CN102435480A - 一种模拟水库消落带岩石湿干循环的三轴试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种模拟水库消落带岩石湿干循环的三轴试验装置及试验方法，包括手动油泵，加压泵，渗流泵，底座，反力架，底座固定安装在反力架上，反力架设有轴向测量表。底座上方设有三轴压力室，三轴压力室内设有围压室，三轴压力室外侧设有加热装置。底座设有输油管、输水管，输油管一端连接手动油泵，输油管另一端通向围压室，输水管连接渗流泵，渗流泵连接手动油泵。反力架上方设有千斤顶，千斤顶上固定有活塞，活塞内设有出水管。本发明在保持岩石试件围压不变的条件下，采用岩石试件轴向水压力的方式，缩短库水的长期浸泡引起库水渗入或渗出岩石的时间；利用加热装置对浸泡后的岩石试样进行干燥，缩短库水浸泡后的岩石达到天然含水状态的自然干燥时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟水库消落带岩石湿干循环的三轴试验装置及试验方法，属于岩土工程技术领域。
背景技术
水库水位周期性变化引起岸坡消落带内岩石地下水渗入和渗出，并带走岩石孔隙中的部分矿物，使岩石发生损伤，当损伤累积到一定程度，其强度将发生大幅度降低，甚至导致岩石的开裂破坏，严重者将引起岸坡的失稳。因此，为了合理评价库水位周期性变化条件下岩质岸坡的稳定性，需要通过试验确定库水位周期变化条件下岸坡消落带内的岩石强度。
目前对库水位周期变化条件下岸坡消落带内岩石强度的传统测试方法，是依据《水利水电工程岩石试验规程》(SL264-2001)将岩样全部浸入在水中自由吸水48小时后取出，将该岩样放入干燥箱，进行40±5℃下干燥24小时后取出，至此，完成水库水位一个周期变化条件下消落带内岩石的“湿干循环”过程。对于年调节和多年调节的水库岸坡消落带内岩石，在一年当中至少经历六个月的库水浸泡和六个月暴露在大气环境中，传统方法显然不能严格模拟试件的长期浸泡过程和自然干燥过程，原因在于该方法的浸泡时间仅为48小时、干燥时间仅为24小时；一般而言，消落带内岩石需经历几个库水位变化周期后，其强度才发生明显变化，如果严格按照年调节或多年调节水库水位变化周期，进行消落带内岩石强度的室内测试，则需要耗时几年的时间，这无疑使室内试验的效率极其低下。
发明内容
本发明的目的在于针对传统试验方法将库水位周期性变化条件下消落带内岩石试件置于无围压条件下进行浸泡和干燥，而不能模拟水库消落带岸坡岩石有围压状态的不足；针对库水位周期性变化条件下消落带内岩石强度测试试验效率低下的不足；提供一种可模拟水库水位周期性变化条件下消落带岩石原始应力状态、提高岩石强度测试试验效率的三轴试验装置及试验方法。
为解决上技术问题，本发明的目的是这样实现的：
一种模拟水库消落带岩石湿干循环的三轴试验装置，包括手动油泵，加压泵，渗流泵，底座，反力架，底座固定安装在反力架上，反力架上设轴向变形测量表；
底座上方设有三轴压力室，三轴压力室内设有围压室，三轴压力室外侧设有加热装置；
底座设有输油管、输水管，输油管一端连接手动油泵，另一端通向围压室，输水管连接渗流泵，渗流泵连接手动油泵；
反力架上方设有千斤顶，千斤顶上固定有活塞，活塞内设有出水管。
所述输油管通过蓄能皿连接手动油泵。
所述渗流泵通过加压泵连接手动油泵。
所述底座设有锁紧圈，锁紧圈用于锁紧底座与三轴压力室。
一种模拟水库消落带岩石湿干循环的三轴试验方法，由以下步骤构成：
步骤一：用橡胶套把岩石试件包好，放置在三轴压力室中央，待岩石试件放置合适后，用锁紧锁紧底座与三轴压力室，打开围压系统，由手动油泵将油液经输油管输送到岩石试件外围的围压室内；
步骤二：手动油泵提供压力，推动渗流泵内的水体经输水管连续不断地向三轴压力室输送，当达到模拟库水浸泡的时间时，停止向岩石试件输水；
步骤三：保持岩石试件的围压不变，将加热装置的开关打开，以试验设定的加热温度给围压室内的油加热，通过热量传递，对完成浸泡过程的岩石试件进行加热，当出水管中的空气含水量与岸坡空气中的含水量相等时，关闭加热装置，停止向岩石试件加热；
步骤四：手动油泵按应力或应变加载方式向千斤顶施加压力，千斤顶推动下部活塞向岩石试件施加轴向荷载，由轴向变形测量表测出岩石试件在压缩过程中应变值的大小，在保持消落带内岩石原有应力状态不变的条件下，压缩岩石试件至最终破坏；
通过上述步骤完成模拟水库消落带岩石湿干循环的三轴试验方法。
所述步骤一中试验围压根据岸坡岩石的实际围压大小确定后，由手动油泵将油液经输油管输送到岩石试件外围的围压室内，通过蓄能皿进行稳压。
所述步骤二中手动油泵向加压泵内提供压力，推动渗流泵内的水体经输水管连续不断地向三轴压力室输送，经岩石试件底部向上入渗，渗出的水经出水管排出。
本发明一种模拟水库消落带岩石湿干循环的三轴试验装置及试验方法的有益效果如下：
1.将岩石试件放置在有围压的压力室内进行浸泡和干燥，从而在不改变岸坡岩石环境应力状态情况下，实现经历多次湿干循环后岩石的强度测试；
2.在保持岩石试件围压不变的条件下，以通过岩石试件的渗水量相等为依据，采用增加试件轴向水压力的方式，缩短库水的长期浸泡引起库水渗入或渗出岩石的时间；
3.岩石试件围压不变的条件下，以烘干后岩石试件的含水量和处于自然干燥环境中岸坡岩石的含水量相等为依据，利用加热装置对浸泡后的岩石试件进行快速干燥，缩短库水浸泡后的岩石达到天然含水状态的自然干燥时间。
4、岩石试件从开始注水浸泡、加温干燥、直至受压完全破坏全过程，围压系统始终向压力室提供恒定围压，实现水库消落带岩石试件在原有环境应力状态保持不变的情况下，进行库水位周期性变化条件下的湿干循环过程模拟。
5通过增大岩石试件轴向水压力的方式，缩短库水的长期浸泡引起库水渗入或渗出岸坡岩石试件的时间，以提高实验效率；渗流泵内的水经加压泵加压处理后，经输水管从岩石试件的底部向上入渗，渗出的水由岩石试件上部的出水管自由排出。
6、利用加热升温的方式使岩石试件快速干燥，缩短库水浸泡后的岩石试件达到岸坡岩石天然含水状态所需的自然干燥时间，以提高实验效率。通过三轴压力室外包加热装置，对压力室内提供围压的油进行加热，通过热量传递，对完成浸泡过程的岩石试件进行加热，使岩石试件的快速干燥至天然含水状态。
附图说明
图1为本发明“水量相等”原理图；
图2为本发明试验装置的结构图；
图3为本发明流程图。
具体实施方式
如图2所示，一种模拟水库消落带岩石湿干循环的三轴试验装置，包括：手动油泵1，加压泵2，渗流泵3，输水管4，三轴压力室5，岩石试件6，出水管7，活塞8，10T的千斤顶9，锁紧圈10，底座11，橡胶套12，加热装置13，围压室14，输油管15，蓄能皿16，反力架17，轴向测量表18。
底座11上方设有三轴压力室5，三轴压力室5内设有围压室14，三轴压力室5外侧设有加热装置13。底座11设有输油管15、输水管4，输油管15一端连接手动油泵1，输油管15另一端通向围压室14，输水管4连接渗流泵3，渗流泵3连接手动油泵1。反力架17上方设有千斤顶9，千斤顶9上固定有活塞8，活塞8内设有出水管7。
所述输油管15通过蓄能皿16连接手动油泵1。
所述渗流泵3通过加压泵2连接手动油泵1。
所述底座11设有锁紧圈10，锁紧圈10用于锁紧底座11与三轴压力室5。
一种模拟水库消落带岩石湿干循环的三轴试验方法，由以下步骤构成：
步骤一：用橡胶套12把岩石试件6包好，放置在三轴压力室5中央，待岩石试件6放置合适后，用圆形锁紧圈10锁紧底座11与三轴压力室5，打开围压系统，由装置左侧手动油泵1将油液经输油管15输送到岩石试件6外围的围压室14内，试验围压根据岸坡岩石的实际围压大小确定后，可由手动油泵1施加相应的压力，并由蓄能皿16进行稳压，以实现消落带内岸坡岩石试件原始应力状态的模拟。
步骤二：围压稳定后，按公式③换算过的水压大小P，由装置右侧的手动油泵1向加压泵2内提供压力P，推动渗流泵3内的水体经输水管4连续不断地向三轴压力室5输送，经岩石试件6底部向上入渗，渗出的水经出水管7排出，当达到模拟库水浸泡的时间t时，停止向岩石试件6输水。通过这种方式可以快速模拟库水渗入和渗出消落带内岩石的过程。
步骤三：保持岩石试件6所受的围压不变，将加热装置13的开关打开，以试验设定的加热温度给围压室14内的围压油加热，通过热量传递，对完成浸泡过程的岩石试件6进行加热，当出水管7中的空气含水量与岸坡空气中的含水量相等时，关闭加热装置13，停止向岩石试件6加热。通过这种方式，使岩石试件6的快速干燥至天然含水状态。至此，就完成了水库消落带内岩石的一次湿干循环过程的模拟。
步骤四：按上述做法对岩石试件6进行若干次湿干循环后，使用装置左上端的手动油泵1按应力或应变加载方式向千斤顶9施加压力，千斤顶9推动下部活塞8向岩石试件6施加轴向荷载，由轴向测量表18随之测出岩石试件6在压缩过程中应变值的大小，在保持消落带内岩石原有应力状态不变的条件下，压缩岩石试件6至最终破坏，以获得消落带岩石在经历库水若干次湿干循环作用下的强度变化情况。压缩完成后，卸掉围压，取出岩石试件6，至此试验结束。
对于增加轴向水压力来缩短岩石试件6浸泡引起库水渗入或渗出岩石试件6的时间，其原理表述如下：
图1中(a)为水库正常蓄水位状态下岩石试件6承受的轴向水压P0，图1中(b)为试验状态下增大的轴向水压P，则(a)和(b)两种状态下通过岩石试件6的水量Q0和Q，二者的表达式见式①和式②。
Q0＝kP0At0/l ①
Q＝kPAt/l ②
式中，k为岩石试件6的轴向渗透系数，A为岩石试件6的横截面积，t0为轴向水压P0状态下岩石试件6经受库水浸泡的时间，t为轴向水压P状态下岩石试件6经受库水浸泡的时间，l为岩石试件6的长度，令Q0＝Q，则：
t＝P0t0/P ③
从式③可以看出：对于特定的水库而言，P0t0为定值，可以通过增大试验状态下轴向水压P来减小岩石试件6经受库水浸泡的时间t。
Claims (7)
1.一种模拟水库消落带岩石湿干循环的三轴试验装置，包括手动油泵(1)，加压泵(2)，渗流泵(3)，底座(11)，反力架(17)，底座(11)固定安装在反力架(17)上，反力架(17)设有轴向测量表(18)；
其特征在于：底座(11)上方设有三轴压力室(5)，三轴压力室(5)内设有围压室(14)，三轴压力室(5)外侧设有加热装置(13)；
底座(11)设有输油管(15)、输水管(4)，输油管(15)一端连接手动油泵(1)，输油管(15)另一端通向围压室(14)，输水管(4)连接渗流泵(3)，渗流泵(3)连接手动油泵(1)；
反力架(17)上方设有千斤顶(9)，千斤顶(9)上固定有活塞(8)，活塞(8)内设有出水管(7)。
2.根据权利要求1所述1一种模拟水库消落带岩石湿干循环的三轴试验装置，所述输油管(15)通过蓄能皿(16)与手动油泵(1)连接。
3.根据权利要求1所述1一种模拟水库消落带岩石湿干循环的三轴试验装置，所述渗流泵(3)通过加压泵(2)连接手动油泵(1)。
4.根据权利要求1所述1一种模拟水库消落带岩石湿干循环的三轴试验装置，所述底座(11)设有锁紧圈(10)，锁紧圈(10)用于锁紧底座(11)与三轴压力室(5)。
5.由权利要求1所述的模拟水库消落带岩石湿干循环的三轴试验装置的试验方法，其特征在于由以下步骤构成：
步骤一：用橡胶套(12)把岩石试件(6)包好，放置在三轴压力室(5)中央，待岩石试件(6)放置合适后，用锁紧圈(10)固定好底座(11)，打开围压系统，由手动油泵(1)将油液经输油管(15)输送到岩石试件(6)外围的围压室(14)内；
步骤二：手动油泵(1)提供压力，推动渗流泵(3)内的水体经输水管(4)连续不断地向三轴压力室(5)输送，当达到模拟库水浸泡的时间时，停止向岩石试件(6)输水；
步骤三：岩石试件(6)所受的围压不变，将加热装置(13)的开关打开，以试验设定的加热温度给围压室(14)内的围压油加热，通过热量传递，对完成浸泡过程的岩石试件(6)进行加热，当出水管(7)中的空气含水量与岸坡空气中的含水量相等时，关闭加热装置(13)，停止向岩石试件(6)加热；
步骤四：手动油泵(1)按应力或应变加载方式向千斤顶(9)施加压力，千斤顶(9)推动下部活塞(8)向岩石试件(6)施加轴向荷载，由轴向测量表(18)测出岩石试件(6)在压缩过程中应变值的大小，在保持消落带内岩石原有应力状态不变的条件下压缩岩石试件(6)至最终破坏；
通过上述步骤完成模拟水库消落带岩石湿干循环的三轴试验方法。
6.根据权利要求5所述模拟水库消落带岩石湿干循环的三轴试验方法，其特征在于：所述步骤一中试验围压根据岸坡岩石的实际围压大小确定后，由手动油泵(1)将油液经输油管(15)输送到岩石试件(6)外围的围压室(14)内，通过蓄能皿(16)进行稳压。
7.根据权利要求5所述模拟水库消落带岩石湿干循环的三轴试验方法，其特征在于：所述步骤二中手动油泵(1)向加压泵(2)内提供压力，推动渗流泵(3)内的水体经输水管(4)连续不断地向三轴压力室(5)输送，经岩石试件(6)底部向上入渗，渗出的水经出水管(7)排出。
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