CN103575863A

CN103575863A - 一种模拟岩石裂隙冻融水热迁移的试验装置

Info

Publication number: CN103575863A
Application number: CN201310544106.3A
Authority: CN
Inventors: 康永水; 刘泉声; 刘滨; 黄诗冰; 刘建平; 潘玉丛
Original assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Priority date: 2013-11-06
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2033-11-06
Also published as: CN103575863B

Abstract

本发明公开了一种模拟岩石裂隙冻融水热迁移的试验装置，它包括裂隙底板、可调式底座、暖端温度控制板、水量标尺、防冻套管、裂隙覆板、冷端注水孔塞、水平仪、裂隙，裂隙底板与裂隙覆板连接，裂隙两端设置暖端水槽和暖端水槽，暖端水槽上部的裂隙覆板开孔，连接外径的钢质波纹管，外部包裹防冻套管，外端连接水量标尺，冷端水槽上部的裂隙覆板开注水孔，安装冷端注水孔塞，裂隙底板底部安装可调式底座，裂隙覆板上部安装水平仪，暖端水槽底部安装暖端温度控制板。结构简单，易于加工，易于操作；可控制暖端和冷端温度，从而实现冻结环境下温度梯度控制；可准确直观反映冻结过程中不同温度梯度下裂隙内水分的迁移通量。

Description

一种模拟岩石裂隙冻融水热迁移的试验装置

技术领域

本发明涉及一种岩石力学试验技术领域，更具体涉及一种模拟岩石裂隙冻融水热迁移的试验装置，它适用于花岗岩、砂岩等硬岩和中硬岩裂隙冻融水热迁移的研究。

背景技术

冻害问题严重威胁寒区工程岩体的安全稳定。诱发岩体冻害的主要因素是裂隙中水分温度循环作用下发生冻胀融缩作用。冻融循环过程中的裂隙水热迁移迁移对于研究岩体冻害机理及研发冻害控制技术具有重要意义。

目前关于岩体裂隙水热迁移的研究多采用理论分析方法，缺少有效的试验数据支撑。急需研发可准确反映不同冻结条件下的温度场分布状况及水分迁移通量，为理论分析与数值计算提供试验依据。

一种研究岩体裂隙水热迁移的方法是：用玻璃(亲水性与岩石相似)制作人工裂隙，设置低温端和暖端，暖端设置温度控制板(补热装置)，并设保温层。裂隙沿程布设温度传感器，用以监测温度梯度。试验时，将装置置于冻融箱内，暖端设置软管(配防冻套管)，引出冻融箱，末端接水量标尺细管，用以监测水分运移。控制暖端温度补偿板保持暖端温度0℃以上定值，通过设置冻融箱(冷端温度)不同冻结温度，使裂隙沿程产生不同等级的温度梯度。冻融过程中记录水量标尺变化及温度分布状况，计算水分迁移通量，由此分析不同冻结温度、冻结历时等冻胀条件下的水热迁移方向与速率。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种模拟岩石裂隙冻融水热迁移的试验装置，该装置结构简单，易于加工，易于操作，可准确测试冻融过程中的温度场分布与水分迁移通量。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种模拟岩石裂隙冻融水热迁移的试验装置，它包括裂隙底板、可调式底座、隔热保温层、暖端温度控制板、暖端水槽、水量标尺、钢质波纹管、防冻套管、温度传感器、裂隙覆板、冷端注水孔塞、水平仪、冷端水槽、螺栓孔、裂隙、温度传感器导线、暖端温度控制板导线、连接端口、负向刻度线、零刻线、正向刻度线。其连接关系是：裂隙底板和裂隙覆板上各开10个螺栓孔。裂隙底板与裂隙覆板通过螺栓紧密连接贴合，夹层中形成裂隙。裂隙两端设置暖端水槽和冷端水槽，暖端水槽上部的裂隙覆板开小孔连接钢质波纹管，其外端连接水量标尺，外部包裹防冻套管。冷端水槽上部的裂隙覆板开注水孔，安装冷端注水孔塞。裂隙底板底部安装三个可调式底座，裂隙覆板上部安装相互垂直的两个水平仪。暖端水槽底部安装暖端温度控制板。

其特征在于：所述的裂隙底板与裂隙覆板紧密连接，中间制作凹陷面形成长0.3～0.5m、宽30～50mm、厚0.5～2mm的裂隙，用以模拟岩石中的裂隙面。裂隙两端设置暖端水槽和暖端水槽，用于调整冷端和暖端水量补给。暖端水槽上部的裂隙覆板10开直径4～6mm孔，连接外径4～6mm的可弯折钢质波纹管，其长度0.5～1.0m，外部包裹防冻套管，进行试验时钢质波纹管引出冻融低温环境，外端连接水量标尺。冷端水槽上部的裂隙覆板开注水孔，安装冷端注水孔塞。裂隙底板底部安装第一可调式底座、第二可调式底座、第三可调式底座，裂隙覆板上部安装第一水平仪、第二水平仪，通过调节第一可调式底座、第二可调式底座、第三可调式底座，使裂隙面保持水平状态。裂隙底板和裂隙覆板上开第一螺栓孔、第二螺栓孔、第三螺栓孔、第四螺栓孔、第五螺栓孔、第六螺栓孔、第七螺栓孔、第八螺栓孔、第九螺栓孔、第十螺栓孔，通过螺栓连接。暖端水槽底部安装暖端温度控制板，可控制暖端水温度，从而调节温度梯度。

所述的裂隙底板底部安装调式底座裂隙覆板上部安装第一水平仪、第二水平仪，通过调节可调式底座使裂隙面保持水平状态。裂隙底板和裂隙覆板上开螺栓孔，通过螺栓连接。暖端水槽底部安装暖端温度控制板，可控制暖端水温度，从而调节温度梯度。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

一种模拟岩石裂隙冻融水热迁移的试验装置，用玻璃(亲水性与岩石相似)制作人工裂隙，设置低温端和暖端，暖端设置温度控制板(补热装置)，并设保温层。裂隙沿程布设温度传感器，用以监测温度梯度。试验时，将装置置于冻融箱内，暖端设置软管(配防冻套管)，引出冻融箱，末端接水量标尺细管，用以监测水分运移。冷端设置封闭塞，可模拟开放和封闭系统及饱水、非饱水状态。控制暖端温度补偿板保持暖端温度0℃以上定值，通过设置冻融箱(冷端温度)不同冻结温度，使裂隙沿程产生不同等级的温度梯度。冻融过程中记录水量标尺变化，计算水分迁移通量，由此分析不同冻结温度、冻结历时等冻胀条件下的水热迁移方向与速率。结构简单，易于加工，易于操作；可控制暖端和冷端温度，从而实现冻结环境下温度梯度控制；可准确直观反映冻结过程中不同温度梯度下裂隙内水分的迁移通量。

预想的不同冻结温度下水分迁移通量与冻结时间的变化规律如图4A所示。根据沿裂隙布设的温度传感器读取的温度的数值，可得出温度分布的拟合曲线如图4B所示，根据图4B温度曲线的斜率可以得出温度梯度分布状况。

附图说明

图1为一种模拟岩石裂隙冻融水热迁移的试验装置的装配示意图（主视图）；

图2为一种模拟岩石裂隙冻融水热迁移的试验装置的装配示意图（俯视图）；

图3为一种水量标尺示意图。

其中1.裂隙底板、2a.第一可调式底座、2b.第二可调式底座、2c.第三可调式底座、3.隔热保温层、4.暖端温度控制板、5.暖端水槽、6.水量标尺、7.钢质波纹管、8、防冻套管、9a.第一温度传感器、9b.第二温度传感器、9c.第三温度传感器、9d.第四温度传感器、9e.第五温度传感器、9f.第六温度传感器、9g.第七温度传感器、9h.第八温度传感器、9i.第九温度传感器、10.裂隙覆板、11.冷端注水孔塞、12a.第一水平仪、12b.第二水平仪、13.冷端水槽、14a.第一螺栓孔、14b.第二螺栓孔、14c.第三螺栓孔、14d.第四螺栓孔、14e.第五螺栓孔、14f.第六螺栓孔、14g.第七螺栓孔、14h.第八螺栓孔、14i.第九螺栓孔、14j.第十螺栓孔、15.裂隙、16a.第一温度传感器导线、16b.第二温度传感器导线、16c.第三温度传感器导线、16d.第四温度传感器导线、16e.第五温度传感器导线、16f.第六温度传感器导线、16g.第七温度传感器导线、16h.第八温度传感器导线、16i.第九温度传感器导线、17.暖端温度控制板导线、18.连接端口、19.负向刻度线、20.零刻线、21.正向刻度线。

图4A为一种水分迁移通量—冻结时间关系曲线(预计)示意图。

图4B为一种冻结温度分布曲线(预计)示意图。

水分迁移通量随冻结时间的变化曲线预计如下：如图4A所示，通过控制暖端温度控制板可将暖端温度控制为定值（2～5℃）。（1）若冻结温度不是非常低，设定冻融箱的冻结温度后，冷端水温先降低，水分冷缩而导致水量标尺6的读数为负值(类似于液体温度计)。随后冷端出现冰晶体积缓慢膨胀产生冻胀冰压而将水分压向裂隙外部，使得水量标尺读数增长为正值。此时，冻结速率不快，冷端未冻水有足够的时间迁移至暖端，此时冻胀力造成的裂隙扩容效应不明显（图4A中T₃、T₄）；（2）若冻结温度非常低，冻结速率很快，会使得裂隙冷端水分来不及迁移至外部而被封闭，继续降温时，封闭冻胀冰压将裂隙撑开而在冻结前缘产生负水压，导致暖端水分向冷端迁移（图4A中T₁、T₂）。冻结过程中的任意时刻，可通过沿裂隙布设的温度传感器记录温度分布状况，曲线拟合之后可得出温度梯度分布状况及冻结前缘的位置。

在数值模拟计算中，水分迁移方向和速率对于研究寒区工程岩体裂隙冻胀力萌生增长、热-液-力耦合以及冻融损伤具有极其重要的影响。而目前该领域的的研究缺乏相关试验的验证支持，导致机理模糊不清。此发明的试验装置有望填补该领域的空白，解决验证岩石裂隙水热迁移难题，为数值模拟和理论分析工程岩体冻融损伤问题提供有效支持。

具体实施方式

实施例1：

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

一种模拟岩石裂隙冻融水热迁移的试验装置，它由裂隙底板1、第一可调式底座2a、第二可调式底座2b、第三可调式底座2c、隔热保温层3、暖端温度控制板4、暖端水槽5、水量标尺6、钢质波纹管7、防冻套管8、第一温度传感器9a、温第二度传感器9b、第三温度传感器9c、第四温度传感器9d、第五温度传感器9e、第六温度传感器9f、第七温度传感器9g、第八温度传感器9h、第九温度传感器9i、裂隙覆板10、冷端注水孔塞11、第一水平仪12a、第二水平仪12b、冷端水槽13、第一螺栓孔14a、第二螺栓孔14b、第三螺栓孔14c、第四螺栓孔14d、第五螺栓孔14e、第六螺栓孔14f、第七螺栓孔14g、第八螺栓孔14h、第九螺栓孔14i、第十螺栓孔14j、裂隙15、第一温度传感器导线16a、第二温度传感器导线16b、第三温度传感器导线16c、第四温度传感器导线16d、第五温度传感器导线16e、第六温度传感器导线16f、第七温度传感器导线16g、第八温度传感器导线16h、第九温度传感器导线16i、暖端温度控制板导线17、连接端口18、负向刻度线19、零刻线20、正向刻度线构成21。其连接关系是：裂隙底板1和裂隙覆板10上各开第一螺栓孔14a、第二螺栓孔14b、第三螺栓孔14c、第四螺栓孔14d、第五螺栓孔14e、第六螺栓孔14f、第七螺栓孔14g、第八螺栓孔14h、第九螺栓孔14i、第十螺栓孔14j。裂隙底板1与裂隙覆板10通过螺栓紧密连接贴合，夹层中形成裂隙15。裂隙15两端设置暖端水槽5和冷端水槽13，暖端水槽5上部的裂隙覆板开小孔连接钢质波纹管7，其外端连接水量标尺6，钢质波纹管7外部包裹防冻套管8。冷端水槽13上部的裂隙覆板10开小孔，安装冷端注水孔塞11。裂隙底板底部安装第一可调式底座2a、第二可调式底座2b、第三可调式底座2c，裂隙覆板10上部安装相互垂直的第一水平仪12a、第二水平仪12b。暖端水槽5底部安装暖端温度控制板4。

裂隙底板1与裂隙覆板10紧密连接，中间制作凹陷面形成长0.3～0.5m、宽30～50mm、厚0.5～2mm的裂隙15，用以模拟岩石中的裂隙面，裂隙底板1与裂隙覆板10贴合处刷适量密封胶。裂隙15两端设置暖端水槽5和暖端水槽13，用于调整冷端和暖端水量补给。暖端水槽5上部的裂隙覆板10外侧开直径4～6mm孔，通过密封胶连接外径4～6mm的可弯折钢质波纹管7，其长度0.5～1.0m，外部包裹防冻套管8，进行试验时钢质波纹管7引出冻融低温环境，外端连接水量标尺6，水量标尺6上设有连接端口18、负向刻度线19、零刻线20、正向刻度线21。冷端水槽上部的裂隙覆板10开注水孔，安装冷端注水孔塞11。裂隙底板1底部安装第一可调式底座2a、第二可调式底座2b、第三可调式底座2c，裂隙覆板上部安装第一水平仪12a、第二水平仪12b，通过调节第一可调式底座2a、第二可调式底座2b、第三可调式底座2c，使裂隙面保持水平状态。裂隙底板1和裂隙覆板10上开第一螺栓孔14a、第二螺栓孔14b、第三螺栓孔14c、第四螺栓孔14d、第五螺栓孔14e、第六螺栓孔14f、第七螺栓孔14g、第八螺栓孔14h、第九螺栓孔14i、第十螺栓孔14j，通过螺栓连接。暖端水槽底部安装暖端温度控制板4，可控制暖端水温度，从而调节温度梯度。

裂隙底板1与裂隙覆板10由石英玻璃制作，石英玻璃热膨胀系数极低，可大大降低试验装置热胀冷缩对试验结果的影响。裂隙15表面做磨砂面，从而更接近岩石界面的亲水性。试验时，将装置置于冻融箱内，水量标尺6引出冻融环境，钢质波纹管7引出冻融环境，其连接的水量标尺6竖直置于冻融箱，以观察记录水量迁移通量。水量标尺6为石英玻璃制作成的直管，带有水量刻度，内径2mm，长0.5～1.0m，顶端敞开，用以监测水分运移方向与通量。通过冷端注水孔将冷端水槽13、裂隙15和暖端水槽5注满水，再借助注射器将钢质波纹管7注满，水量标尺6注至零刻线20附近位置。通过设置冻融箱和暖端温度控制板4的温度可沿裂隙形成不同的温度梯度，通过沿裂隙布置的第一温度传感器9a、温第二度传感器9b、第三温度传感器9c、第四温度传感器9d、第五温度传感器9e、第六温度传感器9f、第七温度传感器9g、第八温度传感器9h、第九温度传感器9i监测温度梯度分布状况，并可估计冻结前缘位置。冷端水槽13设置冷端注水孔塞11，可模拟开放和封闭系统及饱水、非饱水状态。冻融过程中记录水量标尺变化，计算水分迁移通量，由此分析不同冻结温度、冻结历时等冻胀条件下的水热迁移方向与速率。

Claims

1.一种模拟岩石裂隙冻融水热迁移的试验装置，它包括裂隙底板（1）、第一可调式底座（2a）、暖端温度控制板（4）、水量标尺（6）、防冻套管（8）、裂隙覆板（10）、冷端注水孔塞（11）、第一水平仪（12a）、第一螺栓孔（14a）、裂隙（15），其特征在于：裂隙底板（1）与裂隙覆板（10）连接，中间制作凹陷面形成长0.3~0.5m、宽30~50mm、厚0.5~2mm的裂隙（15），裂隙（15）两端设置暖端水槽（5）和暖端水槽（13），暖端水槽（5）上部的裂隙覆板（10）开直径4~6mm孔，连接外径4~6mm的钢质波纹管（7），其长度0.5~1.0 m，外部包裹防冻套管（8），外端连接水量标尺（6），冷端水槽上部的裂隙覆板（10）开注水孔，安装冷端注水孔塞（11），裂隙底板（1）底部安装第一可调式底座（2a）、第二可调式底座（2b）、第三可调式底座（2c），裂隙覆板（10）上部安装第一水平仪（12a）、第二水平仪（12b），暖端水槽（5）底部安装暖端温度控制板（4）。

2.根据权利要求1所述的一种模拟岩石裂隙冻融水热迁移的试验装置，其特征在于：所述的裂隙覆板（10）上部安装第一水平仪（12a）、第二水平仪（12b），裂隙底板（1）和裂隙覆板（10）上开第一螺栓孔（14a）、第二螺栓孔（14b）、第三螺栓孔（14c）、第四螺栓孔（14d）、第五螺栓孔（14e）、第六螺栓孔（14f）、第七螺栓孔（14g）、第八螺栓孔（14h）、第九螺栓孔（14i）、第十螺栓孔（14j），通过螺栓连接。