本發(fā)明涉及一種水力劈裂特性分析的試驗裝置和試驗方法，特別是一種用于模擬混凝土基巖接觸面水力劈裂特性的試驗裝置和試驗方法。

背景技術：

隨著我國筑壩技術迅猛發(fā)展，一大批高混凝土壩已投入運行或即將建設?；鶐r是經(jīng)過長期的堆積演化形成的，混凝土壩體是由人工材料采用一定的澆筑方法短期內形成的，由于受溫度、澆筑技術、接觸面效應等的影響不可避免的會在混凝土壩體與基巖的接觸面之間形成裂縫，混凝土與壩基接觸面裂縫中充斥著水壓力，裂縫在高水壓作用下會進一步擴展，降低混凝土壩體與壩基的膠結能力，嚴重影響壩體的穩(wěn)定性，可能引發(fā)壩體滑動、垮壩等事故。因此，研究混凝土基巖接觸面的水力劈裂特性具有工程應用價值和理論意義。

已有的研究一般采用中空的圓柱形混凝土或水泥砂漿試件開展混凝土或巖體水力劈裂試驗研究，對混凝土-壩基接觸面這一薄弱層面開展室內試驗的研究較少。且大壩在實際運行過程中，裂縫擴展受諸多因素的影響，例如初始裂縫寬度、裂縫傾斜角度、裂縫粗糙程度等。

為了研究混凝土壩體與基巖接觸面間的水力劈裂特性，有必要對傳統(tǒng)水力劈裂試驗裝置進行改進，開發(fā)一種可用于模擬混凝土基巖接觸面水力劈裂特性的試驗裝置。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術的不足，而提供一種用于模擬混凝土基巖接觸面水力劈裂特性的試驗裝置，該用于模擬混凝土基巖接觸面水力劈裂特性的試驗裝置簡易方便，且可真試反映不同材料接觸面間裂縫擴展特性。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：

一種用于模擬混凝土基巖接觸面水力劈裂特性的試驗裝置，包括模具、鋼片、測壓導管、水密封夾具、水壓加載系統(tǒng)、應變片、夾式引伸計和計算機。

模具用于混凝土基巖試件的制備，混凝土基巖試件在混凝土基巖接觸面處具有試件初始裂縫。

模具包括底板和四個側壁，側壁與底板可拆卸連接；四個側壁與底板圍合形成中心容腔，中心容腔的形狀與混凝土基巖試件的形狀相同。

模具的兩個位置相對應的側壁中心部位各設置有一個圓孔，每個圓孔內設置有一個能夠旋轉的圓盤，每個圓盤的中心均設置有一條與試件初始裂縫形狀相同的模具預制裂縫。

鋼片能放置在兩條模具預制裂縫中并能從兩條模具預制裂縫中移除。

模具的頂部開口端面中心部位設置有一塊條狀且能移除的塑料板，該塑料板沿模具預制裂縫方向布置；塑料板沿長度方向設置有若干個預制孔洞；每個預制孔洞內均設置有一根測壓導管，每根測壓導管的一端均伸入模具中且與鋼片相接觸；每根測壓導管內均設置有一根位置固定且能移除的鋼棒。

應變片粘貼固定在混凝土基巖試件上，用于測試混凝土基巖試件沿試件初始裂縫延伸方向的應變。

夾式引伸計也粘貼固定在混凝土基巖試件表面，用于測量試件初始裂縫的變形情況。

水密封夾具包括兩塊水密封鋼板、兩塊硅膠夾墊、螺桿和密封帽；兩塊水密封鋼板相互平行，且均套裝在螺桿上；在每塊水密封鋼板的內側面均固定設置一塊硅膠夾墊；位于頂部的水密封鋼板的中心部位設置有夾具螺紋中心孔，該螺紋中心孔能與試件初始裂縫相貫通；

位于底部的水密封鋼板中心部位設置有螺紋密封帽孔，該螺紋密封帽孔與螺紋中心孔同軸設置，且能與密封帽密封配合。

水壓加載系統(tǒng)包括水箱、電動調壓泵、耐高壓導水管和若干個水壓力傳感器；水箱、電動調壓泵、耐高壓導水管依次相連接，耐壓導水管的另一端水密封夾具中的螺紋中心孔相連接；耐高壓導水管的中部以及每根測壓導管端部均連接一個水壓力傳感器。

應變片、夾式引伸計和每個水壓力傳感器均與計算機相連接。

所述水箱中添加有示蹤劑。

所述鋼片的兩側或一側設置有粘膠層，粘膠層的外側飄灑有鹽粒層。

所述鋼片的厚度或寬度能夠調整。

本發(fā)明還提供一種用于模擬混凝土基巖接觸面水力劈裂特性的試驗方法，該用于模擬混凝土基巖接觸面水力劈裂特性的試驗方法簡易方便，且可真試反映不同材料接觸面間裂縫擴展特性。

一種用于模擬混凝土基巖接觸面水力劈裂特性的試驗方法，包括如下步驟。

步驟1，制模：經(jīng)過圓盤制作、模具預制裂縫制作、鋼片插入和測壓導管固定步驟后形成所需模具，具體制模過程為。

1）圓盤制作：準備一個無蓋的方形盒體，在方形盒體的兩個位置相對應的側壁中心部位切割一對半徑相等的圓盤，并在方形盒體上形成一對圓孔。

2）模具預制裂縫制作：在每個圓盤的中心部位各橫向加工一條模具預制裂縫；接著，將加工有模具預制裂縫的圓盤放置在圓孔中，并旋轉圓盤，使模具預制裂縫處于預設角度，然后使用膠帶將圓盤固定在方形盒體的側壁上。

3）鋼片插入：將鋼片放置在兩條模具預制裂縫中。

4）測壓導管固定：將開設有若干個預制孔洞的塑料板粘接固定在方形盒體的頂部開口端面中心部位，每個預制孔洞中插入一根測壓導管，每根測壓導管的底部均伸入方形盒體內，并與鋼片的上表面接觸；每根測壓導管內均插入一根位置固定的鋼棒。

步驟2，混凝土基巖試件形成：具體形成過程為。

1）混凝土澆筑：將攪拌后的混凝土澆筑在步驟1的模具中，在添加混凝土的同時進行振搗拌，直至振搗之后的混凝土與插入模具中的鋼片頂面相齊平。

2）澆筑水泥砂漿：當混凝土與鋼片頂面齊平后，澆筑水泥砂漿至模具頂部開口端面相齊平，澆筑同時進行振搗；然后，養(yǎng)護到初凝后，拔出鋼片和鋼棒，將方形盒體拆除，并養(yǎng)護，即形成帶有試件初始裂縫的混凝土基巖試件。

步驟3，應變片和夾式引伸計布置：將應變片沿試件初始裂縫延伸方向進行粘貼固定在混凝土基巖試件表面，相鄰兩片應變片之間的間隔距離相等；將夾式引伸計分別布置在試件初始預制裂縫中部位置和試件初始裂縫尖端位置。

步驟4，裝樣：將粘貼有應變片且養(yǎng)護完成的混凝土基巖試件放置在水密封夾具的兩塊橡膠夾墊之間，使混凝土基巖試件的其中一條試件初始裂縫與水密封夾具中的夾具螺紋中心孔相對應，擰緊螺桿上的螺母，將混凝土基巖試件夾緊固定在水密封夾具中。

步驟5，試驗：將水壓加載系統(tǒng)中的耐高壓導水管與夾具螺紋孔中心孔連接，耐高壓導水管中部安裝一個水壓力傳感器；將每根測壓導管的尾端各連接一個水壓力傳感器；將每片應變片、夾式引伸計和每個水壓力傳感器均與計算機相連接；開啟計算機和水壓加載系統(tǒng)，控制電動調壓泵的加載速率，將耐高壓導水管、試件初始裂縫中的空氣排出，暫停電動調壓泵送水；調節(jié)電動調壓泵的壓力值，開始混凝土基巖試件的水力劈裂特性試驗，并記錄混凝土基巖試件內的水壓力值、應變位移值。

所述步驟5中，在開啟計算機和水壓加載系統(tǒng)前，在水壓加載系統(tǒng)的水箱內加入示蹤劑，開啟計算機和水壓加載系統(tǒng)，控制電動調壓泵的加載速率，將耐高壓導水管、試件初始裂縫中的空氣排出，使用密封帽將水密封夾具底部密封。

所述步驟1中，鋼片在放置進兩條模具預制裂縫前，先在鋼片的兩側或一側涂抹一層粘性膠，再在粘性膠上飄灑顆粒狀的鹽粒。

所述步驟1中，鋼片在放置進兩條模具預制裂縫前，鋼片具有不同的寬度或厚度。

本發(fā)明采用上述結構和方法后，與現(xiàn)有相比，具有如下優(yōu)點：

⒈可以根據(jù)試驗的需要，進行不同裂縫寬度、裂縫厚度、裂縫粗糙度組合工況下的混凝土與基巖接觸面間的水力劈裂特性試驗。

⒉試驗過程中在水箱中加入染色劑，用于顯示初始裂縫的裂縫擴展的軌跡。

3.旋轉圓盤可便捷的實現(xiàn)不同角度的預制初始裂縫，可研究裂縫角度對水力劈裂特性的影響。

4試驗獲得的縫內水壓值、裂縫應變值、外荷載等數(shù)據(jù)可通過儀器全自動的采集，并保存。

5.在傳統(tǒng)水力劈裂試驗中采用的密封裝置基礎上進行了改進，該進后的密封裝置不僅增加了密封的效果，而且裝載試件的過程簡單快捷，提高了試驗工作效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明模具的結構示意圖。

圖2為水密封夾具的結構示意圖。

圖3為鋼片示意圖。

圖4為模具預制裂縫示意圖。

圖5為應變片、夾式引伸計位置示意圖。

圖6為水壓力傳感器示意圖。

圖7為測壓導管中插入鋼棒示意圖。

圖8為塑料扎口示意圖。

其中有：1模具的俯視方向；2模具；3測壓導管；4塑料板；5模具預制裂縫；6圓盤；7鋼片；8水密封夾具；9螺桿；10水密封鋼板；11硅膠夾墊；12耐高導水管；13應變片；14夾式引伸計；15試件初始裂縫；16壓力傳感器接頭；17水壓力傳感器；18塑料扎口；19鋼棒；20密封帽。

具體實施方式

下面結合附圖和具體較佳實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

如圖1至圖8所示，一種用于模擬混凝土基巖接觸面水力劈裂特性的試驗裝置，包括模具2、鋼片7、測壓導管3、水密封夾具8、水壓加載系統(tǒng)、應變片13、夾式引伸計14和計算機。

模具用于混凝土基巖試件的制備，混凝土基巖試件在混凝土基巖接觸面處具有試件初始裂縫。

模具包括底板和四個側壁，側壁與底板可拆卸連接；四個側壁與底板圍合形成中心容腔，中心容腔的形狀與混凝土基巖試件的形狀相同。

模具優(yōu)選由塑料材料制成，模具優(yōu)選為一個方形盒體，本申請中優(yōu)選為一個立方體的盒體，立方體的盒體邊長優(yōu)選為150mm。

模具的兩個位置相對應的側壁中心部位各設置有一個圓孔，每個圓孔內設置有一個能夠旋轉的圓盤，圓盤的半徑優(yōu)選為4-6cm。

每個圓盤的中心均設置有一條與試件初始裂縫形狀相同的模具預制裂縫5，模具預制裂縫的寬度優(yōu)選為6mm。

鋼片能放置在兩條模具預制裂縫中并能從兩條模具預制裂縫中移除。鋼片的兩側或一側設置有粘膠層，粘膠層的外側飄灑有鹽粒層。

進一步，上述鋼片的厚度或寬度優(yōu)選能夠調整。鋼片有不同的規(guī)格例如：長200mm、厚1.8mm、寬50mm一側為鍥形刀刃狀鋼片；長200mm、厚1.8mm、寬40mm一側為鍥形刀刃狀鋼片；長200mm、厚1.8mm、寬60mm一側為鍥形刀刃狀鋼片；長200mm、厚3.6mm、寬50mm一側為鍥形刀刃狀鋼片；長200mm、厚5.4mm、寬50mm一側為鍥形刀刃狀鋼片；長200mm、厚1.8mm、寬50mm一側為鍥形刀刃狀表面帶有粗顆粒的鹽粒鋼片。根據(jù)試驗目的插入不同規(guī)格的鋼片可以研究變縫寬、縫厚、粗糙度接觸面間水力劈裂特性。

另外，將同一規(guī)格的鋼片7插入圓盤6預制的模具預制裂縫5中，通過旋轉圓盤6可以進行不同傾斜角裂縫水力劈裂特性試驗。

模具的頂部開口端面中心部位設置有一塊條狀且能移除的塑料板4，該塑料板沿模具預制裂縫方向布置；塑料板沿長度方向設置有若干個預制孔洞，預制孔洞的數(shù)量優(yōu)選為3個。

每個預制孔洞內均設置有一根測壓導管，每根測壓導管的一端均伸入模具中且與鋼片相接觸。

每根測壓導管內均設置有一根位置固定且能移除的鋼棒。

每根測壓導管的內徑優(yōu)選為2mm，長度優(yōu)選為120mm。測壓導管3在插入到模具2中預制孔洞前，將塑料扎口18扎在彎管一半位置處，將多余的部分剪除，并用高強度粘性膠水粘好。具體為將塑料扎口18與塑料扎口一側的測壓導管3插入到模具內側，然后將直徑為1mm的150mm長的鋼棒19插入到塑料彎管3中，埋入到試件的一端要與鋼片7接觸。為了使3根測壓導管3在振搗過程中，保持平衡，使用透明膠帶將3根測壓導管3連接起來。

應變片粘貼固定在混凝土基巖試件上，用于測試混凝土基巖試件沿試件初始裂縫延伸方向的應變。

夾式引伸計也粘貼固定在混凝土基巖試件表面，用于測量試件初始裂縫的變形情況。

水密封夾具包括兩塊水密封鋼板、兩塊硅膠夾墊、螺桿和密封帽20；兩塊水密封鋼板相互平行，且均套裝在螺桿上；在每塊水密封鋼板的內側面均固定設置一塊硅膠夾墊；位于頂部的水密封鋼板的中心部位設置有夾具螺紋中心孔，該螺紋中心孔能與試件初始裂縫相貫通。

位于底部的水密封鋼板中心部位設置有螺紋密封帽孔，該螺紋密封帽孔與螺紋中心孔同軸設置，且能與密封帽密封配合。

由于硅膠具有很好的壓縮性，所以使用硅膠夾墊11具有很好的密封性。

水壓加載系統(tǒng)包括水箱、電動調壓泵、耐高壓導水管和若干個水壓力傳感器；水箱、電動調壓泵、耐高壓導水管依次相連接，耐壓導水管的另一端水密封夾具中的螺紋中心孔相連接；耐高壓導水管的中部以及每根測壓導管端部均連接一個水壓力傳感器。

應變片、夾式引伸計和每個水壓力傳感器均與計算機相連接。

進一步，水箱中添加有示蹤劑。

一種用于模擬混凝土基巖接觸面水力劈裂特性的試驗方法，包括如下步驟。

步驟1，制模：經(jīng)過圓盤制作、模具預制裂縫制作、鋼片插入和測壓導管固定步驟后形成所需模具，具體制模過程為：

1）圓盤制作：準備一個無蓋的方形盒體，優(yōu)選為邊長為150mm的立方體。在方形盒體的兩個位置相對應的側壁中心部位切割一對半徑相等且優(yōu)選均為4-6cm的圓盤，并在方形盒體上形成一對圓孔。

2）模具預制裂縫制作：在每個圓盤的中心部位各橫向加工一條模具預制裂縫；接著，將加工有模具預制裂縫的圓盤放置在圓孔中，并旋轉圓盤，使模具預制裂縫處于預設角度，然后使用膠帶將圓盤固定在方形盒體的側壁上，使圓盤與圓孔之間的縫隙以及模具預制裂縫處均用膠帶進行粘貼固定。

3）鋼片插入：根據(jù)需要，將模具預制裂縫處的膠帶劃破一個開口，將所需型號的鋼片放置在兩條模具預制裂縫中。當需要制作一定粗糙度的試件初始裂縫時，需先在鋼片的兩側或一側涂抹一層粘性膠，再在粘性膠上飄灑顆粒狀的鹽粒，然后將鋼片插入模具預制裂縫中。

4）測壓導管固定：將開設有若干個預制孔洞的塑料板粘接固定在方形盒體的頂部開口端面中心部位，每個預制孔洞中插入一根測壓導管，每根測壓導管的底部均伸入方形盒體內，并與鋼片的上表面接觸；每根測壓導管內均插入一根位置固定的鋼棒。

步驟2，混凝土基巖試件形成：具體形成過程為。

1）混凝土澆筑：將攪拌后的混凝土澆筑在步驟1的模具中，在添加混凝土的同時進行振搗拌，直至振搗之后的混凝土與插入模具中的鋼片頂面相齊平。

2）澆筑水泥砂漿：當混凝土與鋼片頂面齊平后，澆筑水泥砂漿至模具頂部開口端面相齊平，澆筑同時進行振搗；然后，養(yǎng)護到初凝后，拔出鋼片和鋼棒，將方形盒體拆除，并養(yǎng)護，即形成帶有試件初始裂縫的混凝土基巖試件。

混凝土基巖試件制作完成后，檢查試件的試件初始裂縫有無堵塞，測壓導管3有無松動，如果沒有上述情況繼續(xù)在室內養(yǎng)護至28d，否則重新再模具中澆筑。

另外，為便于脫模，在澆筑前，在模具內壁和鋼片上涂覆有脫模劑。模具放置在振搗儀上振搗時需要用手握住測壓導管3和鋼棒19，防止振搗過程中測壓導管3和鋼棒19移位。

步驟3，應變片和夾式引伸計布置：將應變片沿試件初始裂縫延伸方向進行粘貼固定在混凝土基巖試件表面，相鄰兩片應變片之間的間隔距離相等；將夾式引伸計分別布置在試件初始預制裂縫中部位置和試件初始裂縫尖端位置。

應變片長優(yōu)選為20mm、寬優(yōu)選為5mm，將應變片13沿著預制裂縫尖端方向，用高強度粘性膠水每間隔1cm粘貼布置一個。

步驟4，裝樣：將粘貼有應變片且養(yǎng)護完成的混凝土基巖試件放置在水密封夾具的兩塊橡膠夾墊之間，使混凝土基巖試件的其中一條試件初始裂縫與水密封夾具中的夾具螺紋中心孔相對應，擰緊螺桿上的螺母，將混凝土基巖試件夾緊固定在水密封夾具中。

將養(yǎng)護28d試樣安裝到水密封夾具中，安裝之前需要用砂紙將模具預制裂縫15所在的一對平面打磨光滑平整。

步驟5，試驗：將水壓加載系統(tǒng)中的耐高壓導水管與夾具螺紋孔中心孔連接，耐高壓導水管中部安裝一個水壓力傳感器；將每根測壓導管的尾端各連接一個水壓力傳感器；將每片應變片、夾式引伸計和每個水壓力傳感器均與計算機相連接；開啟計算機和水壓加載系統(tǒng)，控制電動調壓泵的加載速率，將耐高壓導水管、試件初始裂縫中的空氣排出，暫停電動調壓泵送水；將電動調壓泵的壓力值清零，開始混凝土基巖試件的水力劈裂特性試驗，并記錄混凝土基巖試件內的水壓力值、應變位移值。

所述步驟5中，在開啟計算機和水壓加載系統(tǒng)前，在水壓加載系統(tǒng)的水箱內加入示蹤劑，然后，開啟計算機和水壓加載系統(tǒng)，控制電動調壓泵的加載速率，將耐高壓導水管、試件初始裂縫中的空氣排出，空氣排凈后使用密封帽將水密封夾具底部密封。

本發(fā)明示蹤劑在加載水壓力時，加入到水箱中，經(jīng)由耐高壓導水管流入到試件中，顯示裂縫擴展的軌跡。

以上詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術構思范圍內，可以對本發(fā)明的技術方案進行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護范圍。