面，通过千斤顶对承压板8施加不同的压力使土壤达到不同的密实度及不同地应力，记录施加的压力最大值，本实施例施加30kn的压力；

步骤3）：根据试验需求配制不同含量膨胀水泥浆，灌入管材4内，在灌浆顶部用普通水泥浆封口，完成后抽出管材4；本实施例中，配制不同含量膨胀水泥浆时，用电子秤称取3组标号为42.5的水泥，重量分别为1700克、1500克、1300克，分别称量300克、500克、700克膨胀剂；称取三组温水（50摄氏度左右），每组600克；依次将水泥、膨胀剂及温水混合，配置成膨胀剂含量为15％、25％、35％的膨胀水泥浆。

步骤4）：通过可视化的钢化玻璃2观察竖向和横向土壤与膨胀水泥浆接触的初始位置，并通过刻度尺3读出，记录数据，作为土壤膨胀前的初始数据；将高清摄像机正对钢化玻璃2可视面，录像后将视频输入计算机中，每隔一定时间观察并记录竖向和横向土壤或岩样的位置，即土壤膨胀应变，而后绘制在不同土壤密实度条件下不同膨胀剂含量的水泥浆土壤膨胀应变随时间变化的曲线图；具体实施过程如下：在灌注膨胀水泥浆后1小时，每隔10分钟观察膨胀水泥浆的膨胀情况并记录，在1到12小时之间，每隔1小时观察数据并记录，在12到48小时之间，每隔6小时观察其数据，后一个星期，每天观察一次并记录数据，记录竖向和横向土壤的位置，即土壤膨胀应变，而后绘制不同膨胀剂含量的水泥浆土壤膨胀应变随时间变化的曲线图；

步骤5）：通过数据采集系统采集压力数据，每隔一段时间采集灌注膨胀水泥浆后的压力数据，即膨胀压应力，绘制出不同膨胀剂含量的水泥浆压应力随时间变化的曲线图；本实施例中，需要根据采集的压力数据进行计算得到膨胀压应力数据，绘制不同膨胀剂质量含量的膨胀水泥浆压应力随时间变化图像；

步骤6）：养护28天后，对锚杆5进行拉拔试验，并通过摄像机记录锚固体的破坏及发生位移的情况，并通过应变片及压力传感器测量试验数据，可以通过影像记录观察对比某一点从开始拉拔到结束的变化情况。

实施例2

步骤1）：在长方体箱体1其中一侧面安装钢化玻璃2，在钢化玻璃2外表面设置刻度尺3，将管材4安装于钢化玻璃2内侧面，锚杆5伸入到管材4内，并将锚杆5上的压力传感器和应变片输出端与数据采集系统连接；本实施例刻度尺3包括竖向刻度尺3.1和横向刻度尺3.2，其中竖向刻度尺3.1与钢化玻璃2外侧竖直中心线重合，横向刻度尺3.2水平设置三个且与竖向刻度尺3.1互相垂直；管材4为半圆环形钢管结构，锚杆5由圆柱形杆5.1和半圆柱形杆5.2组成，半圆柱形杆5.2的外圆弧面等间距开设有安装压力传感器和应变片的槽子5.3，圆柱形杆5.1位于钢化玻璃2顶部，所述半圆柱形杆5.2的矩形面紧贴钢化玻璃2内侧面；

步骤2）：在钢化玻璃2内表面涂一层润滑油，以降低大掺量膨胀水泥在膨胀过程中的摩阻力，然后向长方体箱体1内放入切割好的完整岩样，然后将承压板8放在岩样表面，通过千斤顶对承压板8施加不同的压力使岩样达到不同的密实度及不同地应力，记录施加的压力最大值；本实施例分别对三个装置施加30kn、40kn、50kn的压力；

步骤3）：根据试验需求配制不同含量膨胀水泥浆，灌入管材4内，在灌浆顶部用普通水泥浆封口，完成后抽出管材4；本实施例中，用电子秤称取3组标号为42.5的水泥1700克，称量300克膨胀剂，称取温水（50摄氏度左右）600克，依次将水泥、膨胀剂及温水混合，配置成膨胀剂含量为15％的膨胀水泥浆，将膨胀水泥浆分别向不同可视装置中的管材4内浇注；

步骤4）：通过可视化的钢化玻璃2观察竖向和横向土壤或岩样与膨胀水泥浆接触的初始位置，并通过刻度尺3读出，记录数据，作为土壤或岩样膨胀前的初始数据；将高清摄像机正对钢化玻璃2可视面，录像后将视频输入计算机中，每隔一定时间观察并记录竖向和横向土壤或岩样的位置，即土壤或岩样膨胀应变，而后绘制在不同土壤密实度条件下不同膨胀剂含量的水泥浆土壤膨胀应变随时间变化的曲线图，以及不同地应力条件下不同膨胀剂含量的水泥浆岩体膨胀应变随时间变化的曲线图；具体实施过程如下：在灌注膨胀水泥浆后1小时，每隔10分钟观察膨胀水泥浆的膨胀情况，并记录，在1到12小时之间，每隔1小时观察数据并记录，在12到48小时之间，每隔6小时观察其数据，后一个星期，每天观察一次并记录数据，记录竖向和横向岩样的位置，即岩样膨胀应变，而后绘制不同地应力情况的水泥浆岩样膨胀应变随时间变化的曲线图；

步骤5）：通过数据采集系统采集压力数据，每隔一段时间采集灌注膨胀水泥浆后的压力数据，即膨胀压应力，绘制在不同土质条件下膨胀水泥浆压应力随时间变化图像；

步骤6）：养护28天后，对锚杆5进行拉拔试验，并通过摄像机记录锚固体的破坏及发生位移的情况，并通过应变片及压力传感器测量试验数据，可以通过影像记录观察对比某一点从开始拉拔到结束的变化情况。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。