CN105547841A

CN105547841A - 围压可控的岩石侧摩阻力测试装置及其方法

Info

Publication number: CN105547841A
Application number: CN201510918566.7A
Authority: CN
Inventors: 朱长歧; 刘海峰; 王星; 吴文娟
Original assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2035-12-11
Also published as: CN105547841B

Abstract

本发明公开了一种围压可控的岩石侧摩阻力测试装置及其方法，涉及岩体力学嵌岩桩技术。本装置是：下盖板、压力室和上盖板自下而上依次连接组成外部结构；底座、垫环、岩样和导向管自下而上依次连接组成内部结构，用乳胶膜将内部构件嵌套为一整体；在岩样中心，沿纵向设置有贯穿的岩样圆孔，在岩样圆孔内设置有等长的螺纹杆，螺纹杆与岩样圆孔的内壁之间留有空隙，在空隙中浇筑有高流动性的水泥浆；导向杆穿过导向管和螺纹杆上下连接。本装置可以模拟嵌岩桩与岩石界面的破坏特性，运用压力室中水压作用模拟桩在实际岩层里的围压条件，得到轴力随模型桩位移变化的规律，计算出岩石的侧摩阻力，而且标准统一，可实现多次工业复制，适用于各类岩石的侧摩阻力测试。

Description

围压可控的岩石侧摩阻力测试装置及其方法

技术领域

本发明涉及岩体力学嵌岩桩技术，尤其涉及一种围压可控的岩石侧摩阻力测试装置及其方法。

背景技术

嵌岩桩由于其高的承载力，广泛使用于工厂、桥梁、码头和高层建筑等的桩基工程中。目前，国内外一致认为嵌岩部分的岩石侧摩阻力对桩的承载能力贡献很大。在不同地层深度的岩石侧摩阻力具有差异，这是由于岩石在不同深度的地应力不同，因此需要准确地求得指定地层环境下的岩石侧摩阻力，反应在模型试验中，即为要对岩样施加符合实际地应力的围压。以往的方法是通过现场试桩、室内混凝土和岩石界面剪切试验得到岩石的侧摩阻力。两种试验方法各有优弊，现场试桩可以较为真实地反应现场桩的承载力，但试桩成本高，试验过程中可变因素多，适合于工程中少量的抽桩检验。室内混凝土和岩石界面剪切试验，可以根据试验结果计算求出岩石-混凝土界面的抗剪强度，来模拟嵌岩桩在界面的破坏模式。但试验中因为夹具的原因会导致破坏面不规则，使得破坏截面面积难以计算。同时破坏面会存在于岩石-混凝土界面、混凝土、岩石三者中抗剪强度弱的介质中，使试验结果难以达到预期设想。

发明内容

本发明的目的就是克服现场试桩成本高和可变因素大的缺点，避免因为夹具和人为原因导致的非正常破坏面，提供一种围压可控的岩石侧摩阻力测试装置及其方法，可以避免上述误差，准确求得岩石在指定围压下的侧摩阻力。

本发明的目的是这样实现的：

一、围压可控的岩石侧摩阻力测试装置（简称装置）

本装置包括导向杆、导向管、上盖板、排气帽、螺帽、螺杆、下盖板、排水阀，注水阀、压力室、底座、垫环螺纹杆、水泥浆、岩样、乳胶膜和橡皮筋；

在上盖板上设置有导向孔、导向孔密封圈、排气孔、穿孔和上盖板密封圈；

在下盖板上设置有螺纹孔、排水孔、注水孔、下盖板密封圈和底座密封圈；

其位置和连接关系是：

通过螺帽和螺杆，下盖板、压力室和上盖板自下而上依次连接组成外部结构；

下盖板、底座、垫环、岩样和导向管自下而上依次连接组成内部结构，用乳胶膜嵌套为一整体；

在导向管和导向孔接触处设置有导向孔密封圈，在压力室与上盖板接触处设置有上盖板密封圈，在压力室与下盖板接触处设置有下盖板密封圈，在底座和下盖板接触处设置有底座密封圈，实现密封处理；

在岩样中心，沿纵向设置有贯穿的岩样圆孔，在岩样圆孔内设置有等长的螺纹杆，螺纹杆与岩样圆孔的内壁之间留有空隙，在空隙中浇筑有高流动性的水泥浆；

导向杆穿过导向管和螺纹杆上下连接。

二、围压可控的岩石侧摩阻力测试方法（简称方法）

本方法包括下列步骤：

①制样

在岩样中心，沿纵向钻取贯穿的岩样圆孔，在岩样圆孔内居中放置等长的螺纹杆，螺纹杆与岩样圆孔的内壁之间留有一定的空隙，利用高流动性的水泥浆浇筑空隙，在水泥浆凝结硬化到指定强度后进行装样；

②放样

在水平的桌面上，由下及上依次把下盖板、底座、垫环组装固定；底座旋入下盖板中，并放置底座密封圈，垫环叠放在底座上；岩样叠放在垫环上，在岩样上部对中放置导向管使导向管的内孔对准螺纹杆；利用乳胶膜将导向管、岩样、垫环和底座嵌套在一起，在下部用橡皮筋将乳胶膜与底座箍紧，上部用橡皮筋将乳胶膜与导向管底部圆环箍紧；

③组装

放样完成后，在下盖板凹槽内放置下盖板密封圈，其上放置压力室；导向管穿过导向孔，使上盖板压在压力室上，并在压力室与上盖板接触处放置上盖板密封圈；调整上盖板，使得上盖板中的穿孔与下盖板中的螺纹孔在竖直方向上对应；螺杆穿过穿孔旋进下盖板中的螺纹孔,调整均匀分布的四根螺杆的旋入速率，使固定后的上盖板保持水平，将导向杆***导向管内；

④试验

将装置放在土工三轴试验加载***内，打开排气帽、注水阀和排水阀，将注水孔与压力体积传感器连接，排水孔与回收桶连接；通过压力体积传感器设定目标围压，水从注水孔进入压力室，在水充满压力室后，在排气孔中旋紧排气帽，压力体积传感器自动调节注水量，使岩样处于目标围压中；

通过土工三轴试验加载***对装置施加荷载，使轴力通过导向杆作用在螺纹杆上，利用加载***的荷载位移传感器采集数据。

⑤回收

试验结束后，设置压力体积传感器目标值为零，打开排气帽，然后打开排水阀，关闭压力体积传感器和注水阀，使压力室内的水在自重作用下从排水孔中流出；排完水后，反向旋转螺杆，打开上盖板，取出岩样，擦干装置零件并收集归位。

本发明具有下列优点和积极效果：

①利用水压模拟在实际地层中受到的围压，围压均匀且容易调控；

②在岩样开孔中浇筑螺纹杆为实心，水泥浆为保护层的螺纹杆-水泥模型桩，模型桩刚度大，变形小；

③螺纹杆-水泥模型桩中水泥和螺纹咬合紧密，避免了杆在水泥中脱落；

④导向管与导向孔接触处设置两道导向孔密封圈，导向管底部圆环与乳胶膜贴合紧密，使得导向管内部与水隔绝，置于其中的导向杆可避免与水接触；

⑤可以得到轴力随模型桩位移变化的规律，计算出侧摩阻力；

⑥可拆卸，方便脱模后二次使用。

总之，本装置可以模拟嵌岩桩与岩石界面的破坏特性，运用压力室中水压作用模拟桩在实际岩层里的围压条件，得到轴力随模型桩位移变化的规律，计算出岩石的侧摩阻力，而且标准统一，可实现多次工业复制，适用于各类岩石的侧摩阻力测试。

附图说明

图1是本装置的示意图；

图2是本装置上盖板俯视图及剖切线示意图；

图3是本装置的M-M纵剖面示意图；

图4是本装置在土工三轴加载***内进行试验示意图；

图5是本装置部分零件示意图。

图中：

1—导向杆；

2—导向管；

3—上盖板，

3-1—导向孔，3-2—导向孔密封圈，3-3—排气孔，

3-4—穿孔，3-5—上盖板密封圈；

4—排气帽；

5—螺帽；

6—螺杆；

7—下盖板，

7-1—螺纹孔，7-2—排水孔，7-3—注水孔，

7-4—下盖板密封圈，7-5—底座密封圈；

8—排水阀；

9—注水阀；

10—压力室；

11—底座；

12—垫环；

13—螺纹杆；

14—水泥浆；

15—岩样，15-1—岩样圆孔；

16—乳胶膜；

17—橡皮筋；

A—压力体积传感器，B—荷载位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、装置

1、总体

如图1、2、3，本装置包括导向杆1、导向管2、上盖板）、排气帽4、螺帽5、螺杆6、下盖板7、排水阀8，注水阀9、压力室10、底座11、垫环12螺纹杆13、水泥浆14、岩样15、乳胶膜16和橡皮筋17；

在上盖板3上设置有导向孔3-1、导向孔密封圈3-2、排气孔3-3、穿孔3-4和上盖板密封圈3-5；

在下盖板7上设置有螺纹孔7-1、排水孔7-2、注水孔7-3、下盖板密封圈7-4和底座密封圈7-5；

其位置和连接关系是：

通过螺帽5和螺杆6，下盖板7、压力室10和上盖板3自下而上依次连接组成外部结构；

底座11、垫环12、岩样15、导向管2，自下而上依次连接组成内部结构，用乳胶膜16将内部构件嵌套为一整体；

在导向管2和导向孔3-1接触处设置有导向孔密封圈3-2，在压力室10与上盖板3接触处设置有上盖板密封圈3-5，在压力室10与下盖板7接触处设置有下盖板密封圈7-4，在底座11和下盖板7接触处设置有底座密封圈7-5，实现密封处理；

在岩样15中心，沿纵向设置有贯穿的岩样圆孔15-1，在岩样圆孔15-1内设置有等长的螺纹杆13，螺纹杆13与岩样圆孔15-1的内壁之间留有空隙，在空隙中浇筑有高流动性的水泥浆14；

导向杆1穿过导向管2和螺纹杆13上下连接。

2、功能部件

01）导向杆1

导向杆1是一种不锈钢制圆杆，底部截面直径缩小，端部为半球形端头。

其功能是：向螺纹杆13施加轴向荷载，自身刚度大，应变小。

02）导向管2

导向管2是一种不锈钢制的分为上下两个内经一致而外径不同的圆筒：

内径适合导向杆1通过；

上圆筒外径较小，适合导向孔3-1的内径尺寸；

下圆筒外径较大，适合岩样15的直径；下圆筒的高度适合橡皮筋17绑扎乳胶膜16。

03）上盖板3

上盖板3为铝制圆板，表面做电镀处理，耐磨、质轻和防锈蚀；

在上盖板3的中心设置有凸圆座及其导向孔3-1，在导向孔3-1内设置有导向孔密封圈3-2；在上盖板3上设置有排气孔3-3；在上盖板3外环均匀设置有4个穿孔3-4；在上盖板3的下底面设置有凹槽，在凹槽内置有上盖板密封圈3-5。

*导向孔3-1

导向孔3-1位于上盖板3的中心，保证导向杆1竖直穿过上盖板3。

*导向孔密封圈3-2

导向孔密封圈3-2位于导向孔3-1内，密封压力室内的水，防止外溢。

*排气孔3-3

排气孔3-3位于上盖板3中，当压力室内注水时，打开排气孔3-3，使水流入压力室内；压力室内注满水后，将排气帽4旋入排气孔3-3，使之处于关闭状态；试验后，打开排气孔3-3方便排水。

*穿孔3-4

穿孔3-4位于上盖板3中，一共四个，螺杆6穿过穿孔3-4可旋入下盖板螺纹孔7-1内，使装置固定。

*上盖板密封圈3-5

上盖板密封圈3-5位于上盖板3与压力室10接触的凹槽内，橡胶质地，用于密封压力室内的水，防止外溢。

04）排气帽4

排气帽4为钢制，用于关闭和打开排气孔3-3。

05）螺帽5

螺帽5为钢制，用于将螺杆6旋入和旋出螺纹孔7-1。

06）螺杆6

螺杆6一共4个，用于固定装置。

07）下盖板7

下盖板7为铝制圆板，表面做电镀处理，耐磨、质轻和防锈蚀；

在下盖板7的中心设置有底座密封圈7-5，在下盖板7的中环内设置有排水孔7-2和注水孔7-3，在下盖板7的外环均匀设置有4个螺纹孔7-1和凹槽，在凹槽内置有下盖板密封圈7-4。

*螺纹孔7-1

螺纹孔7-1设置4个，与穿孔3-4在竖直方向上对应，可使螺杆6旋入，达到固定装置的目的。

*排水孔7-2

排水孔7-2位于下盖板7内部，通过排水孔7-2使压力室10内部水流出，在排水孔7-2的外部出口处设置有排水孔止水阀8。

*注水孔7-3

注水孔7-3位于下盖板7内部，使外部的水可通过注水孔7-3注入压力室10内，在注水孔7-3的外部进口处设置有注水孔止水阀9。

*下盖板密封圈7-4

下盖板密封圈7-4位于下盖板7与压力室10接触处的凹槽内，橡胶质地，用于密封压力室内的水，防止外溢。

*底座密封圈7-5

底座密封圈7-5位于底座11和下盖板7接触处，橡胶质地，用于密封压力室10内的水，防止溢入底座11的螺纹中。

08）排水孔止水阀8

排水孔止水阀8位于排水孔7-2的外部出口处，排水孔止水阀8内设置有快速接头，方便***和拔出塑料排水管。

09）注水孔止水阀9

注水孔止水阀9位于注水孔7-3的外部进口处，注水孔止水阀9内设置有快速接头，方便***和拔出塑料注水管。

10）压力室10

压力室10为树脂圆筒，圆筒壁厚由最大围压确定，外径与上盖板3的下底面凹槽和下盖板7的上底面凹槽的直径一致。

11）底座11

底座11由上下两个圆柱体组成，上圆柱体的外径与岩样15直径和导向管2的下圆筒外径一致；

下圆柱体设置有外螺纹，可旋入下盖板7中。

12)垫环12

垫环12为不锈钢制圆环，外径与岩样15相同，内径大于岩样15中心孔洞直径，高度为15毫米。

13）螺纹杆13

螺纹杆13为不锈钢材质，长度与岩样等长，利用水泥浆14将螺纹杆居中浇筑在岩样15中。

14）水泥浆14

水泥浆14具有高流动性，速干高强性；

水泥浆14可充分填充螺纹杆13与岩样15孔壁间的空隙。

15）岩样15

岩样15为圆柱体试样，试样的高度与直径的比值在1至1.5之间，直径不小于60毫米，岩样15中心居中通长钻孔——岩样圆孔15-1，岩样圆孔15-1的直径20至25毫米，利用水泥浆14将螺纹杆13居中浇筑在岩样15的岩样圆孔15-1中。

16）乳胶膜16

乳胶膜16为乳胶材质，内径为岩样15的直径，厚度为2毫米；

乳胶膜将导向管2底部、试样15、垫环12、底座11嵌套在一起，并在导向管2底部圆环处箍紧橡皮筋17，在底座11处箍筋橡皮筋17，使乳胶膜16与导向管2和底座11贴合更加紧密，防止压力室10内水外溢。

17）橡皮筋17

橡皮筋17用于将乳胶膜16箍紧在导向管2底部圆环和底座11处，防止压力室10内水外溢。

3、本装置的工作机理

本装置的主要功能部件均为钢制件，可拆卸。外部结构由下盖板7、压力室10和上盖板3自下而上依次连接组成，由四根螺杆6固定；底座11、垫环12、岩样15和导向管2自下而上依次连接组成内部结构，用乳胶膜16将内部构件嵌套为一整体。

在岩样15制作中，在岩样15中心，沿纵向钻有贯穿的岩样圆孔15-1，在岩样圆孔15-1内设置有等长的螺纹杆，螺纹杆与岩样圆孔15-1的内壁之间留有空隙，在空隙中浇筑有高流动性的水泥浆14。在水泥浆14凝结硬化达到指定强度后，按照顺序进行装样；将整个装置放在在土工三轴试验***内加载，运用压力室中水压作用模拟桩在实际岩层里的围压条件，在轴向加载过程中得到轴力随模型桩位移变化的规律，计算出岩石的侧摩阻力。

Claims

1.一种围压可控的岩石侧摩阻力测试装置，其特征在于：

包括导向杆（1）、导向管（2）、上盖板（3）、排气帽（4）、螺帽（5）、螺杆（6）、下盖板（7）、排水阀（8），注水阀（9）、压力室（10）、底座（11）、垫环（12）螺纹杆（13）、水泥浆（14）、岩样（15）、乳胶膜（16）和橡皮筋（17）；

在上盖板（3）上设置有导向孔（3-1）、导向孔密封圈（3-2）、排气孔（3-3）、穿孔（3-4）和上盖板密封圈（3-5）；

在下盖板（7）上设置有螺纹孔（7-1）、排水孔（7-2）、注水孔（7-3）、下盖板密封圈（7-4）和底座密封圈（7-5）；

其位置和连接关系是：

通过螺帽（5）和螺杆（6），下盖板（7）、压力室（10）和上盖板（3）自下而上依次连接组成外部结构；

底座（11）、垫环（12）、岩样（15）和导向管（2）自下而上依次连接组成内部结构，用乳胶膜（16）将内部构件嵌套为一整体；

在导向管（2）和导向孔（3-1）接触处设置有导向孔密封圈（3-2），在压力室（10）与上盖板（3）接触处设置有上盖板密封圈（3-5），在压力室（10）与下盖板（7）接触处设置有下盖板密封圈（7-4），在底座（11）和下盖板（7）接触处设置有底座密封圈（7-5），实现密封处理；

在岩样（15）中心，沿纵向设置有贯穿的岩样圆孔（15-1），在岩样圆孔（15-1）内设置有等长的螺纹杆（13），螺纹杆（13）与岩样圆孔（15-1）的内壁之间留有空隙，在空隙中浇筑有高流动性的水泥浆（14）；

导向杆（1）穿过导向管（2）和螺纹杆（13）上下连接。

2.基于权利要求1所述围压可控的岩石侧摩阻力测试装置的试验方法，其特征在于包括下列步骤：

①制样

在岩样（15）中心，沿纵向钻取贯穿的岩样圆孔（15-1），在岩样圆孔（15-1）内居中放置有等长的螺纹杆（13），螺纹杆（13）与岩样圆孔（15-1）的内壁之间留有一定的空隙，利用高流动性的水泥浆（14）浇筑空隙，在水泥浆（14）凝结硬化到指定强度后进行装样；

②放样

在水平的桌面上，由下及上依次把下盖板（7）、底座（11）、垫环（12）组装固定：底座（11）旋入下盖板（7）中，并放置底座密封圈（7-5），垫环（12）叠放在底座（11）上；岩样（15）叠放在垫环（12）上，在岩样（15）上部对中放置导向管（2），使导向管（2）的内孔对准螺纹杆（13）；利用乳胶膜（16）将导向管（2）、岩样（15）、垫环（12）和底座（11）嵌套在一起，在下部用橡皮筋（17）将乳胶膜（16）与底座箍紧，上部用橡皮筋（17）将乳胶膜（16）与导向管（2）底部圆环箍紧；

③组装

放样完成后，在下盖板（7）凹槽内放置下盖板密封圈（7-4），其上放置压力室（10）；导向管（2）穿过导向孔（3-1），使上盖板（3）压在压力室（10）上，并在压力室（10）与上盖板（3）接触处放置上盖板密封圈（3-5）；调整上盖板（3），使得上盖板（3）中的穿孔（3-4）与下盖板（7）中的螺纹孔（7-1）在竖直方向上对应；螺杆（6）穿过穿孔（3-4）旋进下盖板（7）中的螺纹孔（7-1）,调整均匀分布的四根螺杆的旋入速率，使固定后的上盖板（3）保持水平；将导向杆（1）***导向管（2）内；

④试验

将装置放在土工三轴试验加载***内，打开排气帽（4）、注水阀（9）和排水阀（8），将注水孔（7-3）与压力体积传感器（A）连接，排水孔（7-2）与回收桶连接；通过压力体积传感器（A）设定目标围压，水从注水孔（7-3）进入压力室（10）内，在水充满压力室（10）后，在排气孔（3-3）中旋紧排气帽（4），压力体积传感器（A）自动调节注水量，使岩样（15）处于目标围压中；

通过土工三轴试验加载***对装置施加荷载，使轴力通过导向杆（1）作用在螺纹杆（13）上，利用加载***的荷载位移传感器（B）采集数据；

⑤回收

试验结束后，设置压力体积传感器（A）目标值为零，打开排气帽（4），然后打开排水阀（8），关闭压力体积传感器（A）和注水阀（9），使压力室内的水在自重作用下从排水孔（7-2）中流出；排完水后，反向旋螺杆（7），打开上盖板（3），取出岩样（15），擦干装置零件并收集归位。