一种水力劈裂实验装置

1.本发明属于混凝土水力劈裂试验技术领域，具体涉及一种水力劈裂实验装置。


背景技术：

2.水力劈裂是水流在岩体或者混凝土的间隙内运动与周围固体变形耦合的过程，表现为高压水流将岩体和混凝土内已有的裂隙和空隙驱动扩张、扩展、相互贯通等。水力劈裂是由于水压力的抬高在岩体或混凝土中引起裂缝发生与扩展的一种物理现象。
3.混凝土水力劈裂发生的机理比较复杂，在实际工程中就可以体现出来，比如，混凝土坝由于温度、施工和混凝土干缩等因素的影响。坝体表面不可避免地存在裂缝，裂缝的形式多样，如：水平缝，竖直缝等。裂缝所处的工况也很复杂，如：无应力缝、受压缝，受拉缝等。由于试验设备和试验装置的限制，以往学者仅针对轴向受力条件下的混凝土试件预制裂缝没有贯穿试件厚度方向的情况下进行了研究，且无法看到预制裂缝尖端部位在轴力作用下裂缝的扩展形式。而且预制裂缝周围的密封效果是否良好直接影响试验现象及结果。


技术实现要素：

4.本发明针对上述存在的技术问题，提出了一种水力劈裂实验装置，该装置可以将试件的裂缝预制成贯穿裂缝，并开展水压力与外力联合作用下混凝土i-ii复合型断裂试验，既可以更准确地模拟混凝土大坝在水压作用下的破坏条件，又可以有效地观察裂纹扩展情况。
5.本发明采用的技术方案：
6.一种水力劈裂实验装置，包括两个相互对称设置的箱梁，所述箱梁两端分别通过固定梁实现固定，两个箱梁之间设置有支撑板，所述支撑板的两端分别通过连接板与两个箱梁连接，所述支撑板上设置有混凝土试样，所述混凝土试样的左右两端分别设置有左夹紧钢板和右夹紧钢板，所述左夹紧钢板的背面通过预制钢棒与拉压力传感器连接，所述预制钢棒从左侧箱梁上的预留孔惯出至该箱梁的背面并与液压千斤顶连接，所述右夹紧钢板的背面通过预制短钢棒与右侧箱梁连接，所述混凝土试样上下对面对称设置有正方形凹槽，所述正方形凹槽中间部位设置有预制裂缝，所述两个正方形凹槽上均设置有密封组件。
7.优选的，所述预制裂缝的两端贴有应变片，所述预制裂缝的中部和两端均设置有夹式引伸计。
8.优选的，所述混凝土试件沿其厚度方向预埋有6个上下贯通且带螺纹的螺杆，混凝土试件沿其长度方向的两端各预埋4个高强度螺栓,所述左夹紧钢板和右夹紧钢板均通过高强度螺栓与混凝土试样连接。
9.优选的，所述密封组件包括方形盖板和方形密封环，所述方形盖板设置在正方形凹槽的正上方且通过螺杆与混凝土试样连接，并在方形盖板与混凝土试样的缝隙内填充密封胶，所述方形盖板的中心位置设置有正方形缺口，所述正方形缺口的中间位置挖去尺寸小于正方形缺口的正方形块形成台阶形槽，所述方形密封环设置在台阶形槽内，所述方形
密封环底部外端垂直向下延伸形成有固定板，所述台阶形槽的台面上设置有与固定板相配合的固定槽，所述方形密封环的内侧上端水平向内延伸形成有连接板，所述方形密封环中心位置设置有钢化玻璃，所述钢化玻璃通过螺丝与连接板固定连接，所述连接板与钢化玻璃的缝隙内填充有密封胶，所述钢化玻璃上设置有注水口，所述注水口通过注水管与活塞式水压泵连接。
10.优选的，所述方形盖板上的正方形缺口的内壁上设置有水平方向的安装槽，所述安装槽内设置有压板，所述压板的上端面设置有第一齿轮槽，所述安装槽的上侧壁设置有内陷的凹槽，所述凹槽内设置有第一齿轮，所述第一齿轮通过中心轴与凹槽的两端内壁转动连接，所述压板被移动至安装槽外侧时对方形密封环进行挤压，并通过固定件与方形密封环实现连接。
11.优选的，所述固定件包括l型拉板，所述压板的外侧壁上设置有水平槽，所述l型拉板的水平段设置在水平槽内，所述l型拉板的水平段底面上设置有第二齿轮槽，所述水平槽的后下方设置有安装腔，所述水平槽与安装腔连通，所述安装腔内设置有第二齿轮、蜗杆、蜗轮和轴承座，所述第二齿轮和蜗杆设置在同一转轴上，所述第二齿轮与第二齿轮槽啮合，所述蜗轮与蜗杆啮合，所述蜗轮底部设置有同轴的安装环，所述轴承座通过螺栓固定在安装腔的内底壁上，所述蜗轮通过安装环与轴承座上的内环用螺丝固定，所述轴承座和蜗轮均为中空结构，所述轴承座内设置有调节杆，所述调节杆上端外壁上设置有外螺纹部，所述蜗轮的内壁上设置有与外螺纹部相配合的内螺纹，所述安装腔下方依次设置有导向孔和容纳槽，所述调节杆的下端依次贯穿轴承座、导向孔并延伸至容纳槽内，所述调节杆下端的外壁沿其周向设置有多个条形槽，所述导向孔内壁上设置有多个与条形槽相配合的凸条，所述容纳槽内设置有限位块，所述调节杆的下端与限位块固定连接，所述方形密封环的上端面设置有与限位块相配合的固定槽。
12.优选的，所述第二齿轮和蜗杆之间通过彼此啮合的内螺纹部和外螺纹部实现连接，所述第二齿轮和蜗杆的两端各设置有挡圈，所述挡圈设置在转轴上，所述转轴的两端分别与安装腔的前后内壁连接，所述第二齿轮通过彼此啮合的内螺纹部和外螺纹部驱动蜗杆绕着转轴转动。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
14.本发明中的混凝土试件沿其厚度方向预埋有6个上下贯通且带螺纹的螺杆，混凝土试件沿其长度方向的两端各预埋4个高强度螺栓，混凝土试样上的预制裂缝是贯穿其厚度方向，有别于现有的轴拉试件形式，现有的轴拉试件均采用单面预制裂纹，裂纹并不贯通，这虽然可以避免水的渗透，但也使得整个裂纹所在界面无法实现真正的全截面承受水压力，而本发明采用的穿透裂缝试件形式使得整个裂纹面都能受到均匀的水压力的作用，实现了真正的裂纹面全部受到水压力作用。同时，本发明所用试件形式在一定程度上可以减小混凝土试件的的厚度进而减小其体积，从而使得试件制作和研究更为方便。
15.本发明中为了提高密封效果，则设计了密封组件，该密封组件包括方形盖板和方形密封环，方形盖板设置在正方形凹槽的正上方且通过螺杆与混凝土试样连接，并在方形盖板与混凝土试样的缝隙内填充密封胶，所述方形盖板的中心位置设置有正方形缺口，所述正方形缺口的中间位置挖去尺寸小于正方形缺口的正方形块形成台阶形槽，所述方形密封环设置在台阶形槽内，所述方形密封环底部外端垂直向下延伸形成有固定板，所述台阶
形槽的台面上设置有与固定板相配合的固定槽，所述方形密封环的内侧上端水平向内延伸形成有连接板，所述方形密封环中心位置设置有钢化玻璃，所述钢化玻璃通过螺丝与连接板固定连接，所述连接板与钢化玻璃的缝隙内填充有密封胶。其中，方形盖板盖板作为外层密封结构，方形密封环作为内层密封结构，内外层密封结构之间形成多次弯折的密封线，从而提高正方形凹槽的密封性，避免影响试验现象及结果。同时钢化玻璃作为左内侧的密封结构，通过螺栓与方形密封环上的连接板固定连接，钢化玻璃的四周与方形密封环的内壁贴合，连接板又在上方进行水平限定，其密封性良好。
16.其次，本发明在方形密封环的上方又增加固定件，该固定件属于方形盖板的一部分，则利用固定件实现对方形密封环垂直方向的固定，同时利用固定件对方形密封环外壁与方形盖板内壁的吻合面形成水平密封，从而提高整体的密封效果。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
18.图1所示为本实施例中的一种水力劈裂实验装置的结构示意图；
19.图2所示为本实施例中的一种水力劈裂实验装置的俯视图；
20.图3所示为本实施例中的一种水力劈裂实验装置的侧视图；
21.图4所示为本实施例中混凝土试样的俯视图；
22.图5所示为本实施例中混凝土试样的剖视图；
23.图6所示为本实施例中方形密封环的示意图；
24.图7所示为图5中a处的放大图；
25.图8所示为调节杆的放大图。
26.图9所示为本实施例中第二齿轮、蜗杆与转轴的连接示意图；
27.图10所示为本实施例中蜗轮的示意图。
28.1、箱梁；2、固定梁；3、支撑板；4、混凝土试样；401、预制裂缝；5、正方形凹槽；6、钢化玻璃；601、注水口；7、方形密封环；701、固定板；702、连接板；8、方形盖板；801、安装槽；802、压板；8021、第一齿纹槽；8022、安装腔；8023、容纳槽；803、凹槽；804、第一齿轮；9、左夹紧钢板；10、右夹紧钢板；11、拉压力传感器；12、预制短钢棒；13、液压千斤顶；14、l型拉板；1401、第二齿纹槽；15、第二齿轮；16、蜗杆；17、转轴；18、挡圈；19、蜗轮；20、轴承座；21、调节杆；2101、外螺纹部；2102、条形槽；22、限位块；23、安装环。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
30.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护
的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.如图1-10所示，本发明具体提供了一种水力劈裂实验装置，包括两个相互对称设置的箱梁1，所述箱梁1两端分别通过固定梁2实现固定，两个箱梁1之间设置有支撑板3，所述支撑板3的两端分别通过连接板与两个箱梁1连接，所述支撑板3上设置有混凝土试样4，所述混凝土试样4的左右两端分别设置有左夹紧钢板9和右夹紧钢板10，所述左夹紧钢板9的背面通过预制钢棒与拉压力传感器11连接，所述预制钢棒从左侧箱梁上的预留孔惯出至该箱梁1的背面并与液压千斤顶13连接，所述右夹紧钢板10的背面通过预制短钢棒12与右侧箱梁连接，所述混凝土试样4上下对面对称设置有正方形凹槽5，所述正方形凹槽5中间部位设置有预制裂缝401，所述两个正方形凹槽5上均设置有密封组件。
32.在本实施例中，所述混凝土试件4沿其厚度方向预埋有6个上下贯通且带螺纹的螺杆，混凝土试件4沿其长度方向的两端各预埋4个高强度螺栓。所述预制裂缝401的两端贴有应变片，所述预制裂缝的中部和两端均设置有夹式引伸计。
33.在本实施例中，密封效果是否良好直接影响试验现象及结果，所以在试验开始前对试件上预制裂缝周围进行密封处理，其试件的密封方式如下：
34.如图5-8所示，所述密封组件包括方形盖板8和方形密封环7，所述方形盖板8设置在正方形凹槽5的正上方且通过螺杆与混凝土试样4连接，并在方形盖板8与混凝土试样4的缝隙内填充密封胶，所述方形盖板8的中心位置设置有正方形缺口，所述正方形缺口的中间位置挖去尺寸小于正方形缺口的正方形块形成台阶形槽，所述方形密封环7设置在台阶形槽内，所述方形密封环7底部外端垂直向下延伸形成有固定板701，所述台阶形槽的台面上设置有与固定板701相配合的固定槽，所述方形密封环7的内侧上端水平向内延伸形成有连接板702，所述方形密封环7中心位置设置有钢化玻璃6，所述钢化玻璃6通过螺丝与连接板702固定连接，所述连接板702与钢化玻璃6的缝隙内填充有密封胶，所述钢化玻璃6上设置有注水口601，所述注水口601通过注水管与活塞式水压泵连接。
35.所述方形盖板8上的正方形缺口的内壁上设置有水平方向的安装槽801，所述安装槽801内设置有压板802，所述压板802的上端面设置有第一齿轮槽8021，所述安装槽801的上侧壁设置有内陷的凹槽803，所述凹槽803内设置有第一齿轮804，所述第一齿轮804通过中心轴与凹槽803的两端内壁转动连接，所述压板802被移动至安装槽801外侧时对方形密封环7进行挤压，并通过固定件与方形密封环7实现连接。
36.其中，方形盖板8作为外层密封结构，方形密封环7作为内层密封结构，内外层密封结构之间形成多次弯折的密封线，从而提高正方形凹槽5的密封性，避免影响试验现象及结果。同时钢化玻璃6作为左内侧的密封结构，通过螺栓与方形密封环7上的连接板702固定连接，钢化玻璃6的四周与方形密封环7的内壁贴合，连接板702又在上方进行水平限定，其密封性良好。
37.在方形密封环7的上方又增加固定件，该固定件属于方形盖板8的一部分，则利用固定件实现对方形密封环7垂直方向的固定，同时利用固定件对方形密封环7外壁与方形盖板8内壁的吻合面形成水平密封，从而提高整体的密封效果。该固定件包括l型拉板14，所述压板802的外侧壁上设置有水平槽，所述l型拉板14的水平段设置在水平槽内，所述l型拉板
14的水平段底面上设置有第二齿轮槽1401，所述水平槽的后下方设置有安装腔8022，所述水平槽与安装腔8022连通，所述安装腔8022内设置有第二齿轮15、蜗杆16、蜗轮19和轴承座20，所述第二齿轮15和蜗杆16设置在同一转轴17上，所述第二齿轮15与第二齿轮槽1401啮合，所述蜗轮19与蜗杆16啮合，所述蜗轮19底部设置有同轴的安装环23，所述轴承座20通过螺栓固定在安装腔8022的内底壁上，所述蜗轮19通过安装环23与轴承座20上的内环用螺丝固定，所述轴承座20和蜗轮19均为中空结构，所述轴承座20内设置有调节杆21，所述调节杆21上端外壁上设置有外螺纹部2101，所述蜗轮19的内壁上设置有与外螺纹部2101相配合的内螺纹，所述安装腔8022下方依次设置有导向孔和容纳槽8023，所述调节杆21的下端下端依次贯穿轴承座20、导向孔并延伸至容纳槽8023内，所述调节杆21下端的外壁沿其周向设置有多个条形槽2102，所述导向孔内壁上设置有多个与条形槽2102相配合的凸条，所述容纳槽8023内设置有限位块22，所述调节杆21的下端与限位块22固定连接，所述方形密封环7的上端面设置有与限位块22相配合的固定槽。
38.在本实施例中，如图8所示，所述第二齿轮和蜗杆之间通过彼此啮合的内螺纹部和外螺纹部实现连接，所述第二齿轮和蜗杆的两端各设置有挡圈，所述挡圈设置在转轴上，所述转轴的两端分别与安装腔的前后内壁连接，所述第二齿轮通过彼此啮合的内螺纹部和外螺纹部驱动蜗杆绕着转轴转动。
39.本发明的试验过程主要包括以下步骤：
40.(1)混凝土试样制备：
41.在900mm
×
600mm
×
200mm长方体模具内侧的两个面中间位置个镶嵌一个尺寸为300mm
×
300mm的正方形凸模，并在长方体模具的900mm
×
600mm的面上固定预留缝钢片，预留缝钢片的尺寸为300mm
×
130mm
×
4mm；在长方体模具的900mm
×
600mm的面上开孔架设预埋螺杆。将六根直径12mm，长350mm，带螺纹的螺杆插入孔内，在长方体模具的600mm
×
200mm的面上开孔架设预埋螺栓，将八根直径25mm，长300mm带螺纹的螺栓6分别插入长方体模具两端的孔内，用来两端轴向力的施加。最后浇筑混凝土试件。
42.(2)测量仪器布置：通过液压泵实现轴向力和水压力的施加，通过结合轴力传感器和高精度压力表及直动式溢流阀实现轴向力和水压力的控制，预制裂缝两端部需要贴应变片和夹式引伸计，为了粘贴效果更好，需要将初始裂缝2周围打磨平整。在预制裂缝的两端部和中间位置均布置有夹式引伸计，在预制裂缝的两端部粘贴应变片；此外，将连接应变片、夹式引伸计的导线引出，用环氧树脂胶涂抹填充，使其在试验时可以起到隔水与绝缘的效果。然后将密封盖板通过螺杆固定，混凝土试样两端分别设置夹紧钢板，并通过预埋的水平方向的螺杆螺栓固定，加载时，通过对夹紧钢板施加轴向力，试验时通过盖板上的注水孔向预制裂缝内注满水，最后通过液压千斤顶加压完成混凝土试样的水力劈裂过程。
43.(3)试验采集方面：试验过程中轴向力通过荷载传感器可以将轴向力产生的应变量转换成电压信号输出到数据采集仪从而得到轴向力值；应变片所测裂缝端部的应变可以通过动态应变系统采集，动态应变系统为现有的动态应变仪；夹式引伸计所测初始裂缝在扩展过程中的缝宽和缝尖位移值可以通过连接到电脑上的低速信号采集系统收集并反映在坐标系统中的曲线上，再通过分析进而得到结果。
44.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制,凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案
的保护范围内。