[發(fā)明專利]一種粘土心墻水力劈裂試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

有效

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• 申請日: 2013-07-18
• 公開（公告）號: CN103389249A
• 公開（公告）日: 2013-11-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 甘磊;沈振中;徐力群;王瑞;仲良;陶小虎
• 申請（專利權(quán)）人: 河海大學(xué)
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01N1/28
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 虞希光

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種模擬耦合條件下粘土心墻水力劈裂試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)

在已建和在建的高土石壩工程中，一般采用粘土作為防滲材料，而粘土料和壩殼料的力學(xué)性質(zhì)差異較大，因此，很有必要通過試驗(yàn)研究粘土心墻水力劈裂的發(fā)生機(jī)理。目前，水力劈裂試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)方式可分為室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)和模型試驗(yàn)。其中，室內(nèi)試驗(yàn)一般采用中心開孔(圓柱形孔)或開縫(“信封”形裂縫)的圓柱體試樣(厚壁或薄壁圓筒)或長方體試樣，在試樣的中心孔或狹縫中注水，直至試樣被劈開，以此來探討水力劈裂的發(fā)生條件、裂縫的發(fā)展形態(tài)及其影響因素等。室內(nèi)試驗(yàn)便于準(zhǔn)確控制試驗(yàn)條件，可重復(fù)性強(qiáng)，因此被廣泛應(yīng)用，且取得了一些成果。

但是，現(xiàn)有的土石壩心墻水力劈裂室內(nèi)試驗(yàn)仍存在以下缺陷：①粘土試樣在中心開孔或開縫過程中，或者制備好的試樣在搬移過程中，極易引起試樣變形、強(qiáng)度降低和初始應(yīng)力狀態(tài)擾動等；②溫度對土的應(yīng)力應(yīng)變特性影響較大，主要體現(xiàn)在壓縮特性、前期固結(jié)壓力和剪切強(qiáng)度等方面，而傳統(tǒng)試驗(yàn)由于儀器的限制，不能考慮溫度作用的影響；③在往粘土試樣中心孔或預(yù)制裂縫注水的過程中，容易產(chǎn)生徑向壓力，從而使試樣豎向開裂；④試樣與儀器的接觸面往往會產(chǎn)生滲流，從而改變試樣的邊界條件。因此，這些試驗(yàn)不能真實(shí)全面地模擬粘土心墻的特性、受力條件和影響因素等，其成果難以應(yīng)用于實(shí)際土石壩工程中。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有土石壩心墻水力劈裂試驗(yàn)裝置的缺陷，提出一種能模擬耦合條件下的粘土心墻水力劈裂試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，能夠更加真實(shí)地反映粘土心墻的特性、受力條件和影響因素。

本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種粘土心墻水力劈裂試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，包括壓力室頂蓋、剛性圓筒、用于支撐上部結(jié)構(gòu)的壓力室底座、特制試樣模具、粘土試樣內(nèi)部用于施加內(nèi)水壓力的套筒、套筒插槽和用于控制壓力室溫度的通水銅管等。

本發(fā)明所述試樣模具是通過雙半圓柱體組合而成，方便拆模，有利于減輕對試樣初始應(yīng)力狀態(tài)的擾動。

本發(fā)明所述壓力室頂蓋上設(shè)有冷水進(jìn)水孔、冷水出水孔、熱水進(jìn)水孔和熱水出水孔，通過調(diào)節(jié)其控制閥門，改變通水銅管的溫度，進(jìn)而控制壓力室內(nèi)部溫度，實(shí)現(xiàn)溫度場與滲流場和應(yīng)力場的三場耦合環(huán)境。

本發(fā)明所述套筒內(nèi)壁環(huán)繞透水土工布，內(nèi)部填充粗砂，既有利于內(nèi)水壓力的施加，又隔離了粘土試樣和粗砂，且減輕了制樣夯實(shí)過程中粘土對套筒的側(cè)向壓力以及套筒在軸向壓力作用下的變形。

本發(fā)明所述套筒的外徑與套筒插槽的內(nèi)徑相同，通過套筒底部螺紋和套筒插槽螺紋將兩者緊密連接，且在兩者之間放置中心開小孔的橡膠圈，起到良好的密封作用。

本發(fā)明所述壓力室底座上設(shè)有注水孔和圍壓進(jìn)水孔，分別施加內(nèi)、外水壓力。注水孔與底座中心、套筒插槽中心和橡膠圈中心相通，通過套筒上的噴水孔施加內(nèi)水壓力。?

本發(fā)明所述套筒直徑取50mm。

本發(fā)明所述套筒高度取400mm。

本發(fā)明所述試驗(yàn)方法，步驟如下：

1）試件模具的制作：特制兩個半圓柱體鋼模具，通過若干螺栓將該雙半圓柱體模具緊密連接，組合成為內(nèi)部直徑為300mm，高度為600mm的圓柱體。

2）制樣前的準(zhǔn)備：①將壓力室底座置于試驗(yàn)臺上，直接在試驗(yàn)臺上制樣，有效地避免了由于移動試樣而引起其初始應(yīng)力狀態(tài)的擾動或破壞；②緊貼套筒內(nèi)壁環(huán)繞透水土工布，倒置套筒在其內(nèi)填充粗砂，在表面放置透水板。粗砂和透水土工布均具有良好的透水性，粗砂可以承受壓力，防止因軸向壓力過大或者制樣過程中夯實(shí)粘土產(chǎn)生的側(cè)向壓力導(dǎo)致套筒的彎曲變形；透水土工布能有效隔離套筒內(nèi)的粗砂和套筒外的粘土試樣；透水板可以防止粗砂堵塞注水孔；③在套筒插槽中鋪一層橡膠圈，通過套筒底部螺紋和套筒插槽螺紋將套筒旋入套筒插糟中，橡膠圈起密封作用，防止透水；④將連接好套筒的套筒插槽固定在壓力室底座上，使兩者緊密接觸，此時套筒插槽底部圓孔正對注水孔。

3）粘土試樣的制備：①將試樣模具安裝到壓力室底座上，使其與底座和套筒插槽均緊密接觸，然后在其內(nèi)側(cè)包裹一層橡皮膜；②在試樣模具內(nèi)分層填筑粘土，每填筑一層粘土均進(jìn)行夯實(shí)、刨毛等處理，然后再填筑下一層，在試樣上表面放置一塊透水板，試樣可以通過該透水板和與此連接的排水排氣孔進(jìn)行排水；③使模具內(nèi)側(cè)的橡皮膜包裹粘土試樣和透水板，然后輕輕地拆除模具；④安裝剛性圓筒，在其內(nèi)壁環(huán)繞通水銅管，通過控制通水溫度和通水量來控制壓力室內(nèi)部溫度；⑤完成壓力室頂蓋的安裝與緊固、位移傳感器的固定等加載前的準(zhǔn)備工作，使壓力室處于密封狀態(tài)。