一种土遗址锚固浆体‑基体界面力学特性试验装置及方法与流程

本发明属于土遗址保护中锚固系统浆体-基体界面力学性能研究技术领域，特别涉及一种土遗址锚固浆体-基体界面力学特性试验装置及方法。

背景技术：

土遗址作为我国优秀文化遗产的重要组成部分，遍布全国，它具有重大历史、艺术、科学、社会和文化价值。但长期以来受到自然环境因素及人类活动的严重影响，大部分土遗址处于濒危状态。为延缓土遗址的劣化，提高土遗址的寿命。基于文物保护的理念和准则，锚固成为目前被普遍接受的隐蔽性好、施工扰动程度小的力学稳定性技术。在土体中进行锚固，锚杆灌浆体与土体间的粘结摩阻强度是较低的。怎样将灌浆材料与遗址土体有效粘结并合理运用到实际工程之中是当前研究的一个重要课题。

土遗址加固用的全长黏结拉力型锚杆的力学传递过程为：由锚杆杆体传递至浆体材料，再由浆体材料传递至基体。因此从力学稳定性的角度来说，锚杆与浆体的粘结作用、浆体与周围土体的粘结作用是决定锚固系统承载性能的主要因素。一旦粘结作用失效，整个锚固系统就会破坏，从而导致遗址体的坍塌。所以，锚固系统界面力学传递机理成为锚固技术研究中的重点。

目前关于杆体与灌浆体的界面研究已经比较成熟，而浆体-基体的界面研究则非常少，这迫切的需要我们对此填补空缺。因此，开发一种可用于研究锚固系统中浆体与基体界面间剪切-位移本构关系的室内推出试验系统，深入研究第二胶结面间的界面力学性能，对揭示锚固机制、提高锚固能力、建立锚固系统的计算理论及其应用性研究具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为研究锚杆灌浆体与土体间的粘结作用，填补浆体与土体界面研究的空白，提供了一种浆体-基体推出试验制样装置及系统。

本发明提供的技术方案为：

一种土遗址锚固浆体-基体界面力学特性试验装置，包括加载机构、制样机构，所述制样机构包括：

制样底座，其中心设置有通孔；

多个侧壁叶片，其设置在所述制样底座上方，所述侧壁叶片呈圆弧状，并且所述多个侧壁叶片围成一个空心圆柱形；

叶片紧箍，其套设在所述侧壁叶片外侧，所述叶片紧箍上设置有3个螺钉，以将侧壁叶片锁紧；

芯杆，其插入到所述制样底座通孔处，用以在所制土体试样中心预留一个圆柱孔。

优选的是，所述芯杆为光圆芯，用以在所制土体试样中心预留一个内壁光滑的圆柱孔。

优选的是，所述芯杆为螺纹芯，用以在所制土体试样中心预留一个内壁粗糙的圆柱孔。

优选的是，所述制样底座上部设置有凹槽，应用于固定侧壁叶片。

优选的是，所述侧壁叶片设置有3个，并且侧壁叶片的弧度为120°。

优选的是，所述制样底座上方设置有两个螺杆，所述螺杆呈竖直布置，所述叶片紧箍上设置有两个突出部，所述突出部通过螺帽与螺杆的顶部相固定。

优选的是，所述加载机构包括：

工作台；

立柱，其设置在所述工作台上表面边角处；

上横梁，其设置在所述立柱的顶部；

活动横梁，其设置在所述上横梁的下方，所述活动横梁能够上下移动；

上钳口，其固定在所述活动横梁的下方；

下钳口，其固定在所述工作台上；

加载杆，其与所述上钳口连接，以通过加载杆对所制土体试样中心灌浆处进行加载。

承载底座，其与所述下钳口连接，所述承载底座上部设置有护壁，所述护壁上设置3个螺钉，应用于紧固土体试样的下部。

优选的是，所述加载杆包括位于中部的连杆，所述连杆的下端通过螺纹与加载压头固定连接；所述连杆的上端通过螺纹与连接器固定连接；所述连接器的外壁上设置有外螺纹，通过该外螺纹与锁紧环连接；所述连接器能够与所述上钳口连接。

优选的是，所述承载底座侧壁上设置有观察孔，所述承载底座上部设置有护壁，所述护壁上设置3个螺钉，应用于固定土体试样的下部。

一种土遗址锚固浆体-基体界面力学特性试验方法，包括以下步骤：

步骤一、以击实试验用湿法制备测得遗址土样最优含水率；

步骤二、称取天然含水率的遗址土样，碾散后过筛并拌匀，按最优含水率用喷水设备在土料上均匀喷洒所需的加水量，拌匀并密封静置12小时；

步骤三、平稳放置制样机构的制样底座，在侧壁叶片内壁、制样底座上部均匀地涂抹一薄层润滑油，并将侧壁叶片、制样底座及叶片紧箍拼装完成；

步骤四、按试验要求层数，分层手工夯实，从制备好的土料中称取击实一层所需用量分步倒入，应保证击锤自由垂直下落，击点均匀分布于土面上，两层相接的土面应进行刨毛处理；击实完成后高于侧壁叶片顶部的应抹去并刮平；应注意，击实最后一层时，为便于加土，应将套筒套设在制样装置的顶部；

步骤五、用修土刀沿侧壁叶片组合顶部修平试样，缓慢抽出中间的光圆芯，再取下叶片紧箍，将侧壁叶片分别向上滑出；而对于螺纹芯的抽取，则需要借助螺纹盖。取下叶片紧箍，将螺纹盖放置，拧紧螺钉，将其与侧壁叶片一起固定，缓慢将螺纹芯拧出，再取下螺纹盖，将侧壁叶片分别向上滑出。

步骤六、在土样中心成孔处灌注所配置的浆液，等待浆液与土体试样粘结养护完成；

步骤七、将承载底座放在压力机上，与下钳口连接；

步骤八、将制成试样放入承载底座上的护壁中；

步骤九、用侧壁叶片重新将制成试样箍紧，并将叶片紧箍套设在侧壁叶片的上部，拧紧叶片紧箍与承载底座护壁上的共6个螺钉，使中间的土体试样紧固。这样外部围压得以保证，模拟实际中应该有更大的遗址范围；

步骤十、使用加载机构对试样中心灌浆处进行加载，使试样从土与浆体界面破坏，获取剪切-位移曲线。

本发明的有益效果体现在以下方面：

(1)所有仪器与配件均为钢制，可以满足目前夯筑土体试样和与试验机配合下浆体与遗址土体推出试验的刚度要求。

(2)制样装置均为可拆卸装置，由装置制样底座、三枚侧壁叶片、叶片紧箍及光圆芯、螺纹芯等组成。叶片紧箍与螺帽可固定侧壁叶片，以承载对土样的夯筑压实功；光圆芯与螺纹芯均为实心，可插入制样底座的通孔处，为了在制出的试样中间预留一个中心孔柱，用以灌注浆液。

(3)设有光圆芯与螺纹芯，能分别制出不同孔壁粗糙度的试样，用以研究不同孔壁粗糙度对浆体—基体界面力学性能的影响。

(4)加载杆均为可拆卸装置，由可变径压头、连杆、连接器及锁紧环组成，使得控制长度与孔径变得灵活。与连杆相连的压头可以按试验需求增加或减少直径，满足不同试验方案预留孔柱不同直径的问题。而连杆的长度也可按试验所需增加或减少，以满足不同试验方案模拟不同注浆深度的问题。锁紧环可增强连杆与连接器之间的紧密性，避免松动。

(5)承载底座呈空心状，顶部设置有通孔，以便于浆体被推出从孔内落下，开孔大小略大于所制试样预留孔柱；且顶部设置护壁，护壁上设有3个螺钉，试验加载时，拧紧螺钉，用以紧固中间土体试样的下部；侧壁设置有观察孔，便于观察浆体被推出的进度；下方凸出与压力机下钳口嵌合，以保证此承载底座承载浆体被推出时的稳定性。

附图说明

图1为本发明所述的土遗址锚固浆体-基体界面力学特性试验装置总体结构示意图。

图2为本发明所述的加载杆结构示意图。

图3为本发明所述的制样机构结构示意图。

图4为本发明所述的光圆芯结构示意图。

图5为本发明所述的螺纹芯结构示意图。

图6为本发明所述的螺纹盖结构示意图。

图7为本发明所述的承载底座主视图。

图8为本发明所述的承载底座左视图。

图9为本发明所述的剪切-位移曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明提供了一种土遗址锚固浆体-基体界面力学特性试验装置，包括加载机构110、制样机构120，其中所述加载机构为一压力机，其包括位于底部的工作台111，在工作台111的上边角处设置有立柱112，在立柱的顶部设置有上横梁113。在上横梁113下方设置有活动横梁114，所述活动横梁114能够上下移动，从而进行压力加载。所述活动横梁114下部固定有上钳口115，通过上钳口115与加载杆130用销钉116连接。所述工作台111上方设置有下钳口117。

如图2所示，所述加载杆130包括位于中部的连杆131，所述连杆131的下端通过螺纹与加载压头132固定连接。所述连杆131的上端通过螺纹与连接器133固定连接。所述连接器133的外壁上设置有外螺纹，通过该外螺纹与锁紧环134连接。通过连接器133能够将加载杆130用销钉116固定在上钳口115上。

如图3、图4、图5、图6所示，所述制样机构120包括制样底座121，所述制样底座121中心设置有通孔，所述可使用光圆芯128或者螺纹芯插入到孔内。所述制样底座121左右两侧设置有两个螺杆122，并且通过螺母123将螺杆122与叶片紧箍125固定在一起。在制样底座121上方设置有3个侧壁叶片124，所述侧壁叶片124呈圆弧形，并且这三个侧壁叶片124弧度均为120°，使这三个侧壁叶片124围成一个空心圆柱形。在空心圆柱形的顶部设置有一个圆环形的叶片紧箍125，所述叶片紧箍125套在三个侧壁叶片124的外侧，以使三个侧壁叶片124抱紧。所述叶片紧箍125上设有3个螺钉126，用于在试验加载时紧固中间的土体试样。所述叶片紧箍125的两个对侧设置有突出部，所述突出部通过螺帽127与螺杆122的顶部相固定。光圆芯128或者螺纹芯可插入制样底座121的通孔处，放置在所述三个侧壁叶片124围成的空心圆柱形内。

图7、图8所示，所述承载底座140呈空心状，其顶部中心处设置有通孔，所述承载底座侧壁上设置有观察孔141。且顶部焊有护壁142，护壁上设有3个螺钉143。所述承载底座140的底部与下钳口117连接。

本发明还提供了一种土遗址锚固浆体-基体界面力学特性试验方法，具体步骤如下：

1、以击实试验用湿法制备测得遗址土样最优含水率。

2、称取天然含水率的代表性遗址土样，碾散后过2mm筛并拌匀，按最优含水率用喷水设备在土料上均匀喷洒所需的加水量，拌匀并密封静置备用，静置时间约12小时。

3、选择平整场地，平稳放置制样机构120的制样底座121，在三枚侧壁叶片124内壁、制样底座121上部均匀地涂抹一薄层润滑油，将侧壁叶片124、制样底座121及叶片紧箍125拼装完成。检查仪器各部件是否连接紧密。

4、按所需试验要求层数，分层手工夯实。从制备好的土料中称取击实一层所需用量分部倒入，应保证击锤自由垂直下落，击点均匀分布于土面上，两层相接的土面应进行刨毛处理。击实完成后高于侧壁叶片124顶部的应抹去并刮平。应注意，击实最后一层时，为便于加土，应将套筒129套设在制样装置的顶部。

5、用修土刀沿侧壁叶片124组合顶部修平试样，先缓慢抽出中间的光圆芯128，再拧下两个螺帽127，取下叶片紧箍125，将3枚侧壁叶片124分别向上滑出；而对于螺纹芯的抽取，则需要借助螺纹盖。取下叶片紧箍124，将螺纹盖放上，拧紧螺钉，将其与侧壁叶片124一起固定，缓慢将螺纹芯旋转出，再取下螺纹盖，将侧壁叶片124分别向上滑出。均应注意保证试样完整，待试样稍干后将其从制样底座121上缓慢脱离，放置试验所需环境养护。

6、待土体试样养护完成，在其中心成孔处灌注所配置的本实验方案所设计的浆液。待浆液养护完成并与土体试样粘结良好，试样制备完成。

7、将加载杆130的连接器部分与试验机上钳口连接，承载底座140凸出嵌合进试验机下钳口处，并利用试验机移动活动横梁114调整加载杆压头与承载底座140上部的垂直距离，使得所制试样能完整放入。

8、用3枚侧壁叶片124重新将制成试样箍紧，放入承载底座上的护壁142中，并将叶片紧箍125套设在侧壁叶片124的上部，拧紧叶片紧箍125与承载底座护壁142上的共6个螺钉，使中间的土体试样紧固。这样外部给予足够的围压以避免在灌浆体被推出的过程中，基体的孔径受到一定径向压力的作用，而致使当径向压力达到某一数值时，基体率先发生破坏。

9、启动压力机，开始加载，可在承压底座处开设的观察孔中观察浆体被推出的过程。通过万能试验机的数据处理系统采集所需数据，得出剪切-位移曲线。所述剪切-位移曲线如图9所示。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。