CN105181485A - 一种考虑浸泡-风干循环水岩作用的岩石剪切盒 - Google Patents

Abstract

一种考虑浸泡-风干循环水岩作用的岩石剪切盒包括试样剪切盒、浸泡容器、水路控制系统、风干系统、压力控制系统；剪切盒置于浸泡容器内，水路控制系统、风干系统、压力控制系统与浸泡容器内部联通；剪切盒上方设有竖向加压装置，剪切盒至少一个侧面设有侧向加压装置。发明优点在，模拟库水涨落条件，消落带部分岩土体周期性处于浸泡和风干交替状态，为研究大型水库库岸边坡岩体物理力学性质劣化规律和机理提供了试验平台，可为大量的库岸边坡长期变形稳定计算分析和地质灾害防治提供可靠的试验数据。

Description

一种考虑浸泡-风干循环水岩作用的岩石剪切盒

技术领域

本发明涉及岩石力学试验领域中的直剪试验装置，可用来研究库岸边坡岩体在浸泡-风干循环作用下力学性质劣化规律和机理。

背景技术

在库水大幅度涨落的条件下，消落带部分岩土体周期性处于疏干和饱和交替的动态，地下水时而受库水补给，时而排出，使岸坡部分岩土体处于浸泡-风干的交替动态，这种饱水-风干交替作用对岩土体来说是一种“疲劳作用”，将造成岩体性质劣化，每一次的效应可能并不一定很显著，但多次重复作用后，损伤效应可能会累积性发展，直到灾变发生。

较多学者对水-岩作用下岩石的抗压、抗拉等物理力学性质的劣化规律进行了较多研究，针对库岸边坡消落带岩体的抗剪力学特性研究很少，同时，研究条件多基于岩石饱和、短期或者长期浸泡，很少考虑水压力升降变化和浸泡-风干循环作用的影响，关键的是目前还没有可以模拟这些因素的试验仪器，因此，本课题拟结合消落带的实际赋存环境，在现有岩石直剪仪的基础上，研发一种考虑浸泡-风干循环水岩作用的岩石剪切盒。预期研究成果对库区大量存在的库岸边坡的长期变形分析和稳定性评价具有重要的现实意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种可以模拟库水位升降变化和浸泡-风干循环过程的剪切盒，以满足库岸边坡水—岩相互作用研究的实际需要。

本发明的目的是这样实现的：一种考虑浸泡-风干循环水岩作用的岩石剪切盒包括试样剪切盒、浸泡容器、水路控制系统、风干系统、压力控制系统；

剪切盒置于浸泡容器内，水路控制系统、风干系统、压力控制系统与浸泡容器内部联通；

剪切盒上方设有竖向加压装置，所述竖向加压装置包括竖向传力杆，及给竖向传力杆施加压力的竖向荷载压头，竖向传力杆一端设在浸泡容器内与剪切盒上表面相接触、另一端设在浸泡容器外，在竖向传杆与浸泡容器外表面之间设有竖向位移传感器；

所述的剪切盒至少一个侧面设有侧向加压装置，所述侧向加压装置包括水平传力杆，及给水平传力杆施加压力的水平荷载压头，水平传力杆一端设在浸泡容器内与剪切盒侧面相接触、另一端设在浸泡容器外，在水平传力杆与浸泡容器外表面之间设有水平位移传感器。

进一步讲，剪切盒包括上剪切盒、下剪切盒、剪切盒支座、剪缝调节垫片、传力支座；

上剪切盒位于下剪切盒上方，上剪切盒上部外表面设有滚轴，下剪切盒固定在剪切盒支座上；

所述剪缝调节垫片设在上剪切盒与下剪切盒的接缝处。

进一步讲，水路控制系统包括水阀、水泵、储水箱，水管一端与浸泡容器连通、另一端与储水箱连通，水阀、水泵设在水管上。

进一步讲，风干系统包括电阻丝、鼓风装置、排气螺栓；

通风管一端与浸泡容器连通、另一端与鼓风装置连通，电组丝设在浸泡容器与鼓风装置之间的通风管上；

所述排气螺栓置于浸泡容器上部。

进一步讲，压力控制系统包括压力气囊、气压调节阀、压力表、储气瓶，储气瓶、压力表、气压调节阀、压力气囊依次串联；

所述压力气囊为一种橡胶气囊，置于浸泡容器内。

本发明提供的考虑浸泡-风干循环水岩作用的岩石剪切盒，该仪器浸泡容器的水压力由外接压力控制器进行控制，可以模拟不同的库水压力条件。

本发明提供的考虑浸泡-风干循环水岩作用的岩石剪切盒，在浸泡容器上方设置排气螺孔，浸泡容器下方设置水阀，设置储水箱能通过水泵随时进水和排水。

本发明的技术方案：一种考虑浸泡-风干循环水岩作用的岩石剪切盒，剪切盒上方加竖向荷载，侧方加水平荷载，竖向荷载和水平荷载均利用现有的岩石直剪仪进行施加；

本发明采用的剪切盒，可以实现岩样的有压浸泡，在饱水或有水压力的状态下进行直接剪切试验，也可以将水排出，岩样在风干状态下进行直接剪切试验，也可以在多次浸泡-风干循环之后进行直接剪切试验。这些过程的实现，可以为库岸边坡消落带库水位升降的实际情况提供很好的模拟平台，为库水长期作用下边坡岩体的抗剪性能劣化规律提供良好的试验平台，为库岸边坡的长期变形稳定分析提供准确、合理的力学参数。

附图说明

图1为本装置结构方框图。

图2为本装置结构方框图结构示意图。

图3为剪切盒结构示意图。

图4为滚轴俯视图。

图5为透水板俯视图。

图中：1-竖向荷载压头，2-竖向传力杆，3-水平荷载压头，4-水平传力杆，5-直剪仪支座，6-剪切盒支座，7-水平位移传感器，8-竖向位移传感器，10-剪切盒，11-上剪切盒，12-下剪切盒，13-剪缝调节垫片，14-上透水板，15-下透水板，16-滚轴，17-传力支座，18-透水孔，20-浸泡容器，21-盖板，22-底板，23-加固螺栓，24-加固杆，25-垫片，30-水路控制系统，31-水阀，32-水泵，33-储水箱，40-风干系统，41-阀门，42-电阻丝，43-鼓风装置，44-排气螺栓，50-压力控制系统，51-压力气囊，52-气囊进气阀，53-气压调节阀，54-压力表，55-放气阀，56-储气瓶。

具体实施

如图1、图2中，一种考虑浸泡-风干循环水岩作用的岩石剪切盒包括试样剪切盒10、浸泡容器20、水路控制系统30、风干系统40、压力控制系统50；

剪切盒10置于浸泡容器20内，水路控制系统30、风干系统40、压力控制系统50与浸泡容器20内部联通；

水路控制系统30包括水阀31、水泵32、储水箱33，水管一端与浸泡容器20连通、另一端与储水箱33连通，水阀31、水泵32设在水管上；

风干系统40包括阀门41、电阻丝42、鼓风装置43、排气螺栓44，通风管一端与浸泡容器20连通、另一端与鼓风装置43连通，电组丝42设在浸泡容器20与鼓风装置43之间的通风管上，气螺栓44置于浸泡容器20上部。

压力控制系统50包括压力气囊51、气囊进气阀52、气压调节阀53、压力表54、储气瓶56，储气瓶56、压力表54、气压调节阀53、气囊进气阀52、压力气囊51依次串联，力气囊51为一种橡胶气囊，置于浸泡容器20内。

剪切盒10上方设有竖向加压装置，竖向加压装置包括竖向传力杆2及给竖向传力杆施加压力的竖向荷载压头1，竖向传力杆一端设在浸泡容器20内与剪切盒10上表面相接触、另一端设在浸泡容器20外，在竖向传杆与浸泡容器外表面之间设有竖向位移传感器8，水平位移传感器7、竖向位移传感器8，用来测量试验过程中的水平位移和竖向位移。

剪切盒10至少一个侧面设有侧向加压装置，所述侧向加压装置包括水平传力杆4，及给水平传力杆施加压力的水平荷载压头3，传力杆一端设在浸泡容器20内与剪切盒10侧面相接触、另一端设在浸泡容器20外，在水平传力杆与浸泡容器外表面之间设有水平位移传感器7。

如图3中，剪切盒10包括上剪切盒11、下剪切盒12、剪切盒支座6、剪缝调节垫片13、传力支座17；

上剪切盒11位于下剪切盒12上方，上剪切盒11上部外表面设有滚轴16(滚轴16由多个平行的轴组成，见图4中)，下剪切盒12固定在剪切盒支座6上；

垫片13设在上剪切盒11与下剪切盒12的接缝处。

优选的，浸泡容器20上部设有盖板21，下部设有底板22。在盖板与底板之间设有由加固螺栓23固定的加固杆24。盖板21上设有排气螺孔44和风干系统40。底板22上连接着压力控制系统50和水路控制系统30。

剪切盒体是由10mm厚钢板组成的方框形可拆卸式结构，上剪切盒尺寸为：长×宽×高=100mm×100mm×50mm，下剪切盒尺寸为长×宽×高=100mm×100mm×50mm。

上剪切盒11通过水平传力杆4、传力支座17与水平荷载压头3接触，下剪切盒12焊接在剪切盒支座6上。上剪切盒与下剪切盒之间的最大开缝宽度为10mm，为了满足不同试样的要求，在保证剪切中心面不变的前提下，下剪切盒之间安装不同厚度的剪缝调节垫片13调节剪切缝开缝宽度，开缝宽度可在0-10mm之间任意调节。

上金属透水板14上设在上剪切盒11中，下金属透水板15设在下剪切盒15中，而且剪切盒四周设有透水孔18(如图5)，保证了岩样的饱水性和风干的效果。

工作原理如下：

首先将制备好的岩样放进剪切盒10内，盖上盖板21并将加固螺栓23拧紧，固定好。通过水阀31向剪切盒10内注水，注水期间将排气螺栓44打开，将浸泡容器内空气排出，直至水放满，关闭水阀，拧紧排气螺栓44。

然后将压力气囊51与外部压力控制系统50连接，控制系统的储气瓶56采用充有氮气的气瓶，开启储气瓶56总开关，气源的压力表54显示氮气瓶压力值，关闭气囊进气阀52，打开放气阀55检测是否有气体排出，之后关闭放气阀55，缓慢旋转气压调节阀53，当压力表上显示的压力达到试验所需的压力后，打开气囊进气阀52向压力气囊51充气，此时通过外部压力系统将稳定的试验所需压力通过放置于浸泡容器顶部的压力气囊51传递给水，达到与外部压力系统相等的压力，实现库水压力的模拟。施加垂直荷载和水平荷载，对岩样进行直剪试验，通过荷载和水平位移传感器7、竖向位移传感器8得到荷载和位移试验结果。

以上为浸泡工作状态，如需风干，将储气瓶56总开关打开，打开气压调节阀53、放气阀55、和排气螺孔42，使残余气体放出，然后把出水阀31打开使水排出，打开风干系统40使岩样风干，采用同样的流程可进行风干状态下的直接剪切试验。

也可以对岩样先进行多个周期的浸泡-风干循环水岩作用，再进行饱水或者风干状态下的直接剪切试验。

Claims (5)

1.一种考虑浸泡-风干循环水岩作用的岩石剪切盒，其特征在于：

所述岩石剪切盒包括试样剪切盒（10）、浸泡容器（20）、水路控制系统（30）、风干系统（40）、压力控制系统（50）；

剪切盒（10）置于浸泡容器（20）内，水路控制系统（30）、风干系统（40）、压力控制系统（50）与浸泡容器（20）内部联通；

所述的剪切盒（10）上方设有竖向加压装置，所述竖向加压装置包括竖向传力杆，及给竖向传力杆施加压力的竖向荷载压头，竖向传力杆一端设在浸泡容器(20)内与剪切盒(10)上表面相接触、另一端设在浸泡容器(20)外，在竖向传杆与浸泡容器外表面之间设有竖向位移传感器；

所述的剪切盒（10）至少一个侧面设有侧向加压装置，所述侧向加压装置包括水平传力杆，及给水平传力杆施加压力的水平荷载压头，水平传力杆一端设在浸泡容器(20)内与剪切盒(10)侧面相接触、另一端设在浸泡容器(20)外，在水平传力杆与浸泡容器外表面之间设有水平位移传感器。

2.按权利要求1所述的一种考虑浸泡-风干循环水岩作用的岩石剪切盒，其特征在于：所述剪切盒（10）包括上剪切盒（11）、下剪切盒（12）、剪切盒支座（6）、剪缝调节垫片（13）、传力支座（17）；

上剪切盒（11）位于下剪切盒（12）上方，上剪切盒（11）上部外表面设有滚轴（16），下剪切盒（12）固定在剪切盒支座（6）上；

所述剪缝调节垫片（13）设在上剪切盒（11）与下剪切盒（12）的接缝处。

3.按权利要求1所述的一种考虑浸泡-风干循环水岩作用的岩石剪切盒，其特征在于：所述水路控制系统（30）包括水阀（31）、水泵（32）、储水箱（33），水管一端与浸泡容器（20）连通、另一端与储水箱(33)连通，水阀(31)、水泵（32）设在水管上。

4.按权利要求1所述的一种考虑浸泡-风干循环水岩作用的岩石剪切盒，其特征在于：所述风干系统（40）包括电阻丝（42）、鼓风装置（43）、排气螺栓（44）；

通风管一端与浸泡容器（20）连通、另一端与鼓风装置（43）连通，电组丝（42）设在浸泡容器（20）与鼓风装置（43）之间的通风管上；

所述排气螺栓（44）置于浸泡容器（20）上部。

5.按权利要求1所述的一种考虑浸泡-风干循环水岩作用的岩石剪切盒，其特征在于：所述压力控制系统（50）包括压力气囊（51）、气压调节阀（53）、压力表（54）、储气瓶（56），储气瓶（56）、压力表（54）、气压调节阀（53）、压力气囊（51）依次串联；

所述压力气囊（51）为一种橡胶气囊，置于浸泡容器（20）内。