CN105628595B - 一种软岩风化破碎实验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软岩风化破碎实验装置及其实验方法，软岩风化破碎实验装置放置在可调频的振动台上，设有透明内筒及外筒。通过筒上盖上的进水口可以加入需要的水量，所述实验装置底部设有出水口以及输气口，内筒中设置若干层圆孔筛板，其孔径依据实验室标准筛孔尺寸由上至下依次递减，在所述各筛以上处的内筒及外筒间隔内安置微型高强度可调频日光灯及监控探头，并设置土工布用于隔土滤水。本发明是一种在室内通过模拟控制可变自然因素对软岩的作用，以研究各因素对软岩风化的影响，通过监控探头可观察并记录各层软岩颗粒风化崩解的过程，且风化破碎后的岩体颗粒可自动筛分并继续风化破碎，具有直观、方便、快捷、精准等优点。

Description

一种软岩风化破碎实验装置及其试验方法

【技术领域】

本发明涉及工程建设技术领域，具体一种软岩风化破碎实验装置及其实验方法。

【背景技术】

软岩风化破碎指的是软质岩石在外界环境条件(光照、温差、降水、风速等)下发生的一系列物理化学变化，使软质岩石由整体变成粒径大小不同的残积土体的一种现象。

随着社会的发展，越来越多的工程建设不可避免要接触到各种各样的软岩地质环境，尤其是高速公路、铁路、水利、边坡治理等。由于软质岩石在不断变化的外界条件下，易发生崩解破碎，并逐渐变成碎石土，导致坡体整体稳定性降低，容易造成道路边坡、山体护坡等发生泥石流、滑坡等地质灾害。所以研究软岩风化破碎特性对今后软岩地区的工程建设有着重大的意义。

目前国内外对软岩的风化破碎研究主要集中在野外调查，由于外界因素多是不可控，许多指标需要借助不可操控的自然环境的变化，使得这方面的研究相对粗放，精度不够，以致长久以来室内研究属于空白。

目前，在室内软岩风化崩解破碎研究尚有许多需要完善、细化、精化，所以设计一种即可模拟外界自然环境又可以精确控制不同的影响因素且又能自动筛分风化残物的仪器装置显得十分必要。

【发明内容】

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种软岩风化破碎实验装置及其实验方法，该实验装置是涉及一种可用于研究道路、边坡、基坑、土垦、水利等领域的软岩在不同外界条件下其风化崩解速率、破碎程度和主要影响因素等的实验研究装置，该实验能高效且准确选择外部环境，分析在变化的自然条件下软岩的风化崩解过程，并分析主要影响因素以及耦合作用下最佳的软岩风化崩解环境，且可以通过振动台自动筛分风化残积岩土体，可真实的反映软岩风化破碎后粒径变化情况，为道路建设、边坡处理等工程建设提供可靠技术参数。

本发明采用的技术方案如下。

一种软岩风化破碎实验装置，包括实验筒和用于模拟降水的筒盖8，所述的实验筒用于保温使筒内保持一定温度，所述的筒盖8用于实验筒相适配并设置在实验筒的上端口，所述的实验筒内沿轴向自上至下间隔设置有若干个筛板，筛板的边缘与验筒的内壁接触设置，自上至下，所述的筛板的筛孔依次减小；最下层的筛板与实验筒的筒底之间设置有土工布10，土工布10用于隔土和滤水；所述的土工布10与实验筒的筒底之间设置有出水口5，所述的出水口5用于将土工布10与实验筒的筒底之间的水排出；所述的土工布10与最下层的筛板之间设置有输气口2，所述的输气口2用于向实验筒内进行输气；所述的实验装置上设置有日光灯3和监控探头14，所述的日光灯3用于模拟日光照射筛板，所述的监控探头14用于观察筛板，每层筛板的上方均设置有一组日光灯3和监控探头14且日光灯3的灯头和监控探头14均朝向该层筛板设置。

所述的实验筒为透明的，包括内筒17和外筒18，内筒17和外筒18同轴设置且内筒17的外壁与外筒18的内壁之间设置有间隙，该间隙设置为绝热密闭的结构，所述的筛板和土工布10均设置在内筒17内，所述的筛板和土工布10均水平设置，所述的日光灯3和监控探头4设置在内筒17与外筒18之间形成的间隙内。

所述的日光灯3和监控探头4设置在实验筒的内壁。

所述的同一组日光灯3和监控探头4设置在同一水平的正对位置。

所述的筒盖8与实验筒铰接，筒盖8上设置有进水口1、淋浴喷头9和排气口，所述的进水口1与淋浴喷头9连接，淋浴喷头9设置在筒盖8的内表面上，所述的排气孔用于将实验筒内的气体排出，在该排气孔处还设置有第一控制阀门7，第一控制阀门7用于控制排气孔的排气。

所述的实验筒上设置有支架21，所述的支架21与实验筒的内壁连接，支架21用于支撑筛板和土工布10，所述的支架21包括第一合页板23、弹簧22和第二合页板24，所述的第一合页板23设置在所述第二合页板24开合方向的内侧，并且第一合页板23与第二合页板24对称设置，第一合页板23的两个合页片的端部分别与第二和叶片24的两个合页片铰接，在第一合页板23与第二合页板24之间还设置有弹簧22，所述的弹簧22的两端分别与第二合页板的两片合页连接，通过第一合页板23和弹簧22，所述的第二合页板24的一个合页片与所述的实验筒的内壁固定连接，所述的第二合页板24打开后通过另一片合页来放置筛板或土工布10，当取出筛板或土工布10后，通过弹簧22的回复力使第一合页板23和第二合页板24合拢。

所述的实验筒内设置有温度计20，所述的温度计20设置在实验筒的内壁上且位于最上层筛板的上方。

所述的土工布10的边缘紧贴实验筒的内壁设置，土工布10的下方设置有用于支撑土工布10的钢丝网，所述的钢丝网与实验筒的内壁连接。

所述的输气口2和出水口5上均设置有控制阀门。

所述的实验筒的外壁上还对称设置有用于移动实验筒时使用的把手19。

所述的日光灯3为强度可调节日光灯。

所述的实验筒设置在振动台6上。

一种软岩风化破碎实验方法，包括如下步骤：

步骤一：将输气口2与冷热空气交换机相连接，将进水口1与水源连接，在出水口5上连接上排水管，将日光灯3与电源连接，将监控探头4与显示器相连接，将实验筒放置在振动台6上；

步骤二：现场选取颗粒直径分布较均匀的原状软岩并对原状软岩进行筛分，筛分结束后取适当质量软岩分别置于相对应的各层级的筛板上，并记录各筛板上放置的软岩质量；

步骤三：对软岩进行风化，水源通过进水口1为淋浴喷头9供水形成模拟降雨，根据需要打开日光灯3或调节日光灯3使日光灯3达到预设的照射强度，冷热空气交换机通过输气口2向实验筒内输入一定温度及风速的空气；

步骤四：筛分，开启振动台6使实验筒内风化后的软岩颗粒通过筛板进行充分的筛分；

步骤五：取出各层筛板，对各层筛板上的软岩颗粒进行称量并记录质量数据；

步骤六：重复步骤二至步骤五，在所述的步骤三中，通过控制输气口2输出的空气的温度及风速、进水口1的进水流量和日光灯3的照射强度和振动台6的振动频率及振幅来对实验筒内的软岩进行不同条件下的风化，通过记录的各层筛板上的软岩颗粒的质量来绘制级配分布曲线，对比原始级配分布曲线，分析软岩在不同影响因素下的风化强度大小。

所述的步骤三中，依据软岩风化规律，通过用冷热空气交换机从输气口2向实验筒内输入一定风速以及温度的空气，持续一定的时间，多次循环，使软岩风干完全。

本发明的一种软岩风化破碎实验装置及其实验方法具有如下有益效果：

本发明的实验装置能够精确模拟外界环境的影响因子，包括光照、雨水、震动、温差和风速，该实验装置在实验筒的上端口设置能够模拟降水的桶盖来模拟雨水因子，通过冷热空气交换机从输气口向实验筒内输送一定温度和速度的空气来模拟温差和风速影响因子，通过日光灯模拟日光对软岩进行照射来模拟光照影响因子，通过将实验筒设置在振动台6上来模拟震动影响因子。

本发明的实验装置在实验筒内设置用于筛分软岩的筛板，将待进行分化的软岩布置在筛板上，再通过实验装置模拟出在不同的外界环境影响因子条件下的软岩风化，通过振动台对实验筒进行振动使筛板对风化了的软岩进行筛分，然后通过记录的各层筛板上的软岩颗粒的质量来绘制级配分布曲线，对比原始级配分布曲线，分析软岩在不同影响因素下的风化强度大小。

进一步的，本发明还通过监控探头来监控软岩风化的过程，通过将监控探头可直观观察并记录各层软岩颗粒风化崩解的过程。

进一步的，通过在实验筒的内壁上且位于最上层筛板的上方设置温度计，以便方实时测量和观察实验温度，在需要时及时通过冷热空气交换机从输气口向实验筒内输送的空气来及时调整实验温度。

进一步的，本发明的实验筒采用透明材质，这样便于在实验过程中观察实验过程。

综上所述，本发明是一种通过模拟可控的自然环境因素进行室内软质岩石风化破碎实验研究的实验装置以及试验方法，具有高效、直观、快捷、准确、操作性强等优点。

【附图说明】

图1是本发明纵断面示意图。

图2是本发明横断面示意图。

图3是本发明筒上盖俯视图。

图4是本发明连接筒壁与筛板的可活动装置示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图，详细说明一种软岩风化破碎实验装置具体实施方式。

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种可精确模拟外界环境且可改变任一影响因子，影响因子包括光照、雨水、震动、温差、风速等。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供用于观测并记录储存软岩风化破碎过程的仪器装置。

本发明所要解决的第三个技术问题是提供一种可自动筛分风化破碎残积物仪器装置。

本发明所要解决的第四个技术问题是提供软岩风化破碎实验装置的实验操作方法。

为了解决上述第一个至第三个技术问题，

如图1、图3所示，在振动台6上设有双层透明筒，该双层透明筒包括内筒17及外筒18，内筒17与外筒18同轴设置且间隔净距为2.5cm，二者顶部可通过绝热密闭稳定套环固定，底部绝热封闭固定为一体，筒盖8与外筒18连接在一起，且与内筒17和外筒18之间密闭绝热，在筒盖8上设有进水口1及淋浴喷头9，淋浴喷头9的出水口分布均匀且分布面积略小于内筒17的横断面，水源通过进水口1为淋浴喷头9供水，水从淋浴喷头9中流出，淋浴喷头9将水均匀淋在实验筒内筛板上的软岩试样上，桶盖8上还设置有用于控制进水口1水流量和流速的阀门。筒盖8与外筒18通过合页铰接，筒盖8上部有控制阀门7，控制阀门7可连接管道，并通过该管道将实验筒内的尾气排至指定地点。振动台6为可调频可控振幅并配套双层透明筒直径的定制振动台，振动台6可通过开关调节其振动频率及振动强度，进而使内筒中的软岩按照该振动频率及振动强度进行震动。

在内筒17内安置六层圆孔筛板(图1中16～11为筛板)，筛板的孔径依据实验室标准筛孔尺寸由上至下依次递减设置，从16～11，筛孔的孔径分别为：60mm、20mm、5mm、1mm、0.25mm、0.075mm，各层筛板通过可活动的支架21稳定放置，支架21在每层筛板的周向均匀布置，沿着筛板的周向均匀设置三个支架21。

如图2所示，在内筒17与外筒18之间的间隙内，左侧设置监控探头4，在每层筛板以上5cm位置处均设置有监控探头4，监控探头4朝向该层筛板设置，累加共计6个监控探头分置上述同样位置，监控探头4朝向筛板中间设置，所有监控探头4设置各自的电路以便控制各自的工作状态，监控探头4通过线路连接显示器，该显示器可以同时显示六个监控探头传输的录像，同时该显示器具有自动录像并保存的功能，通过显示器能方便的看到软岩风化的过程；图2中，在监控探头4的水平对面的位置设置一个可调频的日光灯3，日光灯3为可调频变换强度的微型灯管，置于内筒17与外筒18间隔内并朝向里侧，且日光灯距下层筛板为5cm，累加共6个日光灯分置于6个筛板上侧同样位置。每个日光灯3均设置有独立的电路，并由各自的调频开关控制。

如图1所示，处在最下面一层的筛板11的下方10cm位置处设置一层土工布10，土工布10距离输气口2与出水口5的距离大致相当，土工布10用以隔土滤水，该土工布10不能通过软岩颗粒，但是可以允许水分通过，所述土工布10铺设在钢丝网上面，钢丝网安置在支架21上，该钢丝网采用高强度不锈钢钢丝织成，钢丝网的直径等于内筒17截面的内径，钢丝网即恰好可放置在内筒17中。

如图1和图2所示，在土工布10上方约8cm位置处设置一个输气口2，该输气口2与空气循环系统连接，空气循环系统选用冷热空气交换机，空气循环系统可调节输入空气的不同温度，空气循环系统可调温度变化范围为－10℃～60℃。

如图1所示，在实验筒的内壁靠近筒上沿位置设置一个温度计20。

由图4及图1所示，各层筛板通过可活动的支架21稳固，支架21与实验筒的内筒17的内壁连接，支架21用于支撑筛板和土工布10，所述的支架21包括第一合页板23、弹簧22和第二合页板24，所述的第一合页板23设置在所述第二合页板24开合方向的内侧，并且第一合页板23与第二合页板24对称设置，第一合页板23的两个合页片的端部分别与第二和叶片24的两个合页片铰接，在第一合页板23与第二合页板24之间还设置有弹簧22，所述的弹簧22的两端分别与第二合页板的两片合页连接，通过第一合页板23和弹簧22，所述的第二合页板24的一个合页片与所述的实验筒的内壁固定连接，所述的第二合页板24打开后通过另一片合页来放置筛板或土工布10，当取出筛板或土工布10后，通过弹簧22的回复力使第一合页板23和第二合页板24合拢。

如图2和图1所示，内筒中设置的各层筛板尺寸均与实验室标准筛一致。

采用上述技术方案的软岩风化破碎实验装置通过进水口1输进淋浴喷头9设计的水量，淋浴喷头9将水均匀的喷洒在软岩面上；根据需要，调节日光灯3的光照强度，并依实验要求选择输进不同温度和流速的气体，通过温度计20观察并记录筒内温度变化的情况；根据实验要求选择是否开启振动台6以及给振动台6设置需要的振幅及振频；实验结束后，待风化残积物风干后可以通过开启振动台6使风化残积物自动筛分。该装置结构设计合理、科学方便，可以较为精细的研究软质岩石风化破碎机理。

为解决上述第四个技术问题，本发明提供的软岩风化破碎的实验方法，实验步骤如下：

步骤一：将输气口2与冷热空气交换机相连接，将进水口1与水源连接，在出水口5上连接上排水管，将日光灯3与电源连接，将监控探头4与显示器相连接，将实验筒放置在振动台6上；

步骤二：现场选取颗粒直径分布较均匀的原状软岩并对原状软岩进行筛分，筛分结束后取适当质量软岩分别置于相对应的各层级的筛板上，并记录各筛上放置的软岩质量；

步骤三：对软岩进行风化，水源通过进水口1为淋浴喷头9供水形成模拟降雨，根据需要打开日光灯3或调节日光灯3使日光灯3达到预设的照射强度，冷热空气交换机通过输气口2向实验筒内输入一定温度的空气；

步骤四：筛分，开启振动台6使实验筒内风化后的软岩颗粒通过筛板进行充分的筛分；

步骤五：取出各层筛板，对各层筛板上的软岩颗粒进行称量并记录质量数据；

步骤六：重复步骤二至步骤五，在所述的步骤三中，通过控制输气口2输出的空气的温度及风速、进水口1的进水流量和日光灯3的照射强度来对实验筒内的软岩进行不同条件下的风化，通过记录的各层筛板上的软岩颗粒的质量来绘制级配分布曲线，对比原始级配分布曲线，分析软岩在不同影响因素下的风化强度大小。

在步骤三中，依据软岩风化规律，通过用冷热空气交换机从输气口2向实验筒内输入一定风速以及温度的空气，持续一定的时间，多次循环，使软岩风干完全。

综上所述，本发明是一种通过模拟可控的自然环境因素进行室内软质岩石风化破碎实验研究的实验装置以及试验方法，具有高效、直观、快捷、准确、操作性强等优点。

Claims (8)

1.一种软岩风化破碎实验装置，其特征在于，包括实验筒、振动台(6)和用于模拟降水的筒盖(8)，所述的实验筒设置在振动台(6)上，所述的筒盖(8)用于实验筒相适配并设置在实验筒的上端口，所述的实验筒内沿轴向自上至下间隔设置有若干个筛板，筛板的边缘与验筒的内壁接触设置，自上至下，所述的筛板的筛孔依次减小；最下层的筛板与实验筒的筒底之间设置有土工布(10)，土工布(10)用于隔土和滤水；所述的土工布(10)与实验筒的筒底之间设置有出水口(5)，所述的出水口(5)用于将土工布(10)与实验筒的筒底之间的水排出；所述的土工布(10)与最下层的筛板之间设置有输气口(2)，所述的输气口(2)用于向实验筒内进行输气；所述的实验装置上设置有日光灯(3)和监控探头(4)，所述的日光灯(3)用于模拟日光照射筛板，所述的监控探头(4)用于观察筛板，每层筛板的上方均设置有一组日光灯(3)和监控探头(4)且日光灯(3)的灯头和监控探头(4)均朝向该层筛板设置；所述的输气口(2)和出水口(5)上均设置有控制阀门；所述的实验筒上设置有支架(21)，所述的支架(21)与实验筒的内壁连接，支架(21)用于支撑筛板和土工布(10)，所述的支架(21)包括第一合页板(23)、弹簧(22)和第二合页板(24)，所述的第一合页板(23)设置在所述第二合页板(24)开合方向的内侧，并且第一合页板(23)与第二合页板(24)对称设置，第一合页板(23)的两个合页片的端部分别与第二合叶片(24)的两个合页片铰接，在第一合页板(23)与第二合页板(24)之间还设置有弹簧(22)，所述的弹簧(22)的两端分别与第二合页板的两片合页连接，通过第一合页板(23)和弹簧(22)，所述的第二合页板(24)的一个合页片与所述的实验筒的内壁固定连接，所述的第二合页板(24)打开后通过另一片合页来放置筛板或土工布(10)，当取出筛板或土工布(10)后，通过弹簧(22)的回复力使第一合页板(23)和第二合页板(24)合拢；

所述的日光灯(3)和监控探头(4)设置在实验筒的内壁，同一组日光灯(3)和监控探头(4)设置在同一水平的正对位置。

2.根据权利要求1所述的一种软岩风化破碎实验装置，其特征在于，所述的实验筒为透明的，包括内筒(17)和外筒(18)，内筒(17)和外筒(18)同轴设置且内筒(17)的外壁与外筒(18)的内壁之间设置有间隙，该间隙设置为绝热密闭的结构，所述的筛板和土工布(10)均设置在内筒(17)内，所述的筛板和土工布(10)均水平设置，所述的日光灯(3)和监控探头(4)设置在内筒(17)与外筒(18)之间形成的间隙内，同一组日光灯(3)和监控探头(4)设置在同一水平的正对位置。

3.根据权利要求1所述的一种软岩风化破碎实验装置，其特征在于，所述的筒盖(8)与实验筒铰接，筒盖(8)上设置有进水口(1)、淋浴喷头(9)和排气口，所述的进水口(1)与淋浴喷头(9)连接，淋浴喷头(9)设置在筒盖(8)的内表面上，所述的排气孔用于将实验筒内的气体排出，在该排气孔处还设置有第一控制阀门(7)，第一控制阀门(7)用于控制排气孔的排气。

4.根据权利要求1所述的一种软岩风化破碎实验装置，其特征在于，所述的实验筒内设置有温度计(20)，所述的温度计(20)设置在实验筒的内壁上且位于最上层筛板的上方。

5.根据权利要求1所述的一种软岩风化破碎实验装置，其特征在于，所述的土工布(10)的边缘紧贴实验筒的内壁设置，土工布(10)的下方设置有用于支撑土工布(10)的钢丝网，所述的钢丝网与实验筒的内壁连接。

6.根据权利要求1所述的一种软岩风化破碎实验装置，其特征在于，所述的日光灯(3)为强度可调节日光灯。

7.一种软岩风化破碎实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将输气口(2)与冷热空气交换机相连接，将进水口(1)与水源连接，在出水口(5)上连接上排水管，将日光灯(3)与电源连接，将监控探头(4)与显示器相连接，将实验筒放置在振动台(6)上；

步骤二：现场选取颗粒直径分布较均匀的原状软岩并对原状软岩进行筛分，筛分结束后取适当质量软岩分别置于相对应的各层级的筛板上，并记录各筛上放置的软岩质量；

步骤三：对软岩进行风化，水源通过进水口(1)为淋浴喷头(9)供水形成模拟降雨，根据需要打开日光灯(3)或调节日光灯(3)使日光灯(3)达到预设的照射强度，冷热空气交换机通过输气口(2)向实验筒内输入一定温度的空气；

步骤四：筛分，开启振动台(6)使实验筒内风化后的软岩颗粒通过筛板进行充分的筛分；

步骤五：取出各层筛板，对各层筛板上的软岩颗粒进行称量并记录质量数据；

步骤六：重复步骤二至步骤五，在所述的步骤三中，通过控制输气口(2)输出的空气的温度及风速、进水口(1)的进水流量和日光灯(3)的照射强度和振动台(6)的振动频率及振幅来对实验筒内的软岩进行不同条件下的风化，通过记录的各层筛板上的软岩颗粒的质量来绘制级配分布曲线，对比原始级配分布曲线，分析软岩在不同影响因素下的风化强度大小。

8.根据权利要求7所述的一种软岩风化破碎实验方法，其特征在于，所述的步骤三中，依据软岩风化规律，通过用冷热空气交换机从输气口(2)向实验筒内输入一定风速以及温度的空气，持续一定的时间，多次循环，使软岩风干完全。