CN106769539B - 一种考虑渗流-应力-化学耦合的岩土体剪切流变仪 - Google Patents

一种考虑渗流-应力-化学耦合的岩土体剪切流变仪 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种考虑渗流‑应力‑化学耦合的岩土体剪切流变仪，包括试验台、剪切盒组件、加载组件和位移‑应力监测组件；剪切盒单元可放置大尺寸的试样，通过水泵提供具有一定渗透压的化学液体，通过热空气循环单元对试样进行烘干处理，实现不同渗透压化学液体的渗流及试样的干湿循环；利用砝码进行法向压力的加载，利用刚性弹簧进行切向压力的加载，利用激振器作用于弹簧从而对切向应力产生扰动，通过控制直线位移机构保持刚性弹簧的变形量以保证切向应力的稳定；位移‑应力监测组件配合相应的数据采集系统，监测下剪切盒位移和试样所受拉力；本发明可研究岩土体受动力扰动、地下水、化学腐蚀、干湿循环以及应力单独或共同作用的长期稳定性问题。

Description

一种考虑渗流-应力-化学耦合的岩土体剪切流变仪
技术领域
本发明涉及一种岩土体剪切流变仪，具体涉及一种考虑渗流-应力-化学耦合的岩土体剪切流变仪，属于岩土工程技术领域。
背景技术
自然界滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的发生多是因剪切破坏引起的，由于各类岩土体均具有不同程度地流变效应，岩土体剪切流变特性的研究是进行重大工程设计及地质灾害分析时必须要考虑的重要因素。在水利、交通、矿山等领域的施工中，爆破、强夯等是进行坡形改造、地基处理、矿石开采等工作的必要程序，其产生的动力扰动会对岩土体的流变效应产生明显的影响；水是影响岩土体变形、强度特性的重要因素，而水中往往有复杂的化学成分，会不断侵蚀岩土体内部结构，对其产生劣化。因此，对于各类工程长期稳定性的研究，渗流-应力-化学场耦合下岩土体的剪切流变特性不可忽视。
目前国内外对于多场耦合下岩土体剪切流变特性的研究多基于三轴试验仪器，但往往试验仪器昂贵，操作复杂，且目前鲜有考虑多场耦合影响的剪切流变试验设备。对于动荷载扰动下岩土体流变性质的研究主要采用三轴卸荷流变试验的方式，对于降雨影响下岩土体流变性质的研究主要采用先对试样进行干湿循环处理再进行流变试验的方式，但这些模拟方式显然与实际中降雨与爆破荷载的作用方式不符。此外，土体的剪切流变仪仍采用杠杆机构施加荷载的方式，加载过程中杠杆发生倾斜会使荷载产生较大的损失；试样均为小尺寸的圆形试样，在试验过程中会有明显的应力集中现象，对试验结果产生影响。如何准确研究渗流-应力-化学场耦合作用下岩土体的剪切流变性质是该领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种考虑渗流-应力-化学耦合的岩土体剪切流变试验装置，可在剪切流变的试验过程中对试样进行不同频率和强度的动力扰动，向试样提供具有一定渗透压和特定成分的化学液体，并可对试样进行干湿循环处理，研究岩土体受动力扰动、地下水、化学腐蚀、干湿循环以及应力单独或共同作用的长期稳定性问题。
实现本发明目的所采用的技术方案为，一种考虑渗流-应力-化学耦合的岩土体剪切流变仪，至少包括试验台以及安装于试验台上的剪切盒组件、加载组件和位移-应力监测组件，所述剪切盒组件包括由上剪切盒、下剪切盒和滑移块构成的剪切盒单元，由密封盒、排气管、进气管、风机、电热丝和热风盒构成的热空气循环单元，以及由水槽、水泵、水管和底部为透水石的贮水箱构成的渗流单元，剪切盒单元整体封装于密封盒中；上剪切盒与下剪切盒上下叠放且开口相对，滑移块位于上剪切盒和下剪切盒之间，所述滑移块由刚性滚珠和滑动槽构成，刚性滚珠嵌于滑动槽中并且与上剪切盒的盒口接触；密封盒与热风盒通过排气管和进气管连通，风机和电热丝均安装于热风盒中；水槽、水管和贮水箱依次连通，水泵安装于水管上，贮水箱构成上剪切盒的盒底，透水石与剪切盒内腔中的试样直接接触；所述加载组件包括法向加载装置、刚性弹簧、激振器和直线位移机构，法向加载装置作用于贮水箱，刚性弹簧的一端与激振器连接、另一端作用于下剪切盒，激振器通过直线位移机构驱动进行直线移动。
所述位移-应力监测组件由拉线型位移传感器、应变式拉应力传感器以及相配套的数据采集系统构成，其中拉线型位移传感器与下剪切盒相连，应变式拉应力传感器连接刚性弹簧与下剪切盒。
所述加载组件包括法向加载装置以及由刚性弹簧、刚性连杆、激振器和直线位移机构构成的切向加载装置，刚性弹簧通过刚性连杆作用于下剪切盒，应变式拉应力传感器连接刚性弹簧与刚性连杆。
所述试验台上设有支座，支座作用于上剪切盒，拉线型位移传感器固定于支座上。
所述直线位移机构由伺服电机及其驱动的滚珠丝杠副构成。
伺服电机与拉线型位移传感器通过控制芯片电性连接。
所述法向加载装置由法向顶杆、砝码和两个挂钩构成，法向顶杆为对称的框架结构，两个挂钩分别固定于法向顶杆两臂的底端，砝码挂于挂钩上，法向顶杆的横杆与贮水箱固连。
所述水管为五通管，水泵安装于五通管的入口管段上，五通管的四个出口管段分别连通于贮水箱四个侧面上。
水槽、水管和贮水箱从上至下顺序分布并且依次连通。
由上述技术方案可知，本发明提供的考虑渗流-应力-化学耦合的岩土体剪切流变仪，在现有土体剪切流变试验仪器基础上对剪切盒单元进行改造，在试样上部设置底部为透水石的贮水箱，贮水箱直接作为上剪切盒的盒底，水槽中的化学液体通过水泵输入贮水箱，透水石与剪切盒内腔中的试样直接接触，具有渗透压的化学液体通过贮水箱渗透试样，在密封盒内加化学液体，使其浸没剪切缝，可保证化学液体充分浸润剪切面岩土体；为营造充分浸润的环境，剪切盒单元整体封装于热空气循环单元的密封盒中，热空气循环单元产生热空气并通过风机使得热空气循环，流动的热空气充满密封盒、包围试样，当关闭水泵，排出密封盒内化学液体后，可对试样进行烘干处理。上述结构可定量研究岩土体在一定渗透压的化学液体作用及干湿循环劣化作用下的剪切流变特性。
本发明改进了传统剪切流变仪器的加压装置，其中法向加载装置由法向顶杆、砝码和两个挂钩构成，法向顶杆为对称的框架结构，其底端通过挂钩钩挂砝码，通过砝码进行法向应力的加载，法向顶杆的横杆与贮水箱固连，通过贮水箱将法向应力传递至试样，由于法向顶杆仅与贮水箱固连，利用无约束的砝码的重力施压，相比于现有的千斤顶或液压缸因试样压缩导致试样实际承载的法向应力不断变化，本发明的法向加载装置可有效保证法向应力的稳定；切向加载装置由刚性弹簧、刚性连杆、激振器和直线位移机构构成，采用刚性弹簧作为切向应力的加载装置，在刚性弹簧的弹性变形范围内通过直线位移机构改变刚性弹簧变形量的大小，进而调整切向应力的大小，刚性弹簧可保证切向应力的稳定；利用与刚性弹簧连接的激振器对刚性弹簧施加动力扰动，通过与激振器配套的控制器调整激振器的频率与强度，从而改变动力扰动的频率和强度，模拟爆破、强夯等作业产生的动力扰动；伺服电机与拉线型位移传感器通过控制芯片电性连接，根据下剪切盒的位移量自动调整直线位移机构的位移量，补偿因下剪切盒发生位移引起弹簧变形量的改变，达到保持切向应力稳定的目的。改进的加压装置原理简单，经济有效，可有效消除传统加载方式中杠杆倾斜造成的荷载损失或克服千斤顶、液压缸因试样压缩导致试样实际承载的法向应力不稳定。
针对改进剪切流变仪的结构特点和工作方式，采用拉线型位移传感器监测下剪切盒的位移，采用连接在下剪切盒和刚性弹簧之间的应变式拉应力传感器监测切向应力，并结合相应的数据采集系统自动记录数据。
与现有剪切流变仪相比，本发明提供的考虑渗流-应力-化学耦合的岩土体剪切流变仪的优点如下：
(1)利用本发明的岩土体剪切流变仪进行剪切流变试验，在试验过程中可提供具有一定渗透压的化学液体，对试样进行定期的干湿循环处理，并可通过简单的设定，定量模拟不同强度、频率及时间的动力扰动；
(2)本发明的岩土体剪切流变仪采用砝码进行法向应力的加载，采用刚性弹簧配合直线位移机构进行切向应力的加载，可有效保证试验过程中应力的稳定；
(3)本发明的岩土体剪切流变仪机械结构简单、易于调节、操作方便，适用于研究动力扰动、地下水、化学腐蚀、干湿循环以及应力单独或共同作用岩土体的剪切流变特性。
附图说明
图1为本发明提供的考虑渗流-应力-化学耦合的岩土体剪切流变仪的主视图。
图2为本发明提供的考虑渗流-应力-化学耦合的岩土体剪切流变仪的俯视图。
图3为贮水箱的俯视图。
其中，1-法向顶杆，101-臂，102-横杆，103-立杆；2-贮水箱；3-透水石；4-上剪切盒；5-滑移块；6-密封盒；7-下剪切盒；8-排液阀门；9-水槽；10-水管；11-试样；12-支座；13-拉线型位移传感器；14-刚性连杆；15-应变式拉应力传感器；16-刚性弹簧；17-激振器；18-移动座；19-丝杠；20-伺服电机；21-试验台；22-底座；23-挂钩；24-砝码；25-排气管；26-进气管；27-热风盒；28-水泵。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。
本发明提供了一种考虑渗流-应力-化学耦合的岩土体剪切流变仪，其结构如图1所示，包括试验台21以及安装于试验台上的剪切盒组件、加载组件和位移-应力监测组件；
所述剪切盒组件包括剪切盒单元、热空气循环单元和渗流单元，剪切盒单元由上剪切盒4、下剪切盒7和滑移块5构成，上剪切盒4与下剪切盒7上下叠放且开口相对，滑移块5位于上剪切盒和下剪切盒之间，所述滑移块由刚性滚珠和滑动槽构成，刚性滚珠嵌于滑动槽中并且与上剪切盒的盒口接触，用于减小下剪切盒移动时的摩擦阻力；
所述热空气循环单元由密封盒6、排气管25、进气管26、风机、电热丝和热风盒27构成，密封盒6与热风盒27通过排气管25和进气管26连通，风机和电热丝均安装于热风盒27中(图中未示出)，分别用于加热空气和产生空气循环，剪切盒单元整体封装于密封盒中，密封盒为试样营造渗流液体或热空气充盈的环境，当需要烘干试样时，打开密封盒6底部设置的排液阀门8即可排出盒中液体；
渗流单元由水槽9、水泵28、水管10和底部为透水石3的贮水箱2构成，水槽9、水管10和贮水箱2从上至下顺序分布并且依次连通，参见图3，所述水管10为五通管，水泵安装于五通管的入口管段上，五通管的四个出口管段分别连通于贮水箱2四个侧面上，本发明中上剪切盒4为无底结构，贮水箱2构成上剪切盒的盒底，试验过程中透水石3与剪切盒内腔中的试样11直接接触；
所述加载组件包括法向加载装置和切向加载装置，法向加载装置作用于贮水箱，所述法向加载装置由法向顶杆1、砝码24和两个挂钩23构成，参见图2(省略了排气管、进气管、热风盒和试验台)，法向顶杆为对称的框架结构，两个挂钩23分别固定于法向顶杆两臂101的底端，砝码24挂于挂钩23上，法向顶杆的横杆103通过位于其中心的立杆103与贮水箱2固连；
所述切向加载装置由刚性弹簧16、刚性连杆14、激振器17和直线位移机构构成，刚性弹簧16的一端与激振器17连接、另一端通过刚性连杆14作用于下剪切盒7，激振器17通过直线位移机构驱动进行直线移动，所述直线位移机构由伺服电机20及其驱动的滚珠丝杠副构成，滚珠丝杠副通过底座22安装于试验台21上，激振器17固定于与丝杠19配合的移动座18上，本发明也可采用蜗杆进行传动；
所述位移-应力监测组件由拉线型位移传感器13、应变式拉应力传感器15以及相配套的数据采集系统构成，其中拉线型位移传感器13与下剪切盒7相连，应变式拉应力传感器15连接刚性弹簧16与刚性连杆14，监测切向应力，试验台21上设有支座12，支座12作用于上剪切盒，拉线型位移传感器13固定于支座12上，伺服电机20与拉线型位移传感器13通过控制芯片电性连接，通过控制丝杠19的转动保持刚性弹簧的变形量，维持切向应力的恒定，数据采集系统采集的数据传输至控制芯片中进行存储与分析。
利用上述岩土体剪切流变仪进行剪切流变试验，具体实施步骤如下：
①首先设计好具体的试验方案，包括法向和切向应力的大小，动力扰动的强度和频率，化学液体的成分、浓度与渗透压，动力扰动与及加化学液体、烘干试样的周期，采用预试验的方式，调整激振器的频率和强度，水泵及高温热空气循环装置的相关设置；
②将切割好的岩土体试样放在下剪切盒中，依次放置好滑移块、贮水箱、上剪切盒、法向加载装置，调整剪切缝位置；
③根据试验方案加砝码施加法向应力，得到预定的法向应力之后开始逐级施加剪应，开始剪切流变试验，其中剪应力的大小通过刚性弹簧的长度控制；
④在剪切流变试验过程中，按照预期的试验方案，定期设定激振器开关，模拟剪切流变试验过程中的动力扰动；此外，定期通过水泵提供由一定渗透压的化学液体，通过水箱渗入试样，待试样饱和后对试样进行烘干处理，模拟剪切流变试验过程化学液体渗透、腐蚀及干湿循环的过程；
⑤在整个剪切流变试验过程中，位移和应力数据采集系统统实时自动记录试样的位移和切向应力的变化情况。

Claims (5)

1.一种考虑渗流-应力-化学耦合的岩土体剪切流变仪，至少包括试验台以及安装于试验台上的剪切盒组件、加载组件和位移-应力监测组件，其特征在于：
所述剪切盒组件包括由上剪切盒、下剪切盒和滑移块构成的剪切盒单元，由密封盒、排气管、进气管、风机、电热丝和热风盒构成的热空气循环单元，以及由水槽、水泵、水管和底部为透水石的贮水箱构成的渗流单元，剪切盒单元整体封装于密封盒中；上剪切盒与下剪切盒上下叠放且开口相对，滑移块位于上剪切盒和下剪切盒之间，所述滑移块由刚性滚珠和滑动槽构成，刚性滚珠嵌于滑动槽中并且与上剪切盒的盒口接触；密封盒与热风盒通过排气管和进气管连通，风机和电热丝均安装于热风盒中；水槽、水管和贮水箱依次连通，水泵安装于水管上，贮水箱构成上剪切盒的盒底，透水石与剪切盒内腔中的试样直接接触；
所述加载组件包括法向加载装置、刚性弹簧、激振器和直线位移机构，法向加载装置作用于贮水箱，刚性弹簧的一端与激振器连接、另一端作用于下剪切盒，激振器通过直线位移机构驱动进行直线移动，所述直线位移机构由伺服电机及其驱动的滚珠丝杠副构成；
所述法向加载装置由法向顶杆、砝码和两个挂钩构成，法向顶杆为对称的框架结构，两个挂钩分别固定于法向顶杆两臂的底端，砝码挂于挂钩上，法向顶杆的横杆与贮水箱固连；
所述位移-应力监测组件由拉线型位移传感器、应变式拉应力传感器以及相配套的数据采集系统构成，其中拉线型位移传感器与下剪切盒相连，应变式拉应力传感器连接刚性弹簧与下剪切盒，伺服电机与拉线型位移传感器通过控制芯片电性连接。
2.根据权利要求1所述的考虑渗流-应力-化学耦合的岩土体剪切流变仪，其特征在于：所述加载组件包括法向加载装置以及由刚性弹簧、刚性连杆、激振器和直线位移机构构成的切向加载装置，刚性弹簧通过刚性连杆作用于下剪切盒，应变式拉应力传感器连接刚性弹簧与刚性连杆。
3.根据权利要求1或2所述的考虑渗流-应力-化学耦合的岩土体剪切流变仪，其特征在于：所述试验台上设有支座，支座作用于上剪切盒，拉线型位移传感器固定于支座上。
4.根据权利要求1所述的考虑渗流-应力-化学耦合的岩土体剪切流变仪，其特征在于：所述水管为五通管，水泵安装于五通管的入口管段上，五通管的四个出口管段分别连通于贮水箱四个侧面上。
5.根据权利要求1或4所述的考虑渗流-应力-化学耦合的岩土体剪切流变仪，其特征在于：水槽、水管和贮水箱从上至下顺序分布并且依次连通。
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