CN101692082A - 堆石料风化仪 - Google Patents

Abstract

一种堆石料风化仪，包括设置在支架底座上部的滚动轴承，滚动轴承上依次设有压缩剪切试验盒、透水板、加压帽、加压头和保温罩，保温罩上的顶梁与位移传感器相连后并与保温罩相连；支架底座下设调平装置、杠杆及加载砝码，剪切试验盒与低温冷却液循环泵和高温循环器相连；压缩剪切试验盒与温控箱、及空气压缩机相连；压缩剪切试验盒与水箱相连，剪切试验盒底部的滑动板与水平加载电机相连，横梁上的水平荷载传感器与上盒右部相连，装入试样，施加竖向荷载，调节平衡，对试样进行温度控制和干湿控制，测量竖直变形，完成冷热循环和干湿循环后，对试样剪切，测水平荷载大小，具有能实现干湿循环、温度变化和应力三因素耦合的特点。

Description

堆石料风化仪

技术领域

本发明属于涉及一种风化仪，特别涉及一种堆石料风化仪。

背景技术

目前在我国一系列300m级的超高堆石坝正在规划设计和建设中，如糯扎渡(261.5m)、两河口(295m)、双江口(314m)、古水(305m)和其宗(352m)等工程。由于这些工程规模浩大，影响深远，充分保证其安全性是进行工程建设的核心问题。作为主要筑坝材料的堆石料，其力学特性将直接关系到堆石坝整体的安全性。

堆石坝一般总是由当地开采的堆石料填筑而成。强度高、压缩性小、工程性质长期稳定的材料通常是筑坝堆石料的首选。但在许多条件下，一些易风化岩性的堆石料，尤其是许多软岩料也被广泛应用于堆石坝的填筑。这些堆石料在坝体长期运行过程中，由于水库蓄水位波动、降雨浸入、蒸发以及温度变化等都会发生力学性质的明显劣化，也即风化。另外，堆石坝是当地材料坝，填筑的堆石料需在当地开采，因而会遇到各种岩性和状况的堆石料，难以仅用易风化或不风化进行简单区分。许多情况下需要对特定堆石料风化的难易程度及对力学特性的影响做出具体的评价。堆石料劣化过程会使坝体产生附加的后期变形，对堆石坝的长期安全性带来不利的影响。因而，研究堆石料的劣化过程和劣化变形的规律是十分必要的。

考虑风化作用的堆石料试验，是研究和揭示风化作用下堆石料力学性质劣化规律的重要途径。试验设备的研制是试验研究的前提。现有的相关试验仪器尚不能实现干湿循环、温度变化和应力三因素之间耦合作用的功能，而在工程实践中堆石料是在荷载作用下经受各种自然环境因素的综合作用。为了揭示堆石料在干湿和温度变化等环境因素与载荷综合作用下力学性质劣化的物理机制，就需要研制能够进行该类试验研究的试验仪器。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种堆石料风化仪，具有能够实现干湿循环、温度变化和应力三因素耦合的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种堆石料风化仪，包括有支架底座2，支架底座2上部设有滚动轴承3，滚动轴承3上设有压缩剪切试验盒1，剪切试验盒1的上部依次设有透水板4、加压帽5、加压头6和保温罩7，保温罩7上设有顶梁9，位移传感器8设在顶梁9上并与保温罩7相连；支架底座2下部设有调平装置21，调平装置21与杠杆20的一端相连，杠杆20的另一端为加载砝码19；剪切试验盒1通过保温管与低温冷却液循环泵24和高温循环器18相连；试验盒1上的通气孔通过保温管与温控箱16相连，温控箱16与空气压缩机15相连；压缩剪切试验盒1的排水孔28通过水管与水箱17相连，剪切试验盒1底部还设有滑动板13，滑动板13通过传力丝杠12与水平加载电机10相连，水平加载电机10设置在横梁11左端，横梁11的右端设有水平荷载传感器14，水平荷载传感器14还与上盒25右部相连，两个侧压力传感器35分别与上盒25和下盒26连接。

所述的压缩剪切试验盒1中开设U型循环套管23。

所述的压缩剪切试验盒1，包括上盒25与下盒26组成，上盒25与下盒26之间设有开缝环27。

所述的保温罩7内侧衬有保温棉；保温管29为橡塑海绵保温材料。

所述的压缩剪切试验盒1与低温冷却液循环泵24和高温循环器18之间设有阀门。

所述的温控箱16与空气压缩机连接处设有阀门。

所述的压缩剪切试验盒1与水箱17之间设有阀门。

所述的低温冷却液循环泵24的型号为DLSB-5/10型，最低控制温度为-10℃，额定功率0.48千瓦。

所述的高温循环器18型号为GX-2010型，最高控制温度为200℃，额定功率1.2千瓦。

所述的温控箱16的密闭箱体31内设有半导体加热器30，制冷压缩机34、温控器22设在密闭箱体31外部；温控箱16的管路通过连接管可与排水孔28相通。

本发明的有益效果是：1)系统包括了竖向压缩系统、水平直剪系统、冷热循环系统和干湿循环系统，因而能够实现对堆石体试样干湿循环、温度变化和应力三因素耦合的试验研究；2)冷热循环控制系统采取了内外兼顾的设计思路。在试样容器侧壁中设计了U型套孔，以供高低温液体循环，从试样外侧对其进行加热和制冷。同时将冷热气体由空气压缩机直接通入试样，对试样内部进行快速地升温或降温。通过内外联合作用不仅可以使对试样温度的控制较为迅速，而且试样内的温度也较为均匀；3)在竖向压缩仪的基础上，耦合设计了水平向的直剪仪系统，能够在风化试验后直接就机测定试样的抗剪强度；4)上下盒间设置了开缝，为了减小剪切时上下盒间的摩擦，在支架底座与压缩剪切试验盒之间设有滚动轴承，同时也可避免上盒的侧翻、上翘。在进行压缩试验和风化试验时，上下盒间的开缝通过开缝环固定。5)该设备在与下盒固定的滑动板上施加水平荷载，上盒量测水平荷载，从而避免了试验盒滑动板与支架底座的滚动摩擦所引起的误差。6)竖向压力机械杠杆通过砝码施加，适合于进行长期的试验；该设备具有相对较大的试样尺寸(Φ＝15cm，h＝15cm)，较高的荷载(100kN)，从而可以进行较大粒径的堆石料试验。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，其中(a)为正视图；(b)为俯视图。

图2是冷热循环系统的示意图。

图3是压缩剪切试验盒1的上盒25的示意图，其中(a)为正视图；(b)为俯视图。

图4是压缩剪切试验盒1的下盒26的示意图，其中(a)为正视图；(b)为俯视图。

图5是剪切盒U型循环管路图，其中(a)为俯视图；(b)为A向展开图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1，一种堆石料风化仪，包括有支架底座2，支架底座2上部设有滚动轴承3，滚动轴承3上设有压缩剪切试验盒1，滚动轴承的作用是减小与压缩剪切试验盒1之间的摩擦，压缩剪切试验盒1中开设的U型循环套管23，它为高低温液体提供了在试样侧壁内循环供热或输冷的通道，剪切试验盒1的上部依次设有透水板4、加压帽5、加压头6和保温罩7，保温罩7内侧衬有保温棉以实现保温，保温罩7上设有顶梁9，移传感器8设在顶梁9上并与保温罩7相连；支架底座2下部设有调平装置21，调平装置21与杠杆20的一端相连，杠杆20的另一端加载砝码19，砝码19以杠杆20施加竖向载荷，加载过程中杠杆的平衡通过调平装置21调节；压缩剪切试验盒1与低温冷却液循环泵24和高温循环器18之间设有阀门，压缩剪切试验盒1通过保温管与低温冷却液循环泵24和高温循环器18相连，低温冷却液循环泵的型号为DLSB-5/10型，DLSB-5/10型低温冷却液循环泵最低控制温度为-10℃，额定功率0.48千瓦，高温循环器型号为GX-2010型，GX-2010型高温循环器最高控制温度为200℃，额定功率1.2千瓦，低温冷却液循环泵24和高温循环器18使得恒温的液体在试样侧壁中的U型循环套管内循环，可使试样侧壁迅速达到所要求的高温或低温状态，并和通过试样孔隙的冷热气体一起快速改变试样的温度；试验盒1上的通气孔通过保温管与温控箱16相连，保温管为橡塑海绵保温材料，其导热系数低，属高效保温材料，温控箱16采用半导体加热和压缩机制冷对空气进行加热和制冷，其设计容量为5千瓦；温控箱16与空气压缩机15相连，温控箱16与空气压缩机连接处设有阀门；压缩剪切试验盒1的排水孔28通过水管与水箱17相连，压缩剪切试验盒1与水箱17之间设有阀门，压缩剪切试验盒1底部还设有滑动板13，滑动板13通过传力丝杠12与水平加载电机10相连，加载电机10驱动传力丝杠12前进推动压缩剪切试验盒1，水平加载电机10设置在横梁11左端，横梁11的右端设有水平荷载传感器14，水平荷载传感器14还与上盒25的右部相连，两个侧压力传感器35分别与上盒25与下盒26连接。

水箱17和空气压缩机15组成干湿循环系统。干湿循环的技术方案是，通过位于试样上部的水箱17对试样进行浸水饱和。干燥时可将水从试样底部的排水孔排出，再通过空气压缩机15对试样进行风干。

横梁11、拉杆32、电机驱动蜗轮蜗杆装置33组成水平剪切系统。水平荷载通过应变控制的电机驱动蜗轮蜗杆装置33，传力丝杠12前进推动压缩剪切盒1的下盒。

参见图2，低温冷却液循环泵24、高温循环器18、温控箱16和在压缩剪切试验盒1中开设的U型循环套管23组成冷热液体循环系统。低温冷却液循环泵24和高温循环器18通过保温管与压缩剪切试验盒1的上盒25、下盒26中开设的U型循环套管23相连通，温控箱16分别与空气压缩机15和温控器22相连。

温度控制器22、温控箱16、空气压缩机15及其冷热气体输送管路组成冷热气体循环系统。

参见图2、3、4，压缩剪切试验盒1包括上盒25与下盒26，上盒25与下盒26之间设有开缝环27，上盒25与下盒26上分别开有侧压力传感器35的连接杆通孔36-1和36-2，滚动轴承3能够减小剪切时上下盒间的摩擦，同时也可避免上盒25的侧翻、上翘。

参见图5，压缩剪切试验盒1设有U型循环套管23，它为高低温液体提供了在试样侧壁内循环供热或输冷的通道，可使试样侧壁迅速达到所要求的高温或低温状态。

本发明的工作原理为：

在压缩剪切试验盒中装入试样，竖向荷载通过砝码19以杠杆20方式施加，杠杆的平衡通过调平装置21调节。在给定荷载作用下，通过冷热循环系统和干湿循环系统对试样进行温度控制和干湿控制。试验过程中的竖直变形通过安装在顶梁9上的位移传感器8测量。在冷热循环和干湿循环完成后，通过水平剪切系统对试样进行剪切，水平荷载大小通过水平荷载传感器量测。

图中：1.压缩剪切试验盒；2.支架底座；3.滚动轴承；4.透水板；5.加压帽；6.加压头；7.保温罩；8.位移传感器；9.顶梁；10.水平加载电机；11.横梁；12.传力丝杠；13.试验盒滑动板；14.水平荷载传感器；15.空气压缩机；16.温控箱；17.水箱；18.高温循环器；19.砝码；20.杠杆；21.调平装置；22.温控器；23.U型冷热液循环管路；24.低温冷却液循环泵；25.上盒；26.下盒；27.开缝环；28.排水孔；29.保温管；30.半导体加热器；31.密闭箱体；32.拉杆；33.电机驱动蜗轮蜗杆装置；34.制冷压缩机，35.侧压力传感器；36.上盒25上的侧压力传感器35的连接杆通孔；37.下盒26上的侧压力传感器35的连接杆通孔。

Claims (10)

1.一种堆石料风化仪，包括有支架底座(2)，其特征在于，支架底座(2)上部设有滚动轴承(3)，滚动轴承(3)上设有压缩剪切试验盒(1)，剪切试验盒1的上部依次设有透水板(4)、加压帽(5)、加压头(6)和保温罩(7)，保温罩(7)上设有顶梁(9)，位移传感器(8)设在顶梁(9)上并与保温罩(7)相连；支架底座(2)下部设有调平装置(21)，调平装置(21)与杠杆(20)的一端相连，杠杆(20)的另一端为加载砝码(19)；剪切试验盒(1)通过保温管与低温冷却液循环泵(24)和高温循环器(18)相连；试验盒(1)上的通气孔通过保温管与温控箱(16)相连，温控箱(16)与空气压缩机(15)相连；压缩剪切试验盒(1)的排水孔(28)通过水管与水箱(17)相连，剪切试验盒(1)底部还设有滑动板(13)，滑动板(13)通过传力丝杠(12)与水平加载电机(10)相连，水平加载电机(10)设置在横梁(11)左端，横梁(11)的右端设有水平荷载传感器(14)，水平荷载传感器(14)还与上盒右部相连，两个侧压力传感器35分别与下盒连接。

2.根据权利要求1所述的一种堆石料风化仪，其特征在于，所述的压缩剪切试验盒(1)中开设的U型循环套管(23)。

3.根据权利要求1或2所述的一种堆石料风化仪，其特征在于，所述的压缩剪切试验盒(1)，包括上盒(25)与下盒(26)，上盒(25)与下盒(26)之间设有开缝环(27)。

4.根据权利要求1所述的一种堆石料风化仪，其特征在于，所述的保温罩(7)内侧衬有保温棉；保温管(29)为橡塑海绵保温材料。

5.根据权利要求1所述的一种堆石料风化仪，其特征在于，所述的压缩剪切试验盒(1)与低温冷却液循环泵(24)和高温循环器(18)之间设有阀门。

6.根据权利要求1所述的一种堆石料风化仪，其特征在于，所述的温控箱(16)与空气压缩机(15)连接处设有阀门。

7.根据权利要求1所述的一种堆石料风化仪，其特征在于，所述的压缩剪切试验盒(1)与水箱(17)之间设有阀门。

8.根据权利要求1或5所述的一种堆石料风化仪，其特征在于，所述的低温冷却液循环泵(24)的型号为DLSB-5/10型，最低控制温度为-10℃，额定功率0.48千瓦。

9.根据权利要求1或5所述的一种堆石料风化仪，其特征在于，所述的高温循环器18型号为GX-2010型，最高控制温度为200℃，额定功率1.2千瓦。

10.根据权利要求1所述的一种堆石料风化仪，其特征在于，所述的温控箱(16)的密闭箱体(31)内设有半导体加热器(30)，制冷压缩机(34)、温控器(22)设在密闭箱体(31)外部；温控箱(16)的管路通过连接管可与排水孔(28)相通。

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