CN113188999A - 一种混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的装置及方法，包括预制喷射混凝土衬砌与岩石的粘结圆柱体试件、底部支座板与支架、上承压板与下承压板、法向约束板、刚性连接杆、螺钉与螺栓和轴承垫条。本发明能对于喷射混凝土衬砌与岩石的粘结界面强度包络线进行估算，对于界面的粘结强度提供一个定量的标准，进而可以借助强度包络线得出喷射混凝土衬砌与岩石的粘结处接缝的有效承载能力，为隧洞工程中计算施工现场的喷射混凝土衬砌与岩石的粘结强度所适用。

Description

一种混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的装置及方法

技术领域

本发明属于工程结构检测技术领域，具体涉及一种混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的装置及方法。

背景技术

在输水隧洞中为防止围岩变形或坍塌，常在洞身周边修建永久性支护结构，即为衬砌。衬砌简单说来就是内衬，常见的就是用砌块衬砌，也可以是喷射混凝土作为衬砌。

在喷射混凝土作为输水隧洞衬砌的应用中，需要保证喷射上的混凝土与原来的岩石之间有充足的强度，以确保使用过程中粘结界面处不会发生拉压与剪切破坏。

在现有的研究中，对于两种材料粘结界面强度有一定的研究，但并没有对于评估这种应用中喷射上的混凝土衬砌与岩石之间的粘结强度提供一个定量的标准，以至于在隧洞衬砌的工程中无法满足施工需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的装置及方法，能够解决对于输水隧洞中喷射混凝土衬砌与岩石的粘结界面强度的定量评估的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供一种混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的装置，包括：支架、固定在所述支架上的底部支座板、设置在所述底部支座板中部的上承压板与下承压板和与所述上承压板或下承压板固定连接的法向约束板；所述底部支座板与地面保持水平；所述上承压板和下承压板用于在竖直方向上夹固粘结体试件，所述下承压板固定在底部支座板上方中部，所述上承压板能够固定在设置在上方的压力机的下面中部；所述法向约束板通过将粘结体试件箍在法向约束板的中部阻止粘结体试件在其轴线方向的移动。

进一步的，所述法向约束板的横断面中部为圆弧段，通过设置在左右侧的连接杆与所述上承压板连接并固定，能够适配于圆柱体的粘接体试件。

进一步的，所述法向约束板的左右两板的横截面内测均为直径150毫米，圆心角135°的对称的圆弧，用于与沿轴线对称等体积，且整体试件为直径150毫米，高300毫米的圆柱体粘接体试件相适配。

进一步的，所述法向约束板的厚度为10毫米。

进一步的，所述连接杆包括分布在所述法向约束板的前后方的两根水平的刚性连接杆，所述刚性连接杆通过螺钉或螺栓将两侧的法向约束板紧密连接，进而将粘接体试件箍在法向约束板的中部。

进一步的，所述装置还包括分别安装在所述上承压板与所述下承压板的中部的轴承垫条。

进一步的，所述轴承垫条包括两根连线方向为竖直加压方向的轴承垫条，所述轴承垫条由20毫米宽和3毫米厚的层压木制成。

第二方面，本发明提供一种混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的方法，基于上述的混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的装置，包括以下步骤：

制作粘结体试件并养护至标准龄期；

将所述粘接体试件安装至上承压板和下承压板之间，调整粘接体试件的方位使粘接体试件的加载受力方向正对岩石与混凝土材料的分界线处；

使用法向约束板夹紧粘接体试件，以防止粘接体试件在加载过程中发生移动和旋转；

使用压力机对粘接体试件进行劈裂加载，使粘接体试件在劈裂方向产生垂直于粘结界面向两侧的拉力；

在劈裂加载的过程中，记录预制试件开裂时的压力值，进行粘结界面强度包络线的估算。

进一步的，所述制作粘结体试件并养护至标准龄期的方法包括：使用喷射混凝土浇筑在半圆柱体的岩石上制成圆柱体粘接体试件，养护至混凝土龄期28天。

进一步的，估算的方法还包括以下步骤：

进行多组实验，获得多组开裂时的压力值，计算获得平均压力值，并进行粘结界面强度包络线的估算；

进行粘结界面强度包络线的估算的方法包括：

根据所述平均压力值，计算岩石与喷射混凝土的结合试件的劈裂抗拉强度参数f′_t，计算方法为：

其中，Pu为加载时的平均极限荷载，B为测试样本的长度，D为测试样本的直径。

然后，评估粘结界面摩擦角φ′的数值。摩擦角是界面基板(即岩石)粗糙度的函数。基材表面粗糙度通常通过观察和与标准剖面比较进行定性评估。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

1、本发明通过设置底部支座板与支架、上承压板与下承压板、法向约束板、刚性连接杆、螺钉与螺栓和轴承垫条，对预制好的粘接体试件进行试验，操作简单，测量结果可靠，弥补了评估这种应用中喷射上的混凝土衬砌与岩石之间的粘结强度的装置的空白；

2、本发明的方法通过强度包络线可以定量地得出喷射混凝土衬砌与岩石的粘结处接缝的承载能力，为隧洞工程中计算施工现场喷射混凝土衬砌与岩石的粘结强度所用。

附图说明

图1为本发明的混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的装置结构示意图；

图中，1、底部支座板；2、支架；3、上承压板；4、下承压板；5、法向约束板；6、刚性连接杆；7、螺栓；8、轴承垫条。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供一种混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的装置，包括底部支座板1、支架2、上承压板3、下承压板4、法向约束板5、刚性连接杆6、螺栓7、轴承垫条8。

底部支座板1放在支架2上，与地面保持水平，下承压板4用螺丝钉固定在底部支座板1上方中部，上承压板3固定在上方压力机的下面中部。

法向约束板5的横断面中部为圆弧段，通过设置在左右侧的连接杆与所述上承压板3连接并固定，能够适配于圆柱体的粘接体试件。法向约束板5的左右两板的横截面内测均为直径150毫米，圆心角135°的对称的圆弧，用于与沿轴线对称等体积，且整体试件为直径150毫米，高300毫米的圆柱体粘接体试件相适配。法向约束板5的厚度为10毫米。

轴承垫条8由20毫米宽和3毫米厚的层压木制成，两根轴承垫条8分别安装在上承压板3与下承压板4的中部，使其连线方向为预制试件界面的直径所在。

实施例二：

本实施例提供一种混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的方法，其基于实施例一所述的一种混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的装置，为了进一步更好的使用输水隧洞中喷射混凝土衬砌与岩石的粘结界面强度包络线估算的装置，下面说明使用该装置的测试方法及包络线估算方法，包括以下步骤：

步骤一、使用喷射混凝土浇筑在半圆柱体的岩石上制成圆柱体粘接体试件，养护至混凝土龄期28天；

步骤二、将粘接体试件安装在所述一种混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的装置上，调整粘接体试件的方位使上下两轴承垫条8正对岩石与混凝土材料的分界线处；

步骤三、用法向约束板5夹紧粘接体构件，并将法向约束板5前后侧的刚性连接杆6用螺钉和螺栓7锁定，以防止粘接体构件在加载过程中发生移动和旋转；

步骤四、使用压力机进行加载，压力通过轴承垫条8传递给岩石与喷射混凝土的粘接体构件，在其劈裂方向产生垂直于粘结界面向两侧的拉力；

步骤五、根据步骤四进行的劈裂加载，记录预制试件开裂时的压力值。

进行多组实验，并求出平均开裂时的压力值，并进行粘结界面强度包络线的估算。

根据得到的平均压力值，计算岩石与喷射混凝土的结合试件的劈裂抗拉强度参数f′_t，计算方法为：

其中，Pu为加载时的平均极限荷载，B为测试样本的长度，D为测试样本的直径。

然后，评估粘结界面摩擦角φ′的数值。摩擦角是界面基板(即岩石)粗糙度的函数。基材表面粗糙度通常通过观察和与标准剖面比较进行定性评估。常用方法是：先根据按国标《工程岩体分级标准》GB50218-94的规定对工程岩体进行质量分级，再依据岩体基本质量级别，查规范附录C表C.0.1，可经验确定岩体的内摩擦角。附录C表C.0.1为：

表1岩体物理力学参数

岩体基本质量级别	重力密度	内摩擦角	变形模量	泊松比
					Ⅰ	＞26.5	＞60	＞33	＜0.2
Ⅱ	＞26.5	60～50	33～20	0.2～0.25
					Ⅲ	26.5～24.5	50～39	20～6	0.25～0.3
Ⅳ	24.5～22.5	39～27	6～1.3	0.3～0.35
					Ⅴ	＜22.5	＜27	＜1.3	＞0.35

然后，将粘聚力c′视为抗拉强度f′_t和摩擦角φ′的函数，计算粘聚力。计算方法为：

其中，f′_t是根据式(1)计算出的界面抗拉强度，φ′是粘结界面基材的内摩擦角。

然后，利用界面抗拉强度f′_t、内摩擦角φ′和粘聚力c′，根据Carol表达式定义界面破坏包络线的光滑连续曲线，表达式为：

其中，τ_u为界面极限剪应力。

本方法通过强度包络线可以定量地得出喷射混凝土衬砌与岩石的粘结处接缝的承载能力，为隧洞工程中计算现场地喷射混凝土衬砌与岩石的粘结强度所用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的装置，其特征在于，包括：支架、固定在所述支架上的底部支座板、设置在所述底部支座板中部的上承压板与下承压板和与所述上承压板或下承压板固定连接的法向约束板；

所述底部支座板与地面保持水平；

所述上承压板和下承压板用于在竖直方向上夹固粘结体试件，所述下承压板固定在底部支座板上方中部，所述上承压板能够固定在设置在上方的压力机的下面中部；

所述法向约束板通过将粘结体试件箍在法向约束板的中部阻止粘结体试件在其轴线方向的移动。

2.根据权利要求1所述的混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的装置，其特征在于，所述法向约束板的横断面中部为圆弧段，通过设置在左右侧的连接杆与所述上承压板连接并固定，能够适配于圆柱体的粘接体试件。

3.根据权利要求2所述的混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的装置，其特征在于，所述法向约束板的左右两板的横截面内测均为直径150毫米，圆心角135°的对称的圆弧，用于与沿轴线对称等体积，且整体试件为直径150毫米，高300毫米的圆柱体粘接体试件相适配。

4.根据权利要求3所述的混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的装置，其特征在于，所述法向约束板的厚度为10毫米。

5.根据权利要求2所述的混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的装置，其特征在于，所述连接杆包括分布在所述法向约束板的前后方的两根水平的刚性连接杆，所述刚性连接杆通过螺钉或螺栓将两侧的法向约束板紧密连接，进而将粘接体试件箍在法向约束板的中部。

6.根据权利要求1所述的混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的装置，其特征在于，所述装置还包括分别安装在所述上承压板与所述下承压板的中部的轴承垫条。

7.根据权利要求6所述的混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的装置，其特征在于，所述轴承垫条包括两根连线方向为竖直加压方向的轴承垫条，所述轴承垫条由20毫米宽和3毫米厚的层压木制成。

8.一种混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的方法，其特征在于，基于权利要求1-7所述的混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的装置，包括以下步骤：

制作粘结体试件并养护至标准龄期；

将所述粘接体试件安装至上承压板和下承压板之间，调整粘接体试件的方位使粘接体试件的加载受力方向正对岩石与混凝土材料的分界线处；

使用法向约束板夹紧粘接体试件，以防止粘接体试件在加载过程中发生移动和旋转；

使用压力机对粘接体试件进行劈裂加载，使粘接体试件在劈裂方向产生垂直于粘结界面向两侧的拉力；

在劈裂加载的过程中，记录预制试件开裂时的压力值，进行粘结界面强度包络线的估算。

9.根据权利要求8所述的混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的方法，其特征在于，所述制作粘结体试件并养护至标准龄期的方法包括：使用喷射混凝土浇筑在半圆柱体的岩石上制成圆柱体粘接体试件，养护至混凝土龄期28天。

10.根据权利要求8所述的混凝土与岩石粘结界面强度包络线估算的方法，其特征在于，估算的方法还包括以下步骤：

进行多组实验，获得多组开裂时的压力值，计算获得平均压力值，并进行粘结界面强度包络线的估算；

进行粘结界面强度包络线的估算的方法包括：

根据所述平均压力值，计算岩石与喷射混凝土的结合试件的劈裂抗拉强度参数f′_t，计算方法为：

其中，Pu为加载时的平均极限荷载，B为测试样本的长度，D为测试样本的直径。

然后，评估粘结界面摩擦角φ′的数值。摩擦角是界面基板(即岩石)粗糙度的函数。基材表面粗糙度通常通过观察和与标准剖面比较进行定性评估。

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