一種巖石裂隙凍脹變形量的測試裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種巖石力學試驗技術領域，更具體涉及一種巖石裂隙凍脹變形量的測試裝置，它適用于花崗巖、砂巖等硬巖和中硬巖原生裂隙、混凝土等人工材料預制裂隙的凍脹變形測量。
【背景技術】
[0002]凍害問題嚴重威脅寒區工程巖體與混凝土結構的安全穩定。誘發巖體凍害的主要因素是裂隙中的水分在低溫環境下產生凍脹作用，引起巖體損傷。研究不同巖石類型、不同開度裂隙凍脹變形規律，對于揭示巖體凍融損傷機理，以及巖體工程凍害防御設計十分重要。
[0003]目前關于巖體裂隙凍脹變形的研究多采用理論和數值模擬的分析方法，缺少有效的室內試驗數據支撐。急需研發可準確反映不同巖性、不同特征裂隙的凍脹位移變化規律，為理論分析與數值計算提供試驗依據。
[0004]—種研究巖石裂隙凍脹變形量的方法是:采用含原生裂隙(大致平直)的天然巖塊切割成15cmX 15cmX 15cm的標準試件，或用混凝土等人工材料預制含裂隙的標準試件，人工飽水后置于凍融溫度控制箱。采用高韌性的塑料薄片制作應變片附條，其上粘貼有耐低溫應變片，應變片附條兩端設置定位螺釘，依靠外力將其兩端分別固定在裂隙兩側。應變片連接多通道應變儀，可實時自動監測應變變化，并轉化為位移數據。通過控制溫度箱溫度測出不同凍結條件，以及不同巖性、裂隙開度條件下的凍脹變形特征。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是在于針對目前低溫巖體力學領域試驗設備現狀，提供了一種巖石裂隙凍脹變形量的測試裝置。該裝置結構簡單，易于加工，成本低廉，易于操作、測試精度高，可準確、連續測試凍脹過程中巖體裂隙的凍脹變形，得出不同凍脹階段的裂隙變形特征。
[0006]為了實現上述的目的，本發明采用以下技術措施:
[0007]—種巖石裂隙凍脹變形量的測試裝置，它包括底板、底座、框架、緊固支座、緊固螺栓、橡膠墊片、緊固擋塊、定位擋塊、測點固定腹板、導線敷設板、滑槽、滑塊、測點定位螺釘、應變片、應變片敷設條、石英玻璃片、溫度補償應變片、導線、巖塊、裂隙(巖塊、裂隙不屬于裝置主體結構)。其特征在于:底板采用Q235鋼材制作，底板底部開螺孔，安裝第一底座、第二底座、第三底座、第四底座組成。框架采用角鋼焊接制作，框架焊接在底板上。底板上焊接緊固支座和緊固擋塊，緊固支座上安裝緊固螺栓，緊固螺栓末端設置橡膠墊片。采用Q235鋼材制作第一定位擋塊、第二定位擋塊，第一定位擋塊、第二定位擋塊分別焊接在底板上。采用Q235鋼材制作第一測點固定腹板、第二測點固定腹板，第一測點固定腹板、第二測點固定腹板兩端分別焊接在底板和框架上。在第一測點固定腹板、第二測點固定腹板上開10?15個滑槽和一個補償塊放置槽。應變片敷設條由滑槽、滑塊、測點定位螺釘、應變片組成，用高韌性塑料薄片制作應變片敷設條，在應變片敷設條兩端設置滑塊，滑塊嵌在滑槽內，滑槽與滑塊間涂抹潤滑黃油，滑塊可在滑槽間自由滑動，滑塊上設置測點定位螺釘，應變片粘貼在應變片敷設條上，應變片與導線連接。溫度補償應變片粘貼在石英玻璃片上，導線敷設板安裝在底板與框架之間，導線經由導線敷設板引出。
[0008]所述的石英玻璃片放在兩個測點固定腹板上的補償塊放置槽內。
[0009]所述的在測點固定腹板上設有10?15個應變片敷設條；
[0010]所述的在測點固定腹板上開設10?15個滑槽，對應每個滑槽布置一個應變片敷設條，其上粘貼應變片，用于測量該點對應位置的凍脹位移。
[0011 ] 所述的測點固定腹板上設置滑槽。
[0012]所述的滑塊間有應變片敷設條。
[0013]所述的鋼質底板厚10?15mm，邊長25?30cm。底板底部安裝四個底座。框架由3#等邊角鋼制成，高15?20cm，長寬尺寸與底板尺寸一致，焊接在底座上。定位擋塊由鋼制成，焊接在底板上、長寬高分別為3?5cm、2?3cm、2?3cm。定位擋塊可限定巖塊位置。緊固支座和緊固擋塊對稱焊接在底板近中央靠左位置，由厚10?15_的鋼板制成，寬高尺寸40?50mm。緊固螺栓桿體直徑10?12mm。末端粘貼橡膠墊片厚2?4mm，緊固螺栓可將巖塊夾緊。
[0014]所述的測點固定腹板Q235鋼材制作，邊緣厚8?10mm，其上沿豎向設置10?15個滑槽，滑槽深2?3mm，寬3?5mm，滑槽兩翼部位厚3?4mm。滑塊由硬質塑料制成，表面光滑，厚3?5mm，邊長4?6mm。滑槽與滑塊間涂抹潤滑黃油，滑塊可在滑槽間自由滑動。滑塊上設置測點定位螺釘，直徑3mm，定位螺釘可旋緊使尖端牢牢固定在巖塊上。
[0015]所述的測點固定腹板上的補償塊放置槽的空間尺寸大于石英玻璃片3mm以上，厚度大于石英玻璃片2mm以上，以保證石英玻璃片熱脹冷縮空間。
[0016]本發明與現有技術相比，具有以下優點和效果:
[0017]1)可連續測量巖體裂隙不同部位的凍脹變形；
[0018]2)測試精度高(凍脹位移可精確到(λ 01mm);
[0019]3)結構簡單，易于加工，成本低廉，易于操作。
[0020]預想的不同凍結溫度下的凍脹位移隨時間變化曲線，請見圖4、5。
[0021]此發明的試驗裝置測試精度高，加工簡單、成本低廉，有望為裂隙巖體凍脹機理的研究提供有效支持。
[0022]圖4和圖5即為理想的試驗所得曲線。
[0023]如圖4所示，在不同凍結溫度下裂隙凍脹變形發生速率有所不同。在凍結溫度下，裂隙中的水分相變結冰，產生約9%的體積膨脹而使裂隙產生張開位移，隨著時間延長，凍脹位移趨于某定值，稱為凍脹極限位移。凍結溫度越低，凍脹位移增長速率越快，凍脹位移越大，達到極限凍脹位移時間越短。理論解釋為:凍結溫度越低，相變發生速率越快，參與凍結的水分越多，凍結率(即參與凍結的水分比率)越高，從而凍脹位移越大。另一方面，凍結溫度越低，裂隙開口端迅速凍結，形成“冰塞”效應，有利于防止裂隙內部水分在凍結膨脹壓力下滲出。寒區巖體工程野外勘察已發現這類現象，但缺乏量化分析結論，需要室內試驗數據支撐。
[0024]如圖5所示，在某凍結溫度和某凍結時刻，裂隙不同位置處的凍脹位移可能不同。從凍脹裂隙細觀力學機制上分析，作用在裂隙面的法向凍脹應力產生的凍脹位移與該點到裂隙尖端的距離相關。依據彈性力學和斷裂力學理論分析，越靠近尖端凍脹位移越小，數值模擬計算結果也證明這一推斷，如圖6所示。這種現象使裂隙尖端產生應力集中，反復凍脹作用可能使得尖端發生破壞從而實現裂隙擴展。分析裂隙不同位置的凍脹位移變化規律，尤其是尖端附近的位移陡變區域變化特征，對于揭示裂隙巖體凍融損傷機理十分重要。目前該研究領域此方面多為理論和數值分析，尚無此類試驗研究的報道，需要研發此方面的試驗裝置。
【附圖說明】
[0025]圖1為一種巖石裂隙凍脹變形量的測試裝置的主視圖。
[0026]圖2為一種巖石裂隙凍脹變形量的測試裝置的俯視圖。
[0027]圖3為A1-A1截面的剖視圖。
[0028]圖4為理想的不同凍結溫度下裂隙某位置處的凍脹位移一時間曲線示意圖。
[0029](圖中:T為凍結溫度，均小于0°C;fu為極限凍脹位移)
[0030]圖5為理想的某凍結溫度下裂隙不同位置處凍脹位移一時間曲線示意圖。
[0031]圖6為砂巖-20°C凍結溫度下裂隙不同位置處凍脹位移位移矢量有限單元數值計算圖。
[0032]其中1.底板、2a.第一底座、2b.第二底座、2c.第三底座、2d.第四底座、3.框架、
4.緊固支座、5.緊固螺栓、6.橡膠墊片、7.緊固擋塊、8a.第一定位擋塊、8b.第二定位擋塊、9a.第一測點固定腹板、9b.第二測點固定腹板、10.導線敷設板、11.滑槽、12.滑塊、13.測點定位螺釘、14.應變片、15.應變片敷設條、16.石英玻璃片、17.補償塊放置槽、18.溫度補償應變片、19.導線、20.巖塊、21.裂隙。
【具體實施方式】
[0033]實施例1:
[0034]下面結合圖1、圖2、圖3和實施例對本發明的進行詳細的描述。
[0035]—種巖石裂隙凍脹變形量的測試裝置，它由底板1、第一底座2a、第二底座2b、第三底座2c、第四底座2d、框架3、緊固支座4、緊固螺栓5、橡膠墊片6、緊固擋塊7、第一定位擋塊8a、第二定位擋塊8b、第一測點固定腹板9a、第二測點固定腹板％、導線敷設板10、滑槽11、滑塊12、測點定位螺釘13、應變片14、應變片敷設條15、石英玻璃片16、補償塊放置槽17、溫度補償應變片、18、導線19、巖塊20、裂隙21構成。
[0036]其