适用于自膨胀介质的制样和测试一体化剪切装置及方法

技术领域

本发明涉及膨胀材料、岩土体介质实验技术领域，具体地指一种适用于自膨胀介质的制样和测试一体化剪切装置及方法。

背景技术

随着国家基础设施建设的向着更加严峻的环境中推进，水利交通、国防工业建设规模不断扩大，面临的问题也是越来越严峻。一方面，如高地应力、高水压、高地温、等复杂水文地质条件下，软岩大变形和岩爆等问题导致灾害频发。其中，膨胀软岩的吸水膨胀也是导致深部地下工程灾变的重要原因。但目前为止对于膨胀软岩的力学性能研究大多未考虑其自身膨胀特性的影响，因此，如何获取膨胀力不卸荷时的力学参数可以更为精确地认识膨胀软岩的特性，为工程加固处理提供目标参考。另一方面，近年来自膨胀锚固材料在工程加固领域受到了广泛关注，其通过自身自膨胀行为增加接触面摩擦力，且还兼具粘结、扩体等特性，未来应用前景广泛。但其自身在高地应力、高水压、高地温的长期加固性能还待进一步研究。因此，如何获取不卸荷时的力学参数且为自膨胀锚固材料的配比设计提供技术支撑，有必要提出一种适用于自膨胀介质的制样-测试一体化剪切装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种适用于自膨胀介质的制样和测试一体化剪切装置及方法，针对工程中的膨胀软岩、自膨胀锚固材料的膨胀特性，考虑不卸荷时的应力-水-热多场耦合工况，使试验目标与工程实际相符合，为研究工程岩土体及加固介质的不卸荷剪切特性提供方法手段。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种适用于自膨胀介质的制样和测试一体化剪切装置，包括上部盒体和下部盒体，所述上部盒体和下部盒体之间可横向滑动配合且竖向锁定，所述上部盒体上安装有用于给试样提供法向压力的承压台。

优选地，所述上部盒体和下部盒体之间通过盒体连接件连接，所述盒体连接件底部固定于下部盒体顶部，所述盒体连接件顶部开设有与上部盒体的边缘翼板滑动配合的滑槽。

优选地，所述盒体连接件为U型槽体结构，其与下部盒体顶部通过螺栓连接。

优选地，所述滑槽与边缘翼板接触的位置安装有滚珠。

优选地，所述上部盒体顶面开设有注浆孔和排气孔。

优选地，所述上部盒体两侧分别开设有注水孔和溢流孔，所述注水孔和溢流孔所在位置均设有阀门。

优选地，所述下部盒体底部布置有电热丝，所述承压台底面布置有薄膜压力传感器。

优选地，所述承压台为T型凸台结构，其上部和下部均为圆柱体结构，且上部的圆柱体直径小于下部的圆柱体直径，上部的圆柱体开设有用于插装插销的插孔。

优选地，所述试样为自膨胀锚固材料或锚固粘结体或膨胀岩土体。

另外，本发明还公开上述适用于自膨胀介质的制样和测试一体化剪切装置的剪切实验方法，它包括如下步骤：

步骤1）：预装样：若所述试样是自膨胀锚固材料，不用预装样；若所述试样是锚固粘结体，则预先在下部盒体中放入制备好的一般岩土体；若所述试样是膨胀岩土体，则预先在下部盒体中放入制备好的膨胀岩土体；

步骤2）：组装装置：将承压台从下至上伸入到上部盒体顶面通孔内，然后在插孔内插入插销，使得承压台悬挂固定在上部盒体上；然后将上部盒体放置在下部盒体上，再将盒体连接件通过螺栓与下部盒体连接，并使得盒体连接件顶部的滑槽与上部盒体的边缘翼板滑动配合；

步骤3）：浇样：若所述试样是自膨胀锚固材料或锚固粘结体，首先关闭好两侧的阀门，通过注浆孔向装置内注入调配好的自膨胀锚固材料浆液，待排气孔无明显气泡冒出，停止注浆；若所述试样是膨胀岩土体，首先打开两侧的阀门，通过注水孔向装置内部注水，当溢流孔开始出水时，关闭阀门；

步骤4）：养护与监测：在恒定温度与湿度条件下对装置进行养护，并通过装置内部的薄膜压力传感器监测内部压力数据，待装置内部压力持续稳定，停止监测；

步骤5）：剪切测试：拔出插销，将竖向加压装置输出端和承压台顶面接触，竖向加压装置对承压台施加一定压力，使得承压台对装置内的试样12施加一定法向压力；然后在剪切方向固定上部盒体，防止其横向移动，通过横向加压装置对下部盒体施加推力，下部盒体相对于上部盒体可产生相对滑动，从而对试样实现剪切破坏过程，获取试样的抗剪切性能参数。

本发明的有益效果：

1、本发明针对工程中的膨胀软岩、自膨胀材料的膨胀特性，考虑了不卸荷时的应力-水-热多场耦合工况，使试验目标与工程实际相符合，为研究工程岩土体及加固介质的不卸荷剪切特性提供手段。

2、本发明的上部盒体、下部盒体和盒体连接件的材料优选为高刚度的金属材料，减小因试样膨胀变形导致的的应力耗散，减小实验误差。

3、本发明上部盒体顶面中心的呈T形结构的承压台，可向下移动，向上移动受上部盒体约束，既能保证试样膨胀过程应力不耗散，还能保证剪切过程可通过承压台对试样施加法向荷载，与工程实际中的应力相适应；承压台可通过插销悬挂固定在上部盒体上，方便在剪切盒内进行浇筑试样；承压台底面布置有薄膜压力传感器，能测取与试样直接接触的膨胀力和法向荷载。

4、本发明上部盒体顶面的注浆孔和排气孔可实现自膨胀材料在剪切盒内注浆，不仅省去了预制试样拆模再装样的步骤，还可保证膨胀应力不会因为拆模过程耗散进而影响试验结果。

5、本发明上部盒体两侧的注水孔和排水孔可向装置内部注水，进而模拟工程实际中的地下富水环境。

6、本发明下部盒体底部布置有电热丝，可模拟工程实际中的深部地下高地温工况。

7、本发明下部盒体与两个盒体连接件连接，盒体连接件一方面可对上部盒体和下部盒体施加法向位移约束，类似束箍作用，保证不会因为试样在膨胀过程中导致上部盒体和下部盒体分离，另一方面盒体连接件使得下部盒体相对于上部盒体可产生相对滑动，从而方便对试样实现剪切破坏过程，获取试样的抗剪切性能参数；并且盒体连接件通过滚珠与边缘翼板接触，可以减小上部盒体和下部盒体之间滑动的摩擦力，减小剪切盒的接触摩擦力对试验的影响。

附图说明

图1 为一种适用于自膨胀介质的制样和测试一体化剪切装置的整体结构示意图；

图2为图1的剖面结构示意图；

图3为图1的分解结构示意图；

图4为图1的上部盒体结构示意图；

图5为图1中盒体连接件结构示意图。

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至5所示，一种适用于自膨胀介质的制样和测试一体化剪切装置，包括上部盒体1和下部盒体2，所述上部盒体1和下部盒体2之间可横向滑动配合且竖向锁定，所述上部盒体1上安装有用于给试样12提供法向压力的承压台3。

优选地，所述上部盒体1和下部盒体2之间通过盒体连接件4连接，所述盒体连接件4底部固定于下部盒体2顶部，所述盒体连接件4顶部开设有与上部盒体1的边缘翼板1.1滑动配合的滑槽4.1。这样设计后，如图1所示，上部盒体1和下部盒体2之间可以前后滑动，但是不能上下移动，即不会产生法向位移，保证不会因为试样在膨胀过程中导致上部盒体1和下部盒体2分离。

优选地，所述盒体连接件4为U型槽体结构，其与下部盒体2顶部通过螺栓5连接。本实施例中，下部盒体2两个侧壁开设四个螺纹孔，可通过螺栓5与两个盒体连接件4连接，盒体连接件4可对上部盒体1和下部盒体2施加法向位移约束，类似束箍作用。

优选地，所述滑槽4.1与边缘翼板1.1接触的位置安装有滚珠4.2。盒体连接件4通过滚珠4.2与边缘翼板1.1接触，可以减小上部盒体1和下部盒体2之间滑动的摩擦力，减小剪切盒的接触摩擦力对试验的影响。

优选地，所述上部盒体1顶面开设有注浆孔5和排气孔6。这样可实现自膨胀材料在剪切盒内注浆过程，不仅省去了预制试样拆模再装样的步骤，还可保证膨胀应力不会因为拆模过程耗散进而影响试验结果。

优选地，所述上部盒体1两侧分别开设有注水孔7和溢流孔8，所述注水孔7和溢流孔8所在位置均设有阀门9。这样设计后可向装置内部注水，进而模拟工程实际中的地下富水环境；注水孔7和溢流孔8上安装有阀门，并连接有水管，在浇样时关闭阀门9可防止浆液向外渗进水管。

优选地，所述下部盒体2底部布置有电热丝10，所述承压台3底面布置有薄膜压力传感器。通过电热丝10的加热，可以使得装置内的温度可以升高，满足相应的温度要求，可模拟工程实际中的深部地下高地温工况。承压台3底面布置有薄膜压力传感器，能测取与试样直接接触的膨胀力和法向荷载。优选地，下部盒体2内部底面也可布置薄膜压力传感器，可监测试样水-热耦合作用下的膨胀应力特征。

优选地，所述承压台3为T型凸台结构，其上部和下部均为圆柱体结构，且上部的圆柱体直径小于下部的圆柱体直径，上部的圆柱体开设有用于插装插销11的插孔。这样设计后，承压台3本身自带限位作用，不会被试样12从上部盒体1内顶出。本实施例中，上部盒体1顶面中心设置承压台3，可向下移动，向上移动受上部盒体约束，这样既能保证试样膨胀过程应力不耗散，还能保证剪切过程可通过承压台3对试样施加法向荷载，与工程实际中的应力相适应；承压台3通过插销11悬挂固定在上部盒体1上，方便在剪切盒内进行浇筑试样。

优选地，所述试样12为自膨胀锚固材料或锚固粘结体或膨胀岩土体。本实施例中，自膨胀锚固材料如水性聚氨酯、自应力水泥；锚固粘结体如水性聚氨酯与岩石的粘合体；膨胀岩土体如蒙脱石、伊利石等。本实施例的试样12针对工程中的膨胀软岩、自膨胀材料的膨胀特性，考虑了不卸荷时的应力-水-热多场耦合工况，使试验目标与工程实际相符合，为研究工程岩土体及加固介质的不卸荷剪切特性提供手段。

另外，本发明还公开上述适用于自膨胀介质的制样和测试一体化剪切装置的剪切实验方法，它包括如下步骤：

步骤1）：预装样：若所述试样12是自膨胀锚固材料，不用预装样；若所述试样12是锚固粘结体，则预先在下部盒体2中放入制备好的一般岩土体，保证一般岩土体顶面高度可与上部盒体1和下部盒体2接触位置处于同一高度；若所述试样12是膨胀岩土体，则预先在下部盒体2中放入制备好的膨胀岩土体，并保证膨胀岩土体顶面高度能够在上部盒体1和下部盒体2组装完成后，膨胀岩土体顶面能够接触上部盒体1内安装的承压台3底面；

步骤2）：组装装置：将承压台3从下至上伸入到上部盒体1顶面通孔内，然后在插孔内插入插销11，使得承压台3悬挂固定在上部盒体1上；然后将上部盒体1放置在下部盒体2上，再将盒体连接件4通过螺栓5与下部盒体2连接，并使得盒体连接件4顶部的滑槽4.1与上部盒体1的边缘翼板1.1滑动配合；

步骤3）：浇样：若所述试样12是自膨胀锚固材料或锚固粘结体，首先关闭好两侧的阀门9，通过注浆孔5向装置内注入调配好的自膨胀锚固材料浆液，待排气孔6无明显气泡冒出，停止注浆；若所述试样12是膨胀岩土体，首先打开两侧的阀门9，通过注水孔7向装置内部注水，当溢流孔8开始出水时，关闭阀门9；

步骤4）：养护与监测：在恒定温度与湿度条件下对装置进行养护，并通过装置内部的薄膜压力传感器监测内部压力数据，待装置内部压力持续稳定，停止监测；

步骤5）：剪切测试：拔出插销11，将竖向加压装置输出端和承压台3顶面接触，竖向加压装置对承压台3施加一定压力，使得承压台3对装置内的试样12施加一定法向压力；然后在剪切方向固定上部盒体1，防止其横向移动，通过横向加压装置对下部盒体2施加推力，下部盒体2相对于上部盒体1可产生相对滑动，从而对试样12实现剪切破坏过程，获取试样12的抗剪切性能参数。本实施例中，竖向加压装置可选用竖向加载液压缸，而横向加压装置可选用横向加载液压缸。

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。