[發(fā)明專利]一種混凝土-巖體-噴層接觸面抗剪強(qiáng)度的原位測(cè)試裝置及測(cè)試方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010904530.4
• 申請(qǐng)日: 2020-09-01
• 公開（公告）號(hào): CN112098236A
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曹愛武;吳家耀;褚衛(wèi)江;劉加進(jìn);孟國(guó)濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司
• 主分類號(hào): G01N3/24
• 分類號(hào): G01N3/24;G01N3/02
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務(wù)所有限公司 33100
• 代理人: 劉曉春

1.一種混凝土-巖體-噴層接觸面抗剪強(qiáng)度的原位測(cè)試裝置，其特征在于：所述混凝土-巖體-噴層接觸面抗剪強(qiáng)度的原位測(cè)試裝置包括混凝土箱，所述混凝土箱內(nèi)填充混凝土，所述混凝土箱的兩側(cè)設(shè)有固定裝置，所述固定裝置與混凝土箱之間可拆卸，所述固定裝置固定至巖體或者噴層的表面上；所述混凝土箱的與巖體或者噴層的表面的接觸側(cè)以及與該側(cè)的相對(duì)側(cè)為鏤空面；所述混凝土-巖體-噴層接觸面抗剪強(qiáng)度的原位測(cè)試裝置還包括加壓裝置，所述加壓裝置包括金屬壓板和設(shè)置在金屬壓板上的固定桿，所述固定桿上設(shè)有壓力傳感器，所述壓力傳感器用于測(cè)量施加至金屬壓板上的作用力，所述金屬壓板用于朝向巖體或者噴層的表面抵住混凝土箱內(nèi)的混凝土；

所述混凝土箱包括U形金屬板和金屬蓋板，所述U形金屬板作為混凝土箱的箱體，所述金屬蓋板和U形金屬板的連接位置處交錯(cuò)設(shè)置固定卡扣，所述固定卡扣交錯(cuò)地設(shè)置在金屬蓋板和U形金屬板上，所述固定卡扣內(nèi)穿過轉(zhuǎn)軸；

所述混凝土箱的固定側(cè)上設(shè)有相對(duì)布置的至少一對(duì)限位桿，所述限位桿上設(shè)有固定螺母；所述混凝土-巖體-噴層接觸面抗剪強(qiáng)度的原位測(cè)試裝置的固定裝置包括側(cè)板和固定板，所述側(cè)板垂直地設(shè)置在固定板上，所述側(cè)板上設(shè)有限位槽，所述側(cè)板上的限位槽用于穿過限位桿且以固定螺母將混凝土箱固定至固定裝置的側(cè)板上，所述固定板用于將混凝土箱和側(cè)板固定至巖體或者噴層的表面上。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混凝土-巖體-噴層接觸面抗剪強(qiáng)度的原位測(cè)試裝置，其特征在于：所述固定板上設(shè)有螺孔，所述螺孔內(nèi)設(shè)有穿入至巖體或者噴層的膨脹螺絲。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混凝土-巖體-噴層接觸面抗剪強(qiáng)度的原位測(cè)試裝置，其特征在于：所述混凝土箱的非固定側(cè)中的一側(cè)設(shè)有掛鉤，所述掛鉤用于固定重物或者施加拉力。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混凝土-巖體-噴層接觸面抗剪強(qiáng)度的原位測(cè)試裝置，其特征在于：所述混凝土-巖體-噴層接觸面抗剪強(qiáng)度的原位測(cè)試裝置還設(shè)有擋板，所述擋板固定至固定裝置的側(cè)板上且所述擋板與金屬壓板的平面相平行，所述擋板的中央設(shè)有用于穿過固定桿的限位孔，所述固定桿的底部與金屬壓板之間設(shè)有壓力傳感器，所述固定桿的中部自下而上依次設(shè)有第一螺母、第一墊片、第二墊片和第二螺母，所述第一墊片和第二墊片分別設(shè)置在擋板的兩側(cè)且分別抵住擋板以分別形成第一螺母和第二螺母的限位。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混凝土-巖體-噴層接觸面抗剪強(qiáng)度的原位測(cè)試裝置，其特征在于：所述混凝土-巖體-噴層接觸面抗剪強(qiáng)度的原位測(cè)試裝置還設(shè)有用于穿過固定桿的限位孔，所述擋板固定至固定裝置的側(cè)板上且所述擋板與金屬壓板的平面相平行，所述擋板的中央設(shè)有限位孔，所述固定桿的中部自下而上依次設(shè)有第一螺母、第一墊片、壓力傳感器、第二墊片和第二螺母，所述第一墊片和壓力傳感器設(shè)置在擋板的一側(cè)，所述第二墊片設(shè)置在擋板的另一側(cè)，所述壓力傳感器和第二墊片分別抵住擋板。

6.一種混凝土-巖體-噴層接觸面抗剪強(qiáng)度的原位測(cè)試方法，其特征在于：所述混凝土-巖體-噴層接觸面抗剪強(qiáng)度的原位測(cè)試方法基于權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的混凝土-巖體-噴層接觸面抗剪強(qiáng)度的原位測(cè)試裝置，并包括如下步驟：

(一)混凝土與噴層的接觸面或混凝土與巖體的接觸面處于垂直的情況下，采用如下方法：

1)選定測(cè)試位置：根據(jù)需要測(cè)試的接觸面，選取不受日常施工影響的位置進(jìn)行測(cè)定；

2)固定裝置及混凝土箱安裝：混凝土箱的限位桿通過固定裝置的限位槽，將固定裝置利用膨脹螺絲固定于測(cè)試位置，將混凝土箱固定螺栓擰緊，固定混凝土箱；

3)擋板及加壓裝置固定：加壓裝置的固定桿通過擋板的限位孔，將擋板與固定裝置固定；

4)混凝土澆筑及等強(qiáng)：完成儀器各部分固定后，進(jìn)行混凝土澆筑，混凝土澆筑時(shí)，首先在混凝土箱與加壓裝置的金屬壓板之間設(shè)置一木模板，避免混凝土砂漿從縫隙流出，可在混凝土箱子內(nèi)側(cè)涂油，便于試驗(yàn)完成脫模；打開混凝土箱的金屬蓋板后，將混凝土注入混凝土箱，進(jìn)行振搗后，待混凝土凝固到待測(cè)試齡期；

5)上述步驟根據(jù)測(cè)試需要，可設(shè)置多組同時(shí)進(jìn)行，建議設(shè)置3-4組；

6)接觸面抗剪強(qiáng)度測(cè)試：

i.待混凝土達(dá)到待測(cè)試齡期后，固定好混凝土箱的金屬蓋板，將混凝土箱固定螺栓松開，此時(shí)，混凝土箱在混凝土與測(cè)試面接觸作用下保持穩(wěn)定；若混凝土箱不能維持穩(wěn)定，則說明接觸面粘聚力較低，接觸面粘結(jié)力c_i小于如下值，此情況下，接觸面強(qiáng)度較低，需對(duì)接觸面進(jìn)行處理：

c_i(G_箱+G_混)/S_箱

其中，G_箱為混凝土箱的重力，G_混為混凝土箱中澆筑的混凝土的重力，S_箱為混凝土箱面積，即混凝土與測(cè)試面的接觸面積；

ii.上述混凝土箱穩(wěn)定的情況下，利用加壓裝置的第一螺母和第二螺母對(duì)混凝土表面施加一壓力P₁，在混凝土箱金屬掛鉤處施加拉力T，當(dāng)拉力達(dá)到T₁時(shí)，此時(shí)混凝土箱失穩(wěn)，混凝土箱下滑；

iii.另一裝置及試驗(yàn)上施加壓力P₂，混凝土箱金屬掛拉力為T₂時(shí)，此時(shí)混凝土箱失穩(wěn)，混凝土箱下滑；

iv.根據(jù)τ_f＝c_i+σ*tan(φ_i)關(guān)系，

可得，(T_f+G_箱+G_混)/S_箱＝c_i+(Ps/S_箱)*tan(φ_i)

其中，τ_f為破壞時(shí)剪應(yīng)力，T_f為破壞時(shí)拉力值，P_s為對(duì)混凝土施加的壓力，σ為接觸面法向應(yīng)力，c_i為接觸面黏聚力，φ_i為接觸面摩擦角；

v.根據(jù)ii-iii步驟的試驗(yàn)結(jié)果，可求解出c_i及φ_i；

vi.進(jìn)行多組試驗(yàn)時(shí)，可繪制τ_f與σ關(guān)系曲線，曲線斜率為tan(φ_i)，截距為c_i；

(二)混凝土與噴層的接觸面或混凝土與巖體的接觸面處于水平的情況下，采用如下方法：

1)選定測(cè)試位置：根據(jù)需要測(cè)試的接觸面，選取不受日常施工影響的位置進(jìn)行測(cè)定；

2)固定裝置及混凝土箱安裝：混凝土箱的限位桿通過固定裝置的限位槽，將固定裝置利用膨脹螺絲固定于測(cè)試位置，將混凝土箱固定螺栓擰緊，固定混凝土箱；

3)混凝土澆筑及等強(qiáng)：完成儀器各部分固定后，進(jìn)行混凝土澆筑，混凝土澆筑時(shí)，可在混凝土箱子內(nèi)側(cè)涂油，便于試驗(yàn)完成脫模；將混凝土注入混凝土箱，進(jìn)行振搗后，待混凝土凝固到待測(cè)試齡期；

4)擋板及加壓裝置固定：加壓裝置固定桿通過擋板的限位孔，將擋板與固定裝置固定；

5)上述步驟根據(jù)測(cè)試需要，可設(shè)置多組同時(shí)進(jìn)行，建議設(shè)置3-4組；

6)接觸面抗剪強(qiáng)度測(cè)試：

i.待混凝土達(dá)到待測(cè)試齡期后，將混凝土箱固定螺栓松開；

ii.利用加壓裝置的第一螺母和第二螺母對(duì)混凝土表面施加一壓力P₁，在混凝土箱金屬掛鉤處施加水平拉力T，當(dāng)拉力達(dá)到T₁時(shí)，此時(shí)混凝土箱滑動(dòng)；

iii.另一裝置及試驗(yàn)上施加壓力P₂，混凝土箱金屬施加拉力為T₂時(shí)，此時(shí)混凝土箱滑動(dòng)；

iv.根據(jù)τ_f＝c_i+σ*tan(φ_i)關(guān)系，

可得，T_f/S_箱＝c_i+(Ps/S_箱)*tan(φ_i)

其中，τ_f為破壞時(shí)剪應(yīng)力，Tf為破壞時(shí)拉力值，P_s為對(duì)混凝土施加的壓力，σ為接觸面法向應(yīng)力，c_i為接觸面黏聚力，φ_i為接觸面摩擦角；

v.根據(jù)ii-iii步驟的試驗(yàn)結(jié)果，可求解出c_i及φ_i；

vi.進(jìn)行多組試驗(yàn)時(shí)，可繪制τ_f與σ關(guān)系曲線，曲線斜率為tan(φ_i)，截距為c_i；

(三)噴層與巖體的接觸面處于水平的情況下，采用如下方法：

1)選定測(cè)試位置：根據(jù)需要測(cè)試的接觸面，選取不受日常施工影響的位置進(jìn)行測(cè)定；

2)固定裝置及混凝土箱安裝：混凝土箱的限位桿通過固定裝置的限位槽，將固定裝置利用膨脹螺絲固定于測(cè)試位置，將混凝土箱固定螺栓擰緊，固定混凝土箱；

3)混凝土噴層施加及等強(qiáng)：完成儀器各部分固定后，進(jìn)行混凝土噴層施加，可在混凝土箱子內(nèi)側(cè)涂油，便于試驗(yàn)完成脫模；將噴層噴入混凝土箱，進(jìn)行噴層表面處理，便于后期施加表面壓力，待噴層凝固到待測(cè)試齡期；

4)擋板及加壓裝置固定：加壓裝置的固定桿通過擋板的限位孔，將擋板與固定裝置固定；

5)上述步驟根據(jù)測(cè)試需要，可設(shè)置多組同時(shí)進(jìn)行，建議設(shè)置3-4組；

6)接觸面抗剪強(qiáng)度測(cè)試：

i.待噴層達(dá)到待測(cè)試齡期后，將混凝土箱固定螺栓松開；

ii.利用加壓裝置的第一螺母和第二螺母對(duì)噴層表面施加一壓力P₁，在混凝土箱金屬掛鉤處施加水平拉力T，當(dāng)拉力達(dá)到T₁時(shí)，此時(shí)混凝土箱滑動(dòng)；

iii.另一裝置及試驗(yàn)上施加壓力P₂，混凝土箱金屬施加拉力為T₂時(shí)，此時(shí)混凝土箱滑動(dòng)；

iv.根據(jù)τ_f＝c_i+σ*tan(φ_i)關(guān)系，

可得，T_f/S_箱＝c_i+(Ps/S_箱)*tan(φ_i)

其中，τ_f為破壞時(shí)剪應(yīng)力，Tf為破壞時(shí)拉力值，P_s為對(duì)噴層施加的壓力，σ為接觸面法向應(yīng)力，c_i為接觸面黏聚力，φ_i為接觸面摩擦角；

v.根據(jù)ii-iii步驟的試驗(yàn)結(jié)果，可求解出c_i及φ_i；

vi.進(jìn)行多組試驗(yàn)時(shí)，可繪制τ_f與σ關(guān)系曲線，曲線斜率為tan(φ_i)，截距為c_i；

(四)噴層與巖體的接觸面處于垂直的情況下，采用如下方法：

1)選定測(cè)試位置：根據(jù)需要測(cè)試的接觸面，選取不受日常施工影響的位置進(jìn)行測(cè)定；

2)固定裝置及混凝土箱安裝：混凝土箱的限位桿通過固定裝置的限位槽，將固定裝置利用膨脹螺絲固定于測(cè)試位置，將混凝土箱固定螺栓擰緊，固定混凝土箱；

3)混凝土噴層施加及等強(qiáng)：完成儀器各部分固定后，進(jìn)行混凝土噴層施加，可在混凝土箱子內(nèi)側(cè)涂油，便于試驗(yàn)完成脫模；將噴層噴入混凝土箱，進(jìn)行噴層表面處理，便于后期施加表面壓力，待噴層凝固到待測(cè)試齡期；

4)擋板及加壓裝置固定：加壓裝置的固定桿通過擋板的限位孔，將擋板與固定裝置固定；

5)上述步驟根據(jù)測(cè)試需要，可設(shè)置多組同時(shí)進(jìn)行，建議設(shè)置3-4組；

6)接觸面抗剪強(qiáng)度測(cè)試：

i.待噴層達(dá)到待測(cè)試齡期后，固定好混凝土箱的金屬蓋板，將混凝土箱固定螺栓松開，此時(shí)，混凝土箱在噴層與巖體接觸作用下保持穩(wěn)定；若混凝土箱不能維持穩(wěn)定，則說明接觸面粘聚力較低，接觸面粘結(jié)力c_i小于如下值，此情況下，接觸面強(qiáng)度較低，需對(duì)接觸面進(jìn)行處理：

c_i(G_箱+G_混)/S_箱

其中，G_箱為混凝土箱重力，G_混為混凝土箱中澆筑的混凝土重力，S_箱為混凝土箱面積，即混凝土與測(cè)試面接觸的面積；

ii.上述混凝土箱穩(wěn)定的情況下，利用加壓裝置的第一螺母和第二螺母對(duì)噴層表面施加一壓力P₁，在混凝土箱金屬掛鉤處施加拉力T，當(dāng)拉力達(dá)到T₁時(shí)，此時(shí)混凝土箱失穩(wěn)，混凝土箱下滑；

iii.另一裝置及試驗(yàn)上施加壓力P₂，混凝土箱金屬掛拉力為T₂時(shí)，此時(shí)混凝土箱失穩(wěn)，混凝土箱下滑；

iv.根據(jù)τ_f＝c_i+σ*tan(φ_i)關(guān)系，

可得，(T_f+G_箱+G_混)/S_箱＝c_i+(Ps/S_箱)*tan(φ_i)

其中，τ_f為破壞時(shí)剪應(yīng)力，Tf為破壞時(shí)拉力值，P_s為對(duì)噴層表面施加的壓力，σ為接觸面法向應(yīng)力，c_i為接觸面黏聚力，φ_i為接觸面摩擦角；

v.根據(jù)ii-iii步驟的試驗(yàn)結(jié)果，可求解出c_i及φ_i；

進(jìn)行多組試驗(yàn)時(shí)，可繪制τ_f與σ關(guān)系曲線，曲線斜率為tan(φ_i)，截距為c_i。