CN106970023B - 一种膨胀岩膨胀特性测试的被动加载试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种膨胀岩膨胀特性测试的被动加载试验装置，属于岩土工程试验技术领域。该装置包括底座、试样环、顶盖、连接螺杆、O形橡胶垫圈、传力杆、推力传感器、进水管、加载板、加载弹簧、位移传递杆、百分表、止水螺杆。底座内设有进水槽外接进水管，底座与顶盖侧壁分别设有配置止水螺杆的排气孔，试样环和顶盖设有三组位置对应的穿孔以供连接螺杆穿过，底座相应位置设有供连接螺杆啮合的螺纹孔，各部接合处设有O形橡胶垫圈。加载板上设有弹簧卡槽以固定加载弹簧，传力杆与传感器、位移传递杆与加载板均采用螺纹连接，位移传递杆从顶盖中心穿孔伸出，传感器由固定板固定于试样环内。本发明结构简单，使用方便，适用于试验。

Description

一种膨胀岩膨胀特性测试的被动加载试验装置

技术领域

本发明涉及岩土工程试验技术领域，特别是指一种膨胀岩膨胀特性测试的被动加载试验装置。

背景技术

膨胀岩是指在水的物理化学作用下随时间的发展而产生体积增加甚至破碎分解的一类岩石。由于组成成分、结构特征、环境影响因素不同于一般的岩石,膨胀岩具有其特殊的工程性质。我国为膨胀岩分布最为广泛的国家之一，东起山东西至新疆，南起广东北至黑龙江，均有不同类型的膨胀岩出露，因此，我国膨胀岩的工程性质是纷繁复杂的。

从岩石种类来看，具有吸水膨胀性质的岩石种类繁多,例如泥岩、页岩、黏土岩、泥质粉砂岩、石膏、芒硝等。其膨胀特性大多受多种因素影响,包括岩石的物理力学性质、初始含水率、水分供给条件和所处应力状态等。

根据膨胀机理的不同,膨胀岩又可分为化学膨胀岩和黏土质膨胀岩。化学膨胀岩多为含硬石膏和无水芒硝的岩石，其体积膨胀大多是由于吸水变相或结晶体积增大导致的。另一类则是含有较多强亲水矿物的黏土质岩石,如泥岩、黏土岩、页岩等,大部分岩类为沉积岩,强亲水矿物包括蒙脱石、伊利石和高岭石等，黏土颗粒间的粒间或晶间膨胀致使此类膨胀岩体积增大。

膨胀岩由于其特殊的工程性质在矿山、水利、交通运输和建筑等工程中会引发各种危害，经常导致工期延误、工程质量不合格而返修或重复施工、暂停运营等问题，致使工程成本增加而造成巨大的经济损失。其中，尤以地下硐室围岩吸水膨胀引发工程事故最为常见。

由于膨胀岩分布广泛、危害巨大，其膨胀特性研究工作越来越受到岩土工程界重视。早在上世纪70年代，Huder-Amberg就利用固结仪对膨胀性泥灰岩的膨胀特性做了研究，发现了侧限膨胀试验中轴向应力与轴向应变间的半对数线性关系。虽然该本构关系得到了世界范围内的公认，侧限约束轴向逐级卸载的膨胀试验方法也作为地下硐室工程领域中测定岩石膨胀特性和衬砌设计的基本试验，但该方法存在明显的局限性：该方法的卸载方式为人为控制的主动卸载，与工程实际中衬砌受膨胀岩挤压变形而产生的逐渐增大的限制膨胀的反作用力不符，因此只能反映膨胀卸载至稳定时的膨胀特性。

随着试验条件和方法的改进，薄壁环刀、应变片、推力传感器等器材被用于测量侧限压力，进水管连接滴定管和量筒控制水分供给的手段也被引入，但与工程实际相符的卸载方法和非稳态的膨胀特性仍属空白。因此发明一种合理的新型膨胀岩膨胀特性测试的被动加载试验装置用于解决以上问题十分必要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种膨胀岩膨胀特性测试的被动加载试验装置，通过采用有别于传统膨胀岩侧限膨胀试验装置人为控制主动卸载的被动加载方法，得到膨胀岩的非稳态膨胀特性，将试验与工程实际建立紧密联系。

该装置包括底座、试样环、顶盖、连接螺杆、O形橡胶垫圈、上透水石、下透水石、上排气孔、传力杆、传感器固定版、推力传感器、下排气孔、进水阀、进水管、加载板、加载弹簧、位移传递杆、百分表、止水螺杆、弹簧卡槽、U形槽、穿孔、螺纹孔和量筒，底座、试样环和顶盖由三根从穿孔穿过的连接螺杆连接固定，各部接合处设有O形橡胶垫圈保证腔体气密性，推力传感器由传感器固定板固定于试样环内，推力传感器通过传力杆测量试件环向压力，位移传递杆从顶盖中心穿孔伸出，百分表通过位移传递杆与加载板相连测量试件轴向位移。

其中，底座内部尺寸与下透水石吻合，底座内设有进水槽，进水槽外接进水管以连接量筒供水，进水管设有进水阀，底座侧壁设有下排气孔以排出下透水石处多余气体，底座上表面设有三个螺纹孔以供连接螺杆啮合固定。试样环内部尺寸与试样吻合，试样环设有预留槽位以安装推力传感器和传力杆并利用带有螺栓的传感器固定板固定，试样环设有U形槽以供推力传感器连接导线，试样环上环向分布3个穿孔以供连接螺杆穿过，试样环上、下面各设有圆形凹槽以放置O形橡胶垫圈并分别与顶盖、底座接合。顶盖内径为上透水石直径，高度为加载板、加载弹簧装配后与透水石的高度之和，顶盖侧壁设有上排气孔以排出上透水石处多余气体，顶盖顶部中心处设有通孔以供位移传递杆穿过，顶盖上环向分布3个穿孔以供连接螺杆穿过。上排气孔和下排气孔分别设有止水螺杆。传力杆与试件接触端采用弧形截面以保证二者紧密贴合，传力杆与推力传感器连接端设有螺纹孔以供二者啮合连接。加载板上环向设有弹簧卡槽以固定加载弹簧，加载板中心处设有螺纹孔以连接位移传递杆。加载弹簧两端并紧并磨平以保证其自身稳定性且便于完成与加载板的装配。位移传递杆与加载板连接端设有螺纹以供二者啮合，位移传递杆与百分表接触端部采用扩大端部以固定加载板、加载弹簧、位移传递杆并传递位移至百分表。

使用该装置时，依次放入下透水石、试样、上透水石，用连接螺杆固定装置，控制水分供给，记录整个膨胀过程的侧向应力与轴向变形，直到膨胀稳定。更换加载弹簧，重复上述试验步骤，最终得到不同弹性模量弹簧作用下的膨胀岩非稳态膨胀特性，为工程实际提供可靠理论指导。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

该装置结构简单，操作方便，能够主动模拟工程实际膨胀特性，试验结果可靠。

附图说明

图1为本发明的膨胀岩膨胀特性测试的被动加载试验装置结构示意图；

图2为本发明的膨胀岩膨胀特性测试的被动加载试验装置三视图，图2a为主视图，图2b为左视图，图2c为俯视图；

图3为试样环结构示意图；

图4为本发明的膨胀岩膨胀特性测试的被动加载试验装置3D剖面图；

图5为本发明工作状态示意图。

其中：1-底座；2-试样环；3-顶盖；4-连接螺栓；5-O形橡胶垫圈；6-上透水石；7-试样；8-下透水石；9-上排气孔；10-传力杆；11-传感器固定板；12-推力传感器；13-下排气孔；14-进水阀；15-进水管；16-加载板；17-加载弹簧；18-位移传递杆；19-百分表；20-止水螺杆；21-弹簧卡槽；22-U形槽；23-穿孔；24-螺纹孔；25-量筒。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种膨胀岩膨胀特性测试的被动加载试验装置。

如图1所示，该装置包括底座1、试样环2、顶盖3、连接螺杆4、O形橡胶垫圈5、传力杆10、推力传感器12、进水管15、加载板16、加载弹簧17、位移传递杆18、百分表19、止水螺杆20，利用三根从穿孔23穿过的连接螺杆4依次穿过顶盖3、试样环2(推力传感器12已由传感器固定板11固定于试样环2内)，与底座1上的螺纹孔24啮合将三个主要部件连接固定，在各部接合处放置O形橡胶垫圈5保证腔体密闭，位移传递杆从顶盖中心穿孔伸出与百分表接触，拼装后仪器主要部件的位置关系见图2(其中图2a、图2b和图2c分别为主视图、左视图和俯视图)。

其中，底座1内部尺寸为标准透水石尺寸，其内部设有外接进水管15的进水槽，以连接量筒25供水，进水量可通过进水阀14控制。底座1侧壁设有下排气孔13以排出下透水石8处的多余气体，其外部上表面设有三个螺纹孔24以供连接螺杆4啮合固定。顶盖3内径为上透水石6直径，高度为加载板16、加载弹簧17装配后与上透水石6的高度之和，顶盖3侧壁设有上排气孔9以排出上透水石6处多余气体，顶部中心处设有通孔以供位移传递杆18穿过，顶盖3上环向分布3个穿孔23以供连接螺杆4穿过。上排气孔9和下排气孔13分别设有止水螺杆20。

如图3所示，试样环2内部尺寸即为试样7尺寸，试样环2设有预留槽位以嵌入带有传力杆10的推力传感器12并将其以传感器固定板11固定。试样环2上环向分布3个穿孔23以供连接螺杆4穿过，其上下面各设有圆形凹槽以放置O形橡胶垫圈5并与顶盖3、底座1接合。

整个装置完成组装后的3D剖面图见图4。

其中，传力杆10前端为与试样环2内壁相连的弧形截面，使其与试样7侧壁紧密贴合，保证所测侧向应力的真实性。传力杆10与推力传感器12通过螺纹啮合连接。利用加载板16上的弹簧卡槽21固定两端磨平处理后的加载弹簧17，加载板16中心处螺纹孔连接位移传递杆18。位移传递杆18接触的扩大端部与百分表19接触以传递位移。

如图5所示，试验开始前，先组装推力传感器12和传力杆10并利用传感器固定板11将其固定于试样环2内，记录加载弹簧17的弹性系数，利用加载板16上的弹簧卡槽21固定加载弹簧17，将位移传递杆18从顶盖3中心通孔穿过，与加载板16通过螺纹啮合固定。确认进水阀14为关闭状态，连接量筒25与进水管15，在底座1中放置下透水石8。放置O形橡胶垫圈5后安装试样环2于底座1上，将试样7置于试样环2内，并在其上放置上透水石6。放置O形橡胶垫圈5后安装顶盖3，利用连接螺杆4穿过穿孔23后啮合于底座1的螺纹孔24上。将百分表19安置于顶盖3上并与位移传递杆18的扩大端部接触。将推力传感器12接至电阻应变仪上并开机预热。至此，仪器组装工作完成，记录应变仪与百分表19的初始读数。

打开进水阀14和下排气孔13，向仪器内注水，当水从下排气孔13溢出时，立即关闭下排气孔13，将此时的时间作为试验开始时间，将量筒25水量变化与下排气孔13溢出水量的差作为初始水量。试件7开始吸水膨胀，按合理时间间隔记录百分表19读数、量筒25读数和应变仪读数，直至膨胀稳定。解除荷载，取出试样7并称重烘干，计算含水量。至此，该弹性系数下的侧限膨胀试验完成。

更换其它弹性系数的加载弹簧，重复上述试验步骤。

具体技术参数分析：本发明应用于直径61.8mm、高度40mm的膨胀岩试件，透水石为直径61.8mm、高度10mm的土工试验标准透水石。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种膨胀岩膨胀特性测试的被动加载试验装置，其特征在于：包括底座(1)、试样环(2)、顶盖(3)、连接螺杆(4)、O形橡胶垫圈(5)、上透水石(6)、下透水石(8)、上排气孔(9)、传力杆(10)、传感器固定板(11)、推力传感器(12)、下排气孔(13)、进水阀(14)、进水管(15)、加载板(16)、加载弹簧(17)、位移传递杆(18)、百分表(19)、止水螺杆(20)、弹簧卡槽(21)、U形槽(22)、穿孔(23)、螺纹孔(24)和量筒(25)，底座(1)、试样环(2)和顶盖(3)由三根从穿孔(23)穿过的连接螺杆(4)连接固定，各部分接合处设有O形橡胶垫圈(5)保证腔体气密性，推力传感器(12)由传感器固定板(11)固定于试样环(2)内，推力传感器(12)通过传力杆(10)与试件(7)侧壁相连，位移传递杆(18)从顶盖(3)中心穿孔伸出，百分表(19)通过位移传递杆(18)与加载板(16)相连测量试件(7)轴向位移；

所述底座(1)内部尺寸与下透水石(8)吻合，底座(1)内设有进水槽，进水槽外接进水管(15)以连接量筒(25)供水，进水管(15)设有进水阀(14)，底座(1)侧壁设有下排气孔(13)以排出下透水石(8)处多余气体，底座(1)上表面设有三个螺纹孔(24)以供连接螺杆(4)啮合固定；

所述加载板(16)上环向设有弹簧卡槽(21)以固定加载弹簧(17)，加载板(16)中心处设有螺纹孔以连接位移传递杆(18)；

所述位移传递杆(18)与加载板(16)连接端设有螺纹以供二者啮合，位移传递杆(18)与百分表(19)接触端部采用扩大端部以固定加载板(16)、加载弹簧(17)、位移传递杆(18)并传递位移至百分表(19)；

所述试样环(2)内部尺寸与试件(7)吻合，试样环(2)设有预留槽位以安装推力传感器(12)和传力杆(10)并利用带有螺栓的传感器固定板(11)固定，试样环(2)设有U形槽(22)以供推力传感器(12)连接导线，试样环(2)上环向分布3个穿孔(23)以供连接螺杆(4)穿过，试样环(2)上、下面各设有圆形凹槽以放置O形橡胶垫圈(5)分别与顶盖(3)、底座(1)接合。

2.根据权利要求1所述的膨胀岩膨胀特性测试的被动加载试验装置，其特征在于：所述顶盖(3)内径为上透水石(6)直径，高度为加载板(16)、加载弹簧(17)装配后与上透水石(6)的高度之和，顶盖(3)侧壁设有上排气孔(9)以排出上透水石(6)处多余气体，顶盖(3)顶部中心处设有通孔以供位移传递杆(18)穿过，顶盖(3)上环向分布3个穿孔(23)以供连接螺杆(4)穿过。

3.根据权利要求1所述的膨胀岩膨胀特性测试的被动加载试验装置，其特征在于：所述上排气孔(9)和下排气孔(13)分别设有止水螺杆(20)。

4.根据权利要求1所述的膨胀岩膨胀特性测试的被动加载试验装置，其特征在于：所述传力杆(10)与试件(7)接触端采用弧形截面以保证二者紧密贴合，传力杆(10)与推力传感器(12)连接端设有螺纹孔以供二者啮合连接。

5.根据权利要求1所述的膨胀岩膨胀特性测试的被动加载试验装置，其特征在于：所述加载弹簧(17)两端并紧并磨平以保证其自身稳定性且便于完成与加载板(16)的装配。

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