CN102928298B - 土石坝心墙水力劈裂试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测试土石坝心墙水力劈裂试验装置，具体是在普通三轴仪压力室底座对应于试样中心位置处增设一个进水孔，在进水孔上固定一个直立的带螺纹的套筒，套筒内再安装一个带筒壁的旋转式空心圆柱形钢制构件，并在套筒与构件筒壁一定位置处预设一个喷水孔，通过底座增设的进水孔加入水压，在喷水孔处形成劈裂水头。该发明克服了现行直接采用空心试样进行水力劈裂试验的缺点，也解决了离心水力劈裂试验土拱效应不明显的问题，更合理的反映了水力劈裂的条件和作用方式，适用于土石坝心墙水力劈裂试验及劈裂水头的确定。

Description

土石坝心墙水力劈裂试验装置

技术领域

本发明涉及一种测试土石坝心墙水力劈裂试验装置。 

背景技术

目前，室内测试土石坝心墙水力劈裂常用的模型试验有静力模型试验和离心模型试验。静力模型试验通常包括普通三轴水力劈裂试验和真三轴水力劈裂试验，一般是在圆柱体或者长方体试样中心开孔或者开缝，再通过试样底部往孔或者缝里面注水直到试样被劈开。

采用在试样中心直接开孔进行水力劈裂试验，方法简单，操作方便，运用较多。但是其存在以下一些问题：①首先，在试样中心直接开孔或者开缝，试验过程中，在一定的应力状态下，开孔的变形会对试样的变形和强度产生影响，直接导致土体力学参数的偏差；②再者，从试样底部往开孔或者开缝注水时，在试样底面与压力室底座的接触面处会产生渗流，改变了试验底部边界条件，从而进一步影响试验的变形和强度；③其次，往试样圆柱形开孔注水时产生的径向压力，使试样弦上受拉，沿竖向开裂，这也就是水力劈裂试验中主要表现为竖向裂缝的原因；④此外，根据通常的概念,由于心墙与坝壳堆石的模量差而产生的“拱作用”是可能出现水力劈裂的根本原因之一。根据这一初步的判断,在试样中心开孔然后注水使其产生劈裂的方法并不满足水力劈裂的受力条件。因此,利用这样的试验模拟心墙堆石坝水力劈裂的发生条件和发展过程将具有较大的难度,其相关成果也很难应用于土石坝的工程实践。

利用离心模型试验进行水力劈裂试验,是近年来发展起来的一种试验方法。是利用离心力场和重力场等价的原理,在小比尺模型中再现原型结构物的应力、变形状态。但是，①有研究表明，采用离心试验模拟美国Teton坝破坏的试验时，结果表明心墙并没有发生水力劈裂现象，这与1976年Teton坝蓄水失事的分析结果完全相悖，这表明离心试验结果有时也并不可靠；②在离心试验的实践过程中发现,通过调整土柱侧边接触条件产生的拱作用并不明显,土柱经常不会发生水力劈裂。可见离心试验进行水力劈裂分析，其结果具有不确定性，有时甚至会出现与实际相悖的结论，也不足以利用其对心墙水力劈裂进行判断与预测，在工程运用中有待进一步完善。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种土石坝心墙水力劈裂试验装置，满足水力劈裂的受力条件，保证试验结果的真实性和准确性

本发明的技术方案为，一种土石坝心墙水力劈裂试验装置，包括压力室、压力室内的用于支撑试样的底座，底座内设有注水孔，所述底座中心设有圆柱形凹槽，圆柱形凹槽的内侧壁设有底座螺纹，所述注水孔的一端延伸至该圆柱形凹槽的底部；所述试验装置还包括置于试样内部并向试样内部注水的注水装置，该注水装置包括中空套筒和套装在套筒内的空心圆柱形构件，所述套筒的外径与圆柱形凹槽的内径一致，并在套筒的侧壁开有套筒喷水孔，套筒底部外壁设有与底座螺纹配合的套筒底部螺纹，而套筒顶部外壁设有套筒顶部螺纹；所述构件的外径与套筒的内径为间隙配合，并在构件的顶部设有可盖装在套筒顶部的帽盖，帽盖在与套筒顶部螺纹对应处设有与套筒顶部螺纹配套的帽盖螺纹，所述帽盖螺纹与套筒顶部螺纹完全旋紧时与套筒喷水孔对应位置的构件外壁设有构件喷水孔。

所述套筒外壁设有月牙形螺纹，一是使土体在压缩过程中产生土拱效应，二是螺纹使得套筒外壁周围土体表面产生微裂隙，为水力劈裂试验的顺利实施提供了重要条件和保障。

所述帽盖顶部为六棱锥，方便装卸，其顶部设计成六凌锥，起到减小顶部竖向压力的作用，防止因竖向压力过大套筒产生弯曲变形导致止水失效。

所述底座圆柱形凹槽的底部设有环形底座凹槽，并在底座凹槽内安装套筒底部密封圈。

所述帽盖置于套筒顶部的位置设有环形帽盖凹槽，并在帽盖凹槽内安装套筒顶部密封圈。

所述圆柱形凹槽的直径为试样直径的1/10-1/5。

所述套筒高度为试样高度的1/2-2/3。

本装置的安装方法如下：

 (1)试验时，先将套筒底部密封圈安装在试样底座凹槽处，再将套筒通过套筒底部螺纹和底座螺纹固定在底座上，然后将中间带孔洞的透水石穿过套筒放置到底座上。

(3)接下来将套筒顶部密封圈安置到帽盖凹槽处，将构件放入套筒内，拧动套筒，拧到一半左右停止拧动，此时套筒喷水孔与构件喷水孔并不重合，套筒喷水孔被构件筒壁挡住，目的是防止制样击实过程中土体挤进套筒喷水孔中。

(4)按相关规范分5层击实土样，当土样高度击实到距离帽盖约1-2cm时，再将帽盖拧紧，此时套筒喷水孔与构件喷水孔重合，形成了试验装置中的喷水孔。接着继续分层击实试样，这时，由于下面的土层已经击实，上面土层在击实过程中对下层影响很小，土体不会进入到喷水孔内。

(5)试样制好后，按着三轴试验的操作规程，通过围压进水口往压力室内注水，施加小围压，然后经由试样顶部排水孔、控制阀门对试样进行抽气饱和。饱和完成后，施加围压对试样进行固结，固结完成后，按着设定的应力状态对试样进行轴向加压，使其达到某一应力水平。

(6)接下来进行水力劈裂试验，将水压从增设的注水孔注入，水流从喷水孔射出，对土体进行劈裂，由于套筒外壁的螺纹作用，在试样压缩过程中将产生土拱效应，并使套筒周围土体表面产生微裂隙，保证了水力劈裂的发生、发展。最后直至试样劈裂破坏，记录劈裂水头的变化。

本发明的优点是在试样内部提供一个劈裂水头注水装置，①在一定应力状态下，克服了因试样开孔的变形而影响试样的变形和强度；②进行劈裂注水时，由于水只能经由套筒从喷水孔喷出，不会影响试样底面与压力室底座的接触边界条件；③注水时因套筒的存在，对试样内部产生的径向压力可以忽略不计，水流只从喷水孔方向射出对土体进行劈裂，不会像空心试样一样使试样沿径向受拉，导致土体出现大量竖向裂缝，改善了土体内部的受力条件；④在套筒外壁制做了月牙形螺纹，在竖向荷载下，因土体与套筒的相对变形产生“拱作用”，为水力劈裂的形成提供了重要条件；⑤与此同时，由于螺纹的存在，在试样受压过程中，套筒周围土体会出现许多微裂缝，这为水力劈裂的发展提供了必要条件。此外，构件的顶部设计成六棱锥，起到试样受压时减小对劈裂水头注水装置竖向压力的作用，其六边形帽盖主要起到装、卸拧动方便的作用。

该装置的设计解决了现行水力劈裂试验中所采用的装置技术上的缺点，尤其是其满足水力劈裂的受力条件。从而进一步保证了试验结果的真实性和准确性。

附图说明

图1为本发明所述装置结构示意图；

图2为套筒结构示意图；

图3为构件结构示意图；

图4为试样底座结构示意图；

示意图中零部件的标号说明：

1.轴向压力，   2. 压力室，   3.试样顶部排水管，   4. 橡皮膜，   5. 套筒底部密封圈，   6.围压进水孔，   7.试样顶部排水孔 ，  8.试样底座，   9.加压板，   10.试样顶部透水石，   11.试样，   12. 套筒顶部密封圈，   13.注水装置，   14.喷水孔，   15.试样底部环形透水石，   16.试样底部进水孔，   17.控制阀门，   18.注水孔，   19.套筒，   20.套筒顶部螺纹，   21.套筒外壁 ，  22.套筒喷水孔，   23.月牙形螺纹，   24. 套筒内壁，   25. 套筒底部螺纹，    26.构件，   27.顶部六棱锥，   28帽盖凹槽，   29帽盖螺纹，   30帽盖，   31构件喷水孔，   32构件外壁，   33构件内壁，   34圆柱形凹槽，   35底座螺纹，   36底座凹槽。

具体实施方式

如图1所示，一种土石坝心墙水力劈裂试验装置，包括压力室2、压力室2内的用于支撑试样11的底座8，底座8内设有注水孔18。

如图4所示，底座8中心设有圆柱形凹槽34，所述圆柱形凹槽34的直径为试样11直径的1/5，圆柱形凹槽34的内侧壁设有底座螺纹35，所述注水孔18的一端延伸至该圆柱形凹槽34的底部；

如图2所示，试验装置还包括置于试样11内部并向试样11内部注水的注水装置，其由钢制成，该注水装置包括中空套筒19和套装在套筒19内的空心圆柱形构件26，所述套筒19的外径与圆柱形凹槽34的内径为间隙配合，所述套筒19高度为试样11高度的2/3，并在套筒19的侧壁开有套筒喷水孔22，套筒19底部外壁设有与底座螺纹35配合的套筒底部螺纹25，而套筒19顶部外壁设有套筒顶部螺纹20；套筒外壁21设有月牙形螺纹23。

如图3所示，构件26的外径与套筒19的内径一致，并在构件26的顶部设有可盖装在套筒19顶部的帽盖30，帽盖30在与套筒顶部螺纹20对应处设有与套筒顶部螺纹20配套的帽盖螺纹29，所述帽盖螺纹29与套筒顶部螺纹20完全旋紧时与套筒喷水孔22对应位置的构件外壁32设有构件喷水孔31；所述帽盖30顶部为六棱锥27。

所述底座圆柱形凹槽34的底部设有环形底座凹槽36，并在底座凹槽36内安装套筒底部密封圈5。

所述帽盖30置于套筒19顶部的位置设有环形帽盖凹槽28，并在帽盖凹槽28内安装套筒顶部密封圈12。

Claims (7)

1.一种土石坝心墙水力劈裂试验装置，包括压力室（2）、压力室（2）内的用于支撑试样（11）的底座（8），底座（8）内设有注水孔（18），所述试验装置还包括置于试样（11）内部并向试样（11）内部注水的注水装置，其特征是，所述底座（8）中心设有圆柱形凹槽（34），圆柱形凹槽（34）的内侧壁设有底座螺纹（35），所述注水孔（18）的一端延伸至该圆柱形凹槽（34）的底部；该注水装置包括中空套筒（19）和套装在套筒（19）内的空心圆柱形构件（26），所述套筒（19）的外径与圆柱形凹槽（34）的内径一致，并在套筒（19）的侧壁开有套筒喷水孔（22），套筒（19）底部外壁设有与底座螺纹（35）配合的套筒底部螺纹（25），而套筒（19）顶部外壁设有套筒顶部螺纹（20）；所述构件（26）的外径与套筒（19）的内径为间隙配合，并在构件（26）的顶部设有可盖装在套筒（19）顶部的帽盖（30），帽盖（30）在与套筒顶部螺纹（20）对应处设有与套筒顶部螺纹（20）配套的帽盖螺纹（29），所述帽盖螺纹（29）与套筒顶部螺纹（20）完全旋紧时与套筒喷水孔（22）对应位置的构件外壁（32）设有构件喷水孔（31）。

2.根据权利要求1所述土石坝心墙水力劈裂试验装置，其特征是，所述套筒中部外壁（21）设有月牙形螺纹（23）。

3.根据权利要求1所述土石坝心墙水力劈裂试验装置，其特征是，所述帽盖（30）顶部为六棱锥（27）。

4.根据权利要求1所述土石坝心墙水力劈裂试验装置，其特征是，所述圆柱形凹槽（34）的底部设有环形底座凹槽（36），并在底座凹槽（36）内安装套筒底部密封圈（5）。

5.根据权利要求1所述土石坝心墙水力劈裂试验装置，其特征是，所述帽盖（30）置于套筒（19）顶部的位置设有环形帽盖凹槽（28），并在帽盖凹槽（28）内安装套筒顶部密封圈（12）。

6.根据权利要求1所述土石坝心墙水力劈裂试验装置，其特征是，所述圆柱形凹槽（34）的直径为试样（11）直径的1/10-1/5。

7.根据权利要求1所述土石坝心墙水力劈裂试验装置，其特征是，所述套筒（19）高度为试样（11）高度的1/2-2/3。