一种原位直剪试验中混凝土与岩石胶结面剪切破坏过程可视化装置

摘要

本发明公开了一种原位直剪试验中混凝土与岩石胶结面剪切破坏过程可视化装置，包括支撑锚杆、支撑座、中立柱、旋转架、固定架、剪切盒和试块；支撑座的外侧均布有支撑锚杆，中立柱的上段转动套装有旋转套，旋转套能被驱动结构驱动转动，其外侧固定有向外侧延伸的旋转架，所述中立柱的下段固定有固定套，固定架处于旋转架内并固定在固定套上；在旋转架的两侧设置有与试块与岩体接触面对应的CT放射源和CT探测器，固定架的底部设置有剪切力加载部，本发明使用方便，能够直接应用与现场使用，混凝土试件与基岩胶结面处无任何遮挡物，可以得到胶结面内部全面、完整的三维CT扫描图像。

说明书

技术领域

本发明属于仪器仪表技术领域，具体涉及一种原位直剪试验中混凝土与岩石胶结面剪切破坏过程可视化装置。

背景技术

混凝土与基岩胶结面的开裂问题是引起大坝失稳的主要因素之一，尤其是在复杂环境条件下（循环荷载、地震、侵蚀等），大坝结构结合面区域极易产生裂缝并逐渐扩展。抗剪强度是表征坝体与基岩胶结面断裂损伤问题的一个重要力学指标，胶结面内部裂缝萌生、起裂、扩展和贯通过程的定量刻画对于厘定抗剪强度特性至关重要，需要精密的仪器进行检测，来判断两者之间的物质位移状况。

胶结面的剪切破坏过程十分复杂，直剪试验过程中混凝土与岩体相互贴合，对破坏过程的研究形成了较大阻碍。传统的直剪试验装置无法对整个实验过程进行准确的实时监测，通过结合声发射设备可以间接获取胶结面剪切破坏过程中裂纹产生及发展的时间信息和空间信息，但无法直接表征内部裂纹的动态演化过程。

工业显微CT扫描技术在直剪试验中的应用，可实现混凝土与基岩胶结面剪切渐进破坏过程中裂纹萌生、起裂、扩展和贯通的可视化，进而达到胶结面剪切破坏过程实时监测的目的。

工业显微CT扫描技术的原理是：将一束X射线投射到物体上并进行旋转扫描，通过物体对X射线的吸收(多次投影)来获得物体内部的物质分布信息，由计算机在工业显微CT扫描设备的探测空间范围内与空间某点相关的各个方向射线进行空间解算，得出与该点X射线吸收系数μ直接关联的数值CTP，从而形成一幅物体层面的μ数字图像。

根据工业显微CT扫描技术的基本原理可知，如果试件与CT放射源或接收器之间存在其他物体，特别是密度较大的物体遮挡，则会影响成像效果及精度，现有的原位直剪试验装置的固定装置、加载框架及测量系统多为金属材料制成，当利用显微CT进行扫描时，会遮挡部分试件，造成扫描图像无法全面、完整的反映整个剪切过程，影响破坏机理分析的准确性，于此，研究一种原位直剪试验中混凝土与岩石胶结面剪切破坏过程可视化装置是必要的。

发明内容

针对现有设备存在的缺陷和问题，本发明提供一种原位直剪试验中混凝土与岩石胶结面剪切破坏过程可视化装置，有效的解决了现有的设备无法在现场对岩层和试块之间的基岩胶结面进行准确扫描，使用范围较为局限的问题。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种原位直剪试验中混凝土与岩石胶结面剪切破坏过程可视化装置，包括支撑锚杆、支撑座、中立柱、旋转架、固定架、剪切盒和试块；所述支撑座的外侧均布有支撑锚杆，所述中立柱固定在支撑座的中部，在中立柱的上段转动套装有旋转套，旋转套能被驱动结构驱动转动，其外侧固定有向外侧延伸的旋转架，所述中立柱的下段固定有固定套，固定架处于旋转架内并固定在固定套上；在中立柱的底部稳固座，所述剪切盒适配的套装在试块上，稳固座的底部设置有滚珠，并顶靠在剪切盒的上部；在旋转架的两侧设置有与试块与岩体接触面对应的CT放射源和CT探测器，固定架的底部设置有剪切力加载部，剪切盒上设置有加载座，所述剪切力加载部沿水平方向设置并与加载座固定连接。

进一步的，所述支撑锚杆的下部锚固在固定结构上，其上部设置有外螺纹，支撑座的外侧均布有通孔，支撑锚杆套装在通孔内，并在其上设置有压帽，通过压帽给支撑座提供向下的压力，使中立柱从竖向压紧剪切盒。

进一步的，所述驱动结构包括电机和驱动齿轮，所述旋转套的上部固定有驱动齿轮，驱动齿轮套装在中立柱上，并与电机转轴上的动力齿轮传动连接。

进一步的，所述支撑锚杆的下部设置有岩体支撑装置，所述岩体支撑装置包括滑套、左螺套、右螺套、调节螺杆和外座，所述滑套套装在支撑锚杆上，并通过顶丝固定，外座处于外端其内侧设置有右螺套，左螺套固定在滑套上，调节螺杆螺纹上有反螺纹并适配的套装在左螺套和右螺套内。

进一步的，所述固定架与旋转架相邻间隔设置，并在两者之间设置有滚珠排。

进一步的，所述剪切盒包括上盒体、下底座和紧固螺杆，所述上盒体的上部设置有注浆口，下底座上设置有容纳槽，所述上盒体坐落在容纳槽内，并在上盒体和下底座上设置有对应的螺孔，紧固螺杆螺纹连接在其中，并将上盒体与下底座紧固在一起。

进一步的，所述注浆口处设置有密封盖，下底座的外侧设置有侧板，侧板之间围成容纳槽，所述加载座设置在上盒体上。

进一步的，所述侧板呈台阶状的子槽，下盒体的下部设置有与子槽适配的母槽，并在子槽与母槽之间设置有多道密封条。

进一步的，所述支撑锚杆设置有4根，所述剪切力加载部位于两个相对的支撑锚杆连线上。

进一步的，所述试件上表面对称设置4个法向位移传感器；在浇筑混凝土试件之前，把无线传感器设置于试件与基岩胶结面上，测量试件的剪切位移；剪切力加载部与剪切盒接触端设置力传感器，测量剪切力大小。

本发明的有益效果：本发明提供一种将试件与岩体接触面部分裸露在外的原位直剪试验设备，来改善CT成像的效果，并采用埋入式无线传感器系统代替传统的仪器设备监测试件的受载状态。此外，本发明还提供了一种CT旋转装置以实现三维成像，在剪切过程中对胶结面进行全方位扫描，以满足剪切破坏过程可视化的需求。

本发明中能够剪切力加载与旋转扫描同步进行，即慢慢的提高剪切力，并持续观察基岩胶结面的变化状况，实时研究基岩胶结面与剪力施加大小的关系，在具体的结构中旋转架处于外侧，固定架处于内侧，旋转扫描时不会干扰剪切力的施加，结构布置合理。

同时本发明通过中立柱以及支撑座给剪切盒施加向下的竖向力，能够避免剪切盒向上运动，影响剪切实验的进行，为了简化施工步骤，本发明中剪切盒能够在试块浇筑完毕后与试块一体固定，进而避免剪切盒与试块的分离，确保在实验过程中，剪切盒与试块之间的连接强度，同时简化了工序，同时利用该剪切盒能够提供标准的试块，避免试块制作时不规范导致剪切盒与试块之间难以匹配和装配困难的问题。

由此，本发明使用方便，能够直接应用与现场使用，混凝土试件与基岩胶结面处无任何遮挡物，可以得到胶结面内部全面、完整的三维CT扫描图像，实现胶结面在剪切破坏过程中其断裂面形态的可视化和数字化表征。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的主视图。

图3为本发明的内部结构示意图。

图4为CT放射源和CT探测器的相对关系示意图。

图5为岩体支撑装置的结构示意图。

图6为剪切盒的结构示意图。

图7为图6的拆解图。

图8为固定架与剪切盒的两个侧面结构示意图。

图中的标号为：1为支撑座，2为支撑锚杆，3为压帽，4为中立柱，5为旋转套，51为驱动齿轮，52为动力齿轮，53为电机，6为旋转架，7为CT放射源，8为CT探测器，9为固定套，10为固定架，11为剪切加载装置，12为剪切盒，121为上盒体，122为下底座，123为侧板，124为紧固螺杆，125为加载座，126为注浆口，127为密封盖，128为注浆管，13为稳固座，14为试块，15为岩体，16为滑套，17为左螺套，18为右螺套，19为调节螺杆，20为滚珠，21为滚珠排，22为滚珠排。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：本实施例旨在提供一种原位直剪试验中混凝土与岩石胶结面剪切破坏过程可视化装置，主要用于现场对试块施加剪切力，并对岩石与试块之间的胶结面进行扫描，来获取试块与岩石之间的受力状态分析，针对目前的结构中无法应用于现场，且进行研究使使用较为局限，数据信息量小，无法满足人们的需求，基于此，本实施例提供了一种原位直剪试验中混凝土与岩石胶结面剪切破坏过程可视化装置。

如图1-3中展示，一种原位直剪试验中混凝土与岩石胶结面剪切破坏过程可视化装置，包括支撑锚杆2、支撑座1、中立柱4、旋转架5、固定架10、剪切盒12和试块14；支撑座1的外侧均布有支撑锚杆2，所述中立柱4固定在支撑座1的中部，支撑座1位于整个装置上部，并作为设备的固定安装基础。

在中立柱4的上段转动套装有旋转套5，旋转套5能被驱动结构驱动转动，驱动结构包括电机53和驱动齿轮51，旋转套5的上部固定有驱动齿轮51，驱动齿轮51套装在中立柱4上，并与电机53转轴上的动力齿轮52传动连接，旋转套5的外侧固定有向外侧延伸的旋转架6，中立柱4的下段固定有固定套9，固定架10处于旋转架6内并固定在固定套9上；在中立柱4的底部稳固座13，如图3中展示，旋转架6处于外圈，并将固定架10包裹在内部，固定架和旋转架均与中心柱作为固定基础。

剪切盒12适配的套装在试块14上，稳固座13的底部设置有滚珠20，并顶靠在剪切12盒的上部；当装置组装完毕后，中立柱4向下提供竖向作用力，该作用力最终作用于稳固座13上，通过稳固座13确保剪切盒12处于水平的稳固状态，避免在剪切力施加过程中出现偏斜。

在旋转架6的两侧设置有与试块与岩体接触面对应的CT放射源7和CT探测器8，固定架10的底部设置有剪切力加载部11，剪切力加载部11可以为油缸、气缸、液压千斤顶等结构，剪切盒12上设置有加载座125。

剪切力加载部11沿水平方向设置并与加载座125固定连接，支撑锚杆2设置有4根，剪切力加载部11位于两个相对的支撑锚杆连线上，具体实施时，锚杆横向间距约为1.2m，纵向间距约为0.8m，深埋于地下，埋入端长约为3~4m，出露端长约为1m，在出露端外侧锚杆上通过锚具锁定顶板；支撑座中间固定一根中立柱，用于安装固定架及旋转装置。

剪切盒12放置在混凝土试件14上端，剪切盒12上部连接滚珠20，滚珠20与用于对剪切盒施加竖向稳固力的中立柱连接，剪切力加载部固定在固定架10内，固定架10可以为框架结构也可以问封闭的套筒结构，用于对混凝土试件施加剪切荷载的剪切加载装置固定在固定架内，另一端抵触在剪切盒的侧边。

剪切盒12放置于用于限制试块14侧向位移的固定架10中，固定架10用于限制试件剪切盒在垂直于剪切方向上的位移，必要时在剪切盒的外侧壁与固定架的内侧壁之间设有能沿剪切力施加方向滚动的滚珠排22，该滚珠排对试件剪切盒剪切方向上的位移没有限制。

本实施例在实施时可以将支撑锚杆紧固在现场的岩层上，并在岩层上开设处便于CT旋转扫描的空间，将剪切盒设置为凹型中空立方体，内空部分可镶嵌试件长度的1/5，其形状或尺寸可根据试件进行相应调整，无线传感系统器系统包括位移传感器、力传感器、电机控制器；在混凝土试件上表面对称设置4个法向位移传感器，测量试件的法向位移；在浇筑混凝土试件之前，把无线传感器设置于试件与基岩胶结面上，测量试件的剪切位移；在剪切力加载部设置力传感器，测量剪切力大小；电机控制器用于控制旋转装置的转速及转向；在浇筑完成之后测试传感器系统能否正常工作，当进行CT扫描时，所述旋转架可在旋转驱动结构的驱动下带动CT扫描系统绕中立柱3旋转，使CT扫描系统在旋转装置的配合下可获取混凝土试件与基岩胶结面内部完整的三维CT扫描图像。

实施例2：本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：本实施例对支撑锚杆的结构进一步说明。

本实施例中在支撑锚杆2的下部锚固在固定结构上，其上部设置有外螺纹，支撑座的外侧均布有通孔，支撑锚杆套装在通孔内，并在其上设置有压帽3，通过压帽3给支撑座提供向下的压力，使中立柱4从竖向压紧剪切盒12；本实施例中能够通过压帽3给支撑座提供向下的压力，进而给中立柱提供向下的压力，使其能压迫剪切盒。

实施例3：本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：本实施例设置了岩体支撑装置。

本实施例中所针对对象为单独块的岩石，将支撑锚杆固定在地面上，并在支撑锚杆的下部设置有岩体支撑装置，其用于固定岩体避免其在施加剪力后移动。

具体的结构中如图5中展示，岩体支撑装置包括滑套16、左螺套17、右螺套18、调节螺杆19和外座，滑套16套装在支撑锚杆2上，并能通过顶丝固定，使滑套在调节到位后进行锁死，外座处于外端其内侧设置有右螺套18，左螺套17固定在滑套16上，调节螺杆19螺纹上有反螺纹并适配的套装在左螺套和右螺套内；通过旋拧调节螺杆能够使滑套与外座之间的间距变大或变小，而支撑锚杆2处于固定状态，进而能使外座顶触在岩体的外侧，对岩体进行固定。

本实施例中适用于将从岩层中挑选的特定岩块，整个装置可以锚固不动，将挑选的岩块置于岩体支撑装置处进行加固即可进行扫描。

实施例4：本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：本实施例对进一步对固定架和旋转架的结构进一步说明。

本实施例中如图5中展示，固定架10与旋转架6相邻间隔设置，并在两者之间设置有滚珠排22，本实施例中结构，旋转架不仅以中立柱为中心基础，同时借助于固定架的稳定特性，在两者之间设置了旋转支撑结构，结构紧凑，稳定性高。

实施例5：本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：本实施例对剪切盒12的结构进一步说明。

本实施例中如图6-7中展示剪切盒12包括上盒体121、下底座122和紧固螺杆124，上盒体121的上部设置有注浆口126，下底座122上设置有容纳槽，上盒体121坐落在容纳槽内，并在上盒体121和下底座122上设置有对应的螺孔，紧固螺杆124螺纹连接在其中，并将上盒体与下底座紧固在一起。

本实施例提供了一种能够直接在岩体上浇筑试块的剪切盒，在使用时，首先在岩层上布置下底座，然后将剪切盒对接在下底座上然后进行固定，当试块凝固后，将下底座拆除，并暴露出胶结面，使其能被扫描，同时允许试块在受到剪切力后发生形变，避免干扰，在下底座拆除后，上部的即为剪切盒，且能够完美适配试块，避免由于试块不合规，导致剪切盒与试块套装困难，剪切盒在受到剪切力后容易与试块分离，试块与剪切盒在套装时容易存在间隙等问题，不仅提高了检测效率，简化了操作步骤，同时这种结构试块标准，针对不同的岩体试验精确，减少了变量。

并在具体结构中，在注浆口126处设置有密封盖127，将注浆管128插入注浆口126处进行注浆作业，待注浆完成后，将注浆管拔出，并封闭密封盖127，带试块凝固后，将其置于中立柱的下方，并将其侧面的加载座与剪切力加载部连接，岩体根据需要进行固定即可开始扫描。

同时本实施例在下底座的外侧设置有侧板123，侧板123之间围成容纳槽，加载座125设置在上盒体121上，具体实施时可以将侧板设置为台阶状的子槽，下盒体121的下部设置有与子槽适配的母槽，并在子槽与母槽之间设置有多道密封条，这种结构便于进行拆除同时提高了剪切盒的密封性，避免漏浆。