CN110987634A - 一种掺砾料心墙水力劈裂的试验装置和试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种掺砾料心墙水力劈裂的试验装置，属于水利工程技术领域，包括顶盖、底座、钢轴、透水板、位于透水板下方的样品试验腔，围压空腔和位于样品试验腔内的孔隙水压测量组件。所述样品试验腔内设置有电子引伸计，所述钢轴上设置有轴压传感器，所述顶盖顶部设置有位移传感器，所述围压介质进入管上设置有围压传感器，所述孔隙水压测量组件包括水压传感器。本发明可实时准确测量掺砾料心墙所受轴压、围压和水压，以及其荷载组合，可为掺砾料粘土心墙水力劈裂试验提供多样的模拟条件。本发明还公开了一种掺砾料心墙水力劈裂的试验方法，根据所述装置测得的轴压、围压和水压，可定量分析掺砾料心墙所受到的各类荷载对水力劈裂过程的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种掺砾料心墙水力劈裂的试验装置和试验方法，属于水利工程技术领域。
背景技术
高土石坝多采用掺砾粘土料作防渗心墙。这种人工掺砾土料的级配宽，有相当的黏粒含量，小颗粒充分填充大颗粒孔隙，可获得很高的干密度，因而具有良好的防渗性。心墙是土石坝中重要的结构组成部分，其心墙特性是研究的重点，而其中心墙水力劈裂问题更是工程界普遍关注又亟待解决的关键问题之一。随着心墙坝筑坝技术的快速发展，心墙掺砾被广泛采用，而现有针对掺砾心墙料进行水力劈裂试验的研究较少，已开展的类似试验无法真实模拟掺砾料心墙的材料特性和受力特点。
发明内容
本发明是提供一种掺砾料心墙水力劈裂的试验装置，可实时准确测量掺砾料心墙所受轴压、围压和水压，以及其荷载组合，可为掺砾料粘土心墙水力劈裂试验提供多样的模拟条件。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种掺砾料心墙水力劈裂的试验装置，包括顶盖、底座、钢轴、透水板、位于透水板下方的样品试验腔，围压空腔和位于样品试验腔内的孔隙水压测量组件；所述顶盖、底座和样品试验腔形成中空密封结构，所述围压空腔将样品试验腔包裹在内，所述顶盖上设置有钢轴通道，所述钢轴贯穿钢轴通道与透水板连接，所述透水板直径与样品试验腔直径相等；所述围压空腔与围压介质进入管和围压介质排出管连接；所述样品试验腔内设置有电子引伸计，所述钢轴上设置有轴压传感器，所述顶盖顶部设置有位移传感器，所述围压介质进入管上设置有围压传感器，所述孔隙水压测量组件包括水压传感器。
优选地，所述孔隙水压测量组件还包括进水管、导水钢管、插槽和排水排气管，所述导水钢管位于样品试验腔内，与插槽可拆卸连接；所述进水管贯穿底座，通过插槽与导水钢管连通，所述排水排气管贯穿顶盖与样品试验腔连通，所述水压传感器设置于进水管处。
优选地，所述导水钢管顶部左右两侧对应布设有初始裂缝，所述初始裂缝用于形成土心墙样品的初始裂缝。
优选地，所述电子引伸计与初始裂缝对应设置有两个，设置高度与初始裂缝所在高度一致。
本发明通过设置围压传感器、水压传感器、轴压传感器和电子引伸计来对试验数据进行同步采集，可实时准确测量掺砾料心墙所受轴压、围压和水压，以及其荷载组合。并且劈裂水压、轴压、围压相互独立控制，互不干扰，可为掺砾料粘土心墙水力劈裂试验提供多样的模拟条件。
本发明还提供了一种掺砾料心墙水力劈裂的试验方法，可定量分析掺砾料心墙所受到的各类荷载对水力劈裂过程的影响。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种掺砾料心墙水力劈裂的试验方法，采用上述装置实现，包括一下步骤：a)对掺砾料心墙样品进行制作；b)样品加载；c)通过安装在钢轴上方的轴压传感器记录轴压值；通过安装在围压介质进入管的围压传感器记录围压值；通过安装在水压进水管的水压传感器记录内水压力值；通过安装在钢棒上的电子引伸计记录样品在初始裂缝处的张开位移；d)改变不同的加载方案，重复上述步骤a）~c），进行不同条件下掺砾料心墙样品的试验；e)根据不同加载方案得到的数据对临界水压进行计算以及水力劈裂影响因素的定量分析。
进一步地，所述样品加载包括以下步骤：通过排水排气孔排除样品试验腔内多余的空气；通过钢轴给样品施加初始轴向压力，稳定样品；通过控制围压介质进入管，给样品施加围压值，使样品固结；控制孔隙水压测量组件施加的内水压力，同步调节钢轴并控制围压空腔压力，直至样品发生破坏。
进一步地，所述对掺砾料心墙样品进行制作包括以下步骤：掺砾含量的确定和粒径级配的选取；试样分层填筑。
进一步地，所述掺粒含量为30 ~ 50 %；所述粒径级配的选取采用相似级配法与等量替代法混合使用的混合法，最大粒径≤60 mm，大于5 mm粒径颗粒百分含量≤ 40 %，小于0.075mm粒径颗粒百分含量≥ 15 %，小于0. 005mm黏粒百分含量≤20 %。
进一步地，所述试样分层填筑包括以下步骤：将样品模具安装到样品试验腔内，采用分层填筑、分层振捣的方法，每层厚度100 mm，共分为6层进行填筑；当样品填筑到导水钢棒的喷水孔时，采用透水土工布包裹细沙置于导水钢管喷水孔的两侧以设置长10 ~ 15mm、高2 mm的初始裂缝；继续填筑心墙料至样品总填筑高度为600 mm，填筑直径为300 mm。
本发明通过采用不同轴压、围压和水压的荷载组合，以及不同初始裂缝方案的水力劈裂破坏过程，实现定量分析掺砾料心墙所受到的各类荷载对水力劈裂过程的影响。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种掺砾料心墙水力劈裂的试验装置的结构示意图。
其中：1-轴向压力；2-位移传感器；3-围压介质排出管；4-样品试验腔；5-电子引伸计；6-钢棒；7-样品；8-围压传感器；9-围压介质进入管；10-轴压传感器；11-钢轴；12-阀门；13-排水排气管；14-顶盖；15-透水板；16-围压空腔；17-围压空腔外壁；18-初始裂缝；19-导水钢管；20-插槽；21-水压传感器；22-进水管；23-底座。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的实质，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的阐述。
本发明公开了一种掺砾料心墙水力劈裂的试验装置，具体实施例结构如图1所示，包括钢轴11、顶盖14、透水板15、位于透水板15下方的样品试验腔4，围压空腔16、底座23和位于样品试验腔4内的孔隙水压测量组件。顶盖14、底座23和样品试验腔4形成中空密封结构。围压空腔16以及围压空腔外壁17将样品试验腔4包裹在内。顶盖14上设置有钢轴通道，钢轴11贯穿钢轴通道与透水板15连接。透水板15直径与样品试验腔4直径相等。围压介质进入管9贯穿底座23与围压空腔16连接，围压介质排出管3贯穿顶盖14与围压空腔16连接。围压介质进入管9上设置有围压传感器8，钢轴11上设置有轴压传感器10，顶盖14顶部设置有位移传感器2。
孔隙水压测量组件包括排水排气管13、导水钢管19、插槽20、水压传感器21和进水管22。导水钢管19位于样品试验腔4内，与插槽20可拆卸连接。进水管22贯穿底座23，通过插槽20与导水钢管19连通。排水排气管13贯穿顶盖14与样品试验腔4连通。水压传感器21设置于进水管22处。导水钢管19顶部左右对称设置有喷水孔，喷水孔对应布设有初始裂缝18。电子引伸计5与初始裂缝18对应设置有两个，其设置高度与初始裂缝18所在高度一致。电子引伸计5通过钢棒6设置于样品试验腔4内。电子引伸计5优选为夹式引伸计，可通过在钢棒6上的夹取位置的不同进行高度调节。初始裂缝18的大小可根据试验需要调整。
本发明还公开了一种掺砾料心墙水力劈裂的试验方法，采用上述试验装置实现，包括以下步骤：
步骤1：对掺砾料心墙样品进行制作。
1.掺砾含量的确定和粒径级配的选取。掺粒含量为30 ~ 50 %；所述粒径级配的选取采用相似级配法与等量替代法混合使用的混合法，最大粒径≤60 mm，大于5 mm粒径颗粒百分含量≤ 40 %，小于0.075mm粒径颗粒百分含量≥ 15 %，小于0. 005mm黏粒百分含量≤20 %。
2.样品分层填筑。将样品模具安装到样品试验腔4内，使其与样品试验腔4底部和插槽20均紧密接触。采用分层填筑、分层振捣的方法，每层厚度100 mm，共分为6层进行填筑；每填筑一层心墙料均使用振捣棒进行振捣夯实、刨毛等处理，然后再填筑下一层。当样品填筑到导水钢棒的喷水孔时，采用透水土工布包裹细沙置于导水钢管喷水孔的两侧以设置长10 ~ 15mm、高2 mm的初始裂缝；继续填筑心墙料至样品总填筑高度为600 mm，填筑直径为300 mm。
在填筑好的样品7上表面放置一块透水板15，样品可以通过透水板15和排水排气管13进行排水。采用橡皮膜包裹样品和透水板15，然后轻轻地拆除模具。
步骤2：样品加载。
安装好顶盖14，使样品试验腔4处于密封状态。通过排水排气管13排除样品试验腔4内多余的空气；通过钢轴11给样品施加初始轴向压力，稳定样品7；通过控制围压介质进入管9，给样品7施加围压值，使样品固结；控制进水管22施加的内水压力，同步调节钢轴11并控制围压空腔16压力，直至样品7发生破坏。
步骤3：通过安装在钢轴11上方的轴压传感器10记录轴压值；通过安装在围压介质进入管9的围压传感器8记录围压值；通过安装在水压进水管22的水压传感器21记录内水压力值；通过安装在钢棒6上的电子引伸计5记录样品7在初始裂缝18处的张开位移。
步骤4：改变不同的加载方案，重复上述步骤1~3，进行不同条件下掺砾料心墙样品的试验。
由于本装置对轴压、围压和水压的测量是相互独立的，因此水力劈裂试验的加载方案单独施加水压，也可以是水压与围压、轴压的荷载组合，从而模拟不同的受力环境。
步骤5：根据不同加载方案得到的数据对临界水压进行计算以及水力劈裂影响因素的定量分析。
考虑不同轴压、围压和水压等荷载组合，不同初始裂缝方案（宽度、深度、角度）下水力劈裂破坏过程，推导临界水压计算公式，定量分析各荷载方案和裂缝方案对水力劈裂过程的影响，对各影响因素进行重要性排序，剔除相关性较小的因素，构建相应数学模型，以便揭示掺砾料粘土心墙水力劈裂的破坏机理。
应当指出，虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本发明还可有其它多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应当属于本发明所附权利要求及其等效物所保护的范围内。
Claims (9)
1.一种掺砾料心墙水力劈裂的试验装置，其特征在于：包括顶盖、底座、钢轴、透水板、位于透水板下方的样品试验腔，围压空腔和位于样品试验腔内的孔隙水压测量组件；所述顶盖、底座和样品试验腔形成中空密封结构，所述围压空腔将样品试验腔包裹在内，所述顶盖上设置有钢轴通道，所述钢轴贯穿钢轴通道与透水板连接，所述透水板直径与样品试验腔直径相等；所述围压空腔与围压介质进入管和围压介质排出管连接；所述样品试验腔内设置有电子引伸计，所述钢轴上设置有轴压传感器，所述顶盖顶部设置有位移传感器，所述围压介质进入管上设置有围压传感器，所述孔隙水压测量组件包括水压传感器。
2.根据权利要求1所述掺砾料心墙水力劈裂的试验装置，其特征在于：所述孔隙水压测量组件还包括进水管、导水钢管、插槽和排水排气管，所述导水钢管位于样品试验腔内，与插槽可拆卸连接；所述进水管贯穿底座，通过插槽与导水钢管连通，所述排水排气管贯穿顶盖与样品试验腔连通，所述水压传感器设置于进水管处。
3.根据权利要求2所述掺砾料心墙水力劈裂的试验装置，其特征在于：所述导水钢管顶部左右两侧对应布设有初始裂缝，所述初始裂缝用于形成土心墙样品的初始裂缝。
4.根据权利要求3所述掺砾料心墙水力劈裂的试验装置，其特征在于：所述电子引伸计与初始裂缝对应设置有两个，设置高度与初始裂缝所在高度一致。
5.一种掺砾料心墙水力劈裂的试验方法，其特征在于，采用权利要求1至4任意一项装置实现，包括以下步骤：
a)对掺砾料心墙样品进行制作；
b)样品加载；
c)通过安装在钢轴上方的轴压传感器记录轴压值；通过安装在围压介质进入管的围压传感器记录围压值；通过安装在水压进水管的水压传感器记录内水压力值；通过安装在钢棒上的电子引伸计记录样品在初始裂缝处的张开位移；
d)改变不同的加载方案，重复上述步骤a）~c），进行不同条件下掺砾料心墙样品的试验；
e)根据不同加载方案得到的数据对临界水压进行计算以及水力劈裂影响因素的定量分析。
6.根据权利要求5所述掺砾料心墙水力劈裂的试验方法，其特征在于：所述样品加载包括以下步骤：
通过排水排气孔排除样品试验腔内多余的空气；
通过钢轴给样品施加初始轴向压力，稳定样品；
通过控制围压介质进入管，给样品施加围压值，使样品固结；
控制孔隙水压测量组件施加的内水压力，同步调节钢轴并控制围压空腔压力，直至样品发生破坏。
7.根据权利要求5所述掺砾料心墙水力劈裂的试验方法，其特征在于：所述对掺砾料心墙样品进行制作包括以下步骤：
掺砾含量的确定和粒径级配的选取；
试样分层填筑。
8.根据权利要求7所述掺砾料心墙水力劈裂的试验方法，其特征在于：所述掺粒含量为30 ~ 50 %；所述粒径级配的选取采用相似级配法与等量替代法混合使用的混合法，最大粒径≤60 mm，大于5 mm粒径颗粒百分含量≤ 40 %，小于0.075mm粒径颗粒百分含量≥ 15 %，小于0. 005mm黏粒百分含量≤20 %。
9.根据权利要求7所述掺砾料心墙水力劈裂的试验方法，其特征在于：所述试样分层填筑包括以下步骤：
将样品模具安装到样品试验腔内，采用分层填筑、分层振捣的方法，每层厚度100 mm，共分为6层进行填筑；
当样品填筑到导水钢棒的喷水孔时，采用透水土工布包裹细沙置于导水钢管喷水孔的两侧以设置长10 ~ 15mm、高2 mm的初始裂缝；
继续填筑心墙料至样品总填筑高度为600 mm，填筑直径为300 mm。
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