專利名稱：土石壩心墻水力劈裂試驗裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測試土石壩心墻水力劈裂試驗裝置。
背景技術：
目前，室內(nèi)測試土石壩心墻水力劈裂常用的模型試驗有靜力模型試驗和離心模型試驗。靜力模型試驗通常包括普通三軸水力劈裂試驗和真三軸水力劈裂試驗，一般是在圓柱體或者長方體試樣中心開孔或者開縫，再通過試樣底部往孔或者縫里面注水直到試樣被劈開。
采用在試樣中心直接開孔進行水力劈裂試驗，方法簡單，操作方便，運用較多。但是其存在以下一些問題①首先，在試樣中心直接開孔或者開縫，試驗過程中，在一定的應力狀態(tài)下，開孔的變形會對試樣的變形和強度產(chǎn)生影響，直接導致土體力學參數(shù)的偏差再者，從試樣底部往開孔或者開縫注水時，在試樣底面與壓力室底座的接觸面處會產(chǎn)生滲流，改變了試驗底部邊界條件，從而進一步影響試驗的變形和強度；③其次，往試樣圓柱形開孔注水時產(chǎn)生的徑向壓力，使試樣弦上受拉，沿豎向開裂，這也就是水力劈裂試驗中主要表現(xiàn)為豎向裂縫的原因；④此外，根據(jù)通常的概念，由于心墻與壩殼堆石的模量差而產(chǎn)生的“拱作用”是可能出現(xiàn)水力劈裂的根本原因之一。根據(jù)這一初步的判斷，在試樣中心開孔然后注水使其產(chǎn)生劈裂的方法并不滿足水力劈裂的受力條件。因此，利用這樣的試驗模擬心墻堆石壩水力劈裂的發(fā)生條件和發(fā)展過程將具有較大的難度，其相關成果也很難應用于土石壩的工程實踐。
利用離心模型試驗進行水力劈裂試驗，是近年來發(fā)展起來的一種試驗方法。是利用離心力場和重力場等價的原理，在小比尺模型中再現(xiàn)原型結(jié)構(gòu)物的應力、變形狀態(tài)。但是，①有研究表明，采用離心試驗模擬美國Teton壩破壞的試驗時，結(jié)果表明心墻并沒有發(fā)生水力劈裂現(xiàn)象，這與1976年Teton壩蓄水失事的分析結(jié)果完全相悖，這表明離心試驗結(jié)果有時也并不可靠；②在離心試驗的實踐過程中發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整土柱側(cè)邊接觸條件產(chǎn)生的拱作用并不明顯，土柱經(jīng)常不會發(fā)生水力劈裂。可見離心試驗進行水力劈裂分析，其結(jié)果具有不確定性，有時甚至會出現(xiàn)與實際相悖的結(jié)論，也不足以利用其對心墻水力劈裂進行判斷與預測，在工程運用中有待進一步完善。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種土石壩心墻水力劈裂試驗裝置，滿足水力劈裂的受力條件，保證試驗結(jié)果的真實性和準確性本發(fā)明的技術方案為，一種土石壩心墻水力劈裂試驗裝置，包括壓力室、壓力室內(nèi)的用于支撐試樣的底座，底座內(nèi)設有注水孔，所述底座中心設有圓柱形凹槽，圓柱形凹槽的內(nèi)側(cè)壁設有底座螺紋，所述注水孔的一端延伸至該圓柱形凹槽的底部；所述試驗裝置還包括置于試樣內(nèi)部并向試樣內(nèi)部注水的注水裝置，該注水裝置包括中空套筒和套裝在套筒內(nèi)的空心圓柱形構(gòu)件，所述套筒的外徑與圓柱形凹槽的內(nèi)徑一致，并在套筒的側(cè)壁開有套筒噴水孔，套筒底部外壁設有與底座螺紋配合的套筒底部螺紋，而套筒頂部外壁設有套筒頂部螺紋；所述構(gòu)件的外徑與套筒的內(nèi)徑為間隙配合，并在構(gòu)件的頂部設有可蓋裝在套筒頂部的帽蓋，帽蓋在與套筒頂部螺紋對應處設有與套筒頂部螺紋配套的帽蓋螺紋，所述帽蓋螺紋與套筒頂部螺紋完全旋緊時與套筒噴水孔對應位置的構(gòu)件外壁設有構(gòu)件噴水孔。
所述套筒外壁設有月牙形螺紋，一是使土體在壓縮過程中產(chǎn)生土拱效應，二是螺紋使得套筒外壁周圍土體表面產(chǎn)生微裂隙，為水力劈裂試驗的順利實施提供了重要條件和保障。
所述帽蓋頂部為六棱錐，方便裝卸，其頂部設計成六凌錐，起到減小頂部豎向壓力的作用，防止因豎向壓力過大套筒產(chǎn)生彎曲變形導致止水失效。
所述底座圓柱形凹槽的底部設有環(huán)形底座凹槽，并在底座凹槽內(nèi)安裝套筒底部密封圈。
所述帽蓋置于套筒頂部的位置設有環(huán)形帽蓋凹槽，并在帽蓋凹槽內(nèi)安裝套筒頂部密封圈。
所述圓柱形凹槽的直徑為試樣直徑的1/10-1/5。
所述套筒高度為試樣高度的1/2-2/3。
本裝置的安裝方法如下(I)試驗時，先將套筒底部密封圈安裝在試樣底座凹槽處，再將套筒通過套筒底部螺紋和底座螺紋固定在底座上，然后將中間帶孔洞的透水石穿過套筒放置到底座上。
(3)接下來將套筒頂部密封圈安置到帽蓋凹槽處，將構(gòu)件放入套筒內(nèi)，擰動套筒， 擰到一半左右停止擰動，此時套筒噴水孔與構(gòu)件噴水孔并不重合，套筒噴水孔被構(gòu)件筒壁擋住，目的是防止制樣擊實過程中土體擠進套筒噴水孔中。
(4)按相關規(guī)范分5層擊實土樣，當土樣高度擊實到距離帽蓋約l-2cm時，再將帽蓋擰緊，此時套筒噴水孔與構(gòu)件噴水孔重合，形成了試驗裝置中的噴水孔。接著繼續(xù)分層擊實試樣，這時，由于下面的土層已經(jīng)擊實，上面土層在擊實過程中對下層影響很小，土體不會進入到噴水孔內(nèi)。
(5)試樣制好后，按著三軸試驗的操作規(guī)程，通過圍壓進水口往壓力室內(nèi)注水，施加小圍壓，然后經(jīng)由試樣頂部排水孔、控制閥門對試樣進行抽氣飽和。飽和完成后，施加圍壓對試樣進行固結(jié)，固結(jié)完成后，按著設定的應力狀態(tài)對試樣進行軸向加壓，使其達到某一應力水平。
(6)接下來進行水力劈裂試驗，將水壓從增設的注水孔注入，水流從噴水孔射出， 對土體進行劈裂，由于套筒外壁的螺紋作用，在試樣壓縮過程中將產(chǎn)生土拱效應，并使套筒周圍土體表面產(chǎn)生微裂隙，保證了水力劈裂的發(fā)生、發(fā)展。最后直至試樣劈裂破壞，記錄劈裂水頭的變化。
本發(fā)明的優(yōu)點是在試樣內(nèi)部提供一個劈裂水頭注水裝置，①在一定應力狀態(tài)下， 克服了因試樣開孔的變形而影響試樣的變形和強度；②進行劈裂注水時，由于水只能經(jīng)由套筒從噴水孔噴出，不會影響試樣底面與壓力室底座的接觸邊界條件；③注水時因套筒的存在，對試樣內(nèi)部產(chǎn)生的徑向壓力可以忽略不計，水流只從噴水孔方向射出對土體進行劈裂，不會像空心試樣一樣使試樣沿徑向受拉，導致土體出現(xiàn)大量豎向裂縫，改善了土體內(nèi)部的受力條件；④在套筒外壁制做了月牙形螺紋，在豎向荷載下，因土體與套筒的相對變形產(chǎn)生“拱作用”，為水力劈裂的形成提供了重要條件；⑤與此同時，由于螺紋的存在，在試樣受壓過程中，套筒周圍土體會出現(xiàn)許多微裂縫，這為水力劈裂的發(fā)展提供了必要條件。此外， 構(gòu)件的頂部設計成六棱錐，起到試樣受壓時減小對劈裂水頭注水裝置豎向壓力的作用，其六邊形帽蓋主要起到裝、卸擰動方便的作用。
該裝置的設計解決了現(xiàn)行水力劈裂試驗中所采用的裝置技術上的缺點，尤其是其滿足水力劈裂的受力條件。從而進一步保證了試驗結(jié)果的真實性和準確性。


圖I為本發(fā)明所述裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為套筒結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為試樣底座結(jié)構(gòu)示意圖；示意圖中零部件的標號說明I.軸向壓力，2.壓力室，3.試樣頂部排水管， 部密封圈， 6.圍壓進水孔， 7.試樣頂部排水孔，8. 10.試樣頂部透水石，11.試樣，12.套筒頂部密封圈， 水孔，15.試樣底部環(huán)形透水石，16.試樣底部進水孔， 水孔，19.套筒，20.套筒頂部螺紋，21.套筒外壁， 牙形螺紋，24.套筒內(nèi)壁，25.套筒底部螺紋， 26. 28帽蓋凹槽，29帽蓋螺紋，30帽蓋，31構(gòu)件噴水孔， 內(nèi)壁，34圓柱形凹槽，35底座螺紋，36底座凹槽。4.橡皮膜，5.套筒底試樣底座， 9.加壓板， 13.注水裝置，14.噴 17.控制閥門，18.注22.套筒噴水孔，23.月構(gòu)件，27.頂部六棱錐， 32構(gòu)件外壁，33構(gòu)件具體實施方式
如圖I所示，一種土石壩心墻水力劈裂試驗裝置，包括壓力室2、壓力室2內(nèi)的用于支撐試樣11的底座8，底座8內(nèi)設有注水孔18。
如圖4所示，底座8中心設有圓柱形凹槽34，所述圓柱形凹槽34的直徑為試樣11 直徑的1/5，圓柱形凹槽34的內(nèi)側(cè)壁設有底座螺紋35，所述注水孔18的一端延伸至該圓柱形凹槽34的底部；如圖2所示，試驗裝置還包括置于試樣11內(nèi)部并向試樣11內(nèi)部注水的注水裝置，其由鋼制成，該注水裝置包括中空套筒19和套裝在套筒19內(nèi)的空心圓柱形構(gòu)件26，所述套筒 19的外徑與圓柱形凹槽34的內(nèi)徑為間隙配合，所述套筒19高度為試樣11高度的2/3，并在套筒19的側(cè)壁開有套筒噴水孔22，套筒19底部外壁設有與底座螺紋35配合的套筒底部螺紋25，而套筒19頂部外壁設有套筒頂部螺紋20 ;套筒外壁21設有月牙形螺紋23。
如圖3所示，構(gòu)件26的外徑與套筒19的內(nèi)徑一致，并在構(gòu)件26的頂部設有可蓋裝在套筒19頂部的帽蓋30，帽蓋30在與套筒頂部螺紋20對應處設有與套筒頂部螺紋20 配套的帽蓋螺紋29，所述帽蓋螺紋29與套筒頂部螺紋20完全旋緊時與套筒噴水孔22對應位置的構(gòu)件外壁32設有構(gòu)件噴水孔31 ;所述帽蓋30頂部為六棱錐27。
所述底座圓柱形凹槽34的底部設有環(huán)形底座凹槽36，并在底座凹槽36內(nèi)安裝套筒底部密封圈5。
所述帽蓋30置于套筒19頂部的位置設有環(huán)形帽蓋凹槽28，并在帽蓋凹槽28內(nèi)安裝套筒頂部密封圈12。
權(quán)利要求
1.一種土石壩心墻水力劈裂試驗裝置，包括壓力室(2)、壓力室(2)內(nèi)的用于支撐試樣(11)的底座(8)，底座(8)內(nèi)設有注水孔(18)，其特征是，所述底座(8)中心設有圓柱形凹槽(34)，圓柱形凹槽(34)的內(nèi)側(cè)壁設有底座螺紋(35)，所述注水孔(18)的一端延伸至該圓柱形凹槽(34)的底部；所述試驗裝置還包括置于試樣(11)內(nèi)部并向試樣(11)內(nèi)部注水的注水裝置，該注水裝置包括中空套筒(19)和套裝在套筒(19)內(nèi)的空心圓柱形構(gòu)件(26)，所述套筒(19)的外徑與圓柱形凹槽(34)的內(nèi)徑一致，并在套筒(19)的側(cè)壁開有套筒噴水孔(22)，套筒(19)底部外壁設有與底座螺紋(35)配合的套筒底部螺紋(25)，而套筒(19)頂部外壁設有套筒頂部螺紋(20);所述構(gòu)件(26)的外徑與套筒(19)的內(nèi)徑為間隙配合，并在構(gòu)件(26)的頂部設有可蓋裝在套筒(19)頂部的帽蓋(30)，帽蓋(30)在與套筒頂部螺紋(20)對應處設有與套筒頂部螺紋(20)配套的帽蓋螺紋(29)，所述帽蓋螺紋(29)與套筒頂部螺紋(20 )完全旋緊時與套筒噴水孔(22 )對應位置的構(gòu)件外壁(32 )設有構(gòu)件噴水孔(31)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述土石壩心墻水力劈裂試驗裝置，其特征是，所述套筒外壁(21)設有月牙形螺紋(23)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述土石壩心墻水力劈裂試驗裝置，其特征是，所述帽蓋(30)頂部為六棱錐(27)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述土石壩心墻水力劈裂試驗裝置，其特征是，所述底座圓柱形凹槽(34)的底部設有環(huán)形底座凹槽(36)，并在底座凹槽(36)內(nèi)安裝套筒底部密封圈(5)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述土石壩心墻水力劈裂試驗裝置，其特征是，所述帽蓋(30)置于套筒(19)頂部的位置設有環(huán)形帽蓋凹槽(28)，并在帽蓋凹槽(28)內(nèi)安裝套筒頂部密封圈(12)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述土石壩心墻水力劈裂試驗裝置，其特征是，所述圓柱形凹槽(34)的直徑為試樣(11)直徑的1/10-1/5。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述土石壩心墻水力劈裂試驗裝置，其特征是，所述套筒(19)高度為試樣(11)高度的1/2-2/3。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測試土石壩心墻水力劈裂試驗裝置，具體是在普通三軸儀壓力室底座對應于試樣中心位置處增設一個進水孔，在進水孔上固定一個直立的帶螺紋的套筒，套筒內(nèi)再安裝一個帶筒壁的旋轉(zhuǎn)式空心圓柱形鋼制構(gòu)件，并在套筒與構(gòu)件筒壁一定位置處預設一個噴水孔，通過底座增設的進水孔加入水壓，在噴水孔處形成劈裂水頭。該發(fā)明克服了現(xiàn)行直接采用空心試樣進行水力劈裂試驗的缺點，也解決了離心水力劈裂試驗土拱效應不明顯的問題，更合理的反映了水力劈裂的條件和作用方式，適用于土石壩心墻水力劈裂試驗及劈裂水頭的確定。
文檔編號G01N3/10GK102928298SQ201210451059
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月13日
發(fā)明者彭凱, 馮樹榮, 蔡昌光 申請人:中國水電顧問集團中南勘測設計研究院