CN107631940A - 一种垂直荷载作用下的岩石裂隙冻胀力测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直荷载作用下的岩石裂隙冻胀力测试装置，包括隔热承载底座、屉型侧壁钢架、垂直加压钢板、液压千斤顶、钢板、隔热盖、冷气输送管、片状压力传感器和针状温度传感器。本发明结构简单，制作与安装方便，操作容易；压力传感器安装精度高，测量误差可控；可连续测量多个岩体试样中饱水裂隙冻胀力大小变化；为进行垂直荷载作用下的裂隙冻胀力测试提供了有效的实验方法。

Description

一种垂直荷载作用下的岩石裂隙冻胀力测试装置

技术领域

本发明涉及岩石力学试验技术领域，具体涉及一种垂直荷载作用下的岩石裂隙冻胀力测试装置。适用于砂岩、花岗岩等致密岩石和混凝土等人工材料在垂直荷载作用下的裂隙冻胀力测量。

背景技术

裂隙岩体冻融损伤与断裂严重威胁寒区岩体工程安全与稳定。裂隙岩体冻融损伤与断裂主要是由于裂隙冻胀力引起裂隙冻胀扩展演化的结果。工程岩体赋存于地应力环境中，外荷载尤其是垂直荷载会限制裂隙冻胀过程，从而直接影响裂隙冻胀力演化过程与量值大小，因此，研究不同垂直荷载和裂隙几何形状下的裂隙冻胀力大小对揭示裂隙岩体冻融损伤机理、解决寒区岩体工程冻害具有重要意义。

目前关于垂直荷载作用下裂隙冻胀力的研究方法以数值模拟和理论模型为主，缺少不同垂直荷载作用下的裂隙冻胀力大小实验数据支撑。已有的裂隙冻胀力测试方法包括光弹性测试技术和薄膜压力传感器测试方法，但由于实验装置限制，无法考虑垂直荷载引起裂隙冰的挤出效应，光弹性试验的测试精度较差而薄膜压力传感器的安装精度相对较差，两种测量方式的误差也都难以控制。因而急需研发一种能够简单、准确测量垂直荷载作用下不同几何形状裂隙中的冻胀力测试装置。

一种研究岩石裂隙冻胀力的方法是：如果要研究长×宽×深为15 cm×4 mm×8cm的裂隙饱水冻结过程中冻胀力大小，先将制作15 cm×15 cm×15 cm的标准试块从任意面中心线处切割，形成一条长×宽×深为15 cm×4 mm×8 cm的裂隙；然后向裂隙中插入厚4 mm的预制钢片，在试样中垂直裂隙表面方向打圆孔直至接触钢板；在孔中安置针状温度传感器和片状压力传感器，固定好传感器后向小孔中灌入水泥砂浆捣实，留出传感器的数据传输线，放置于保养池养护，待其凝固后抽出预制钢板并在裂隙水平方向两端用水泥砂浆密封从而形成一侧裂隙表面装有传感器的完整半开口裂隙试样；从裂隙开口端通入冷气进行降温冻结，通过在半开口裂隙试样表面施加压应力研究不同垂直荷载作用下饱水裂隙中冻胀力大小。温度传感器和压力传感器连接多功能数据采集仪，可以实现连续自动监测。通过控制冻结温度和垂直荷载大小，可以测量出不同冻结温度和外荷载作用下任意几何形状的裂隙中冻胀力时空演化规律。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种垂直荷载作用下的岩石裂隙冻胀力测试装置。安装简单、原理明确、操作方便、测试精度高、可准确连续测量含水裂隙在垂直荷载作用下的岩石裂隙冻胀力变化特征。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

一种垂直荷载作用下的岩石裂隙冻胀力测试装置，包括隔热承载底座，所述的隔热承载底座的两侧分别与两个屉型侧壁钢架的底部连接，隔热承载底座上方且位于两个屉型侧壁钢架之间设置有两个垂直加压钢板，两个垂直加压钢板之间设置有液压千斤顶，还包括两个H型空槽钢支架，H型空槽钢支架包括H型支架主体和设置在H型支架主体的两个竖边的内卷边，内卷边与H型支架主体之间卡设有钢板，内卷边外侧设置有卡槽，每个屉型侧壁钢架的两侧均设置有卡条，两个屉型侧壁钢架同一侧的卡条分别卡设在同一个H型空槽钢支架的两个卡槽内，垂直加压钢板与相邻的钢板之间的区域为冷冻区，冷冻区的上方盖设有隔热盖，隔热盖上设置有与冷冻区连通的冷气输送管，冷冻区内设置有岩块，岩块上开设有垂直的裂隙，裂隙处设置有片状压力传感器和针状温度传感器。

如上所述的裂隙的两侧密封有隔水胶布。

如上所述的岩块上垂直于裂隙开设有安装出线孔，片状压力传感器与压力传感器数据传输线连接，压力传感器数据传输线自安装出线孔引出；针状温度传感器与温度传感器数据传输线连接，温度传感器数据传输线自安装出线孔引出；安装出线孔内浇筑有水泥砂浆。

如上所述的钢板上设置有传感数据线圆柱通道孔，H型支架主体上设置有调节紧固螺栓。

如上所述的片状压力传感器和针状温度传感器均设置在安装出线孔内且均与裂隙的内壁平齐。

如上所述的两个屉型侧壁钢架的底部均开设有滑槽，隔热承载底座的两侧分别嵌入到两个屉型侧壁钢架的底部的滑槽内。

如上所述的垂直加压钢板内设置有隔热夹层。

如上所述的卡槽为T型槽，卡条的外形与卡槽适配。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果

1）结构简单，制作与安装方便，操作容易；

2）压力传感器安装精度高，测量误差可控；

3）可连续测量多个岩体试样中饱水裂隙冻胀力大小变化；

4）为进行垂直荷载作用下的裂隙冻胀力测试提供了有效的实验方法。

附图说明

图1为H型空槽钢支架的立体图。

图2为屉型侧壁钢架的立体图。

图3为液压千斤顶、隔热夹层、垂直加压钢板、屉型侧壁钢架和隔热承载底座的组装图。

图4为冷气输送管、隔热盖的组装图。

图5为本发明的总体组装图。

图6为本发明的立体图。

图7为本发明的侧视图。

图8为图7中A-A剖面图。

图9为图8中B-B剖面图。

图10为单一孔立方体岩块侧视图。

图11为图10的A-A剖面图。

图12为不同深度多孔立方体岩块侧视图。

图13为两组实验立方体岩块的剖面图。

1-隔热承载底座、2-垂直加压钢板、3-隔热夹层、4-液压千斤顶、5-调节紧固螺栓、6-H型空槽钢支架、7-传感数据线圆柱通道孔、8-钢板、9-冷气输送管、10-隔热盖、11-连接油泵管、12-屉型侧壁钢架；

20-岩块、21-隔水胶布、22-裂隙、23-水泥砂浆、24-温度传感器数据传输线、25-片状压力传感器、26-压力传感器数据传输线、27-针状温度传感器；

601-H型支架主体；602-内卷边；603-卡槽；1201-卡条；2001-安装出线孔；1C-滑槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施示例对本发明进一步说明：

一种垂直荷载作用下的岩石裂隙冻胀力测试装置，包括隔热承载底座1，其特征在于，所述的隔热承载底座1的两侧分别与两个屉型侧壁钢架12的底部连接，隔热承载底座1上方且位于两个屉型侧壁钢架12之间设置有两个垂直加压钢板2，两个垂直加压钢板2之间设置有液压千斤顶4，还包括两个H型空槽钢支架6，H型空槽钢支架6包括H型支架主体601和设置在H型支架主体601的两个竖边的内卷边602，内卷边602与H型支架主体601之间卡设有钢板8，内卷边602外侧设置有卡槽603，每个屉型侧壁钢架12的两侧均设置有卡条1201，两个屉型侧壁钢架12同一侧的卡条1201分别卡设在同一个H型空槽钢支架6的两个卡槽603内，垂直加压钢板2与相邻的钢板8之间的区域为冷冻区，冷冻区的上方盖设有隔热盖10，隔热盖10上设置有与冷冻区连通的冷气输送管9，冷冻区内设置有岩块20，岩块20上开设有垂直的裂隙22，裂隙22处设置有片状压力传感器25和针状温度传感器27。

裂隙22的两侧密封有隔水胶布21。

岩块20上垂直于裂隙22开设有安装出线孔2001，片状压力传感器25与压力传感器数据传输线26连接，压力传感器数据传输线26自安装出线孔2001引出；针状温度传感器27与温度传感器数据传输线24连接，温度传感器数据传输线24自安装出线孔2001引出；安装出线孔2001内浇筑有水泥砂浆23。

钢板8上设置有传感数据线圆柱通道孔7，H型支架主体601上设置有调节紧固螺栓5。

片状压力传感器25和针状温度传感器27均设置在安装出线孔2001内且均与裂隙22的内壁平齐。

两个屉型侧壁钢架12的底部均开设有滑槽1C，隔热承载底座1的两侧分别嵌入到两个屉型侧壁钢架12的底部的滑槽1C内。

垂直加压钢板2内设置有隔热夹层3。

卡槽603为T型槽，卡条1201的外形与卡槽603适配。

如图1～3所示，隔热夹层3的两侧边伸入到屉型侧壁钢架12的匣槽内，并可在液压千斤顶4的作用下靠近临近的钢板8滑动，隔热承载底座1的两侧分别嵌入到两个屉型侧壁钢架12的底部的滑槽1C内，使得隔热承载底座1、屉型侧壁钢架12、钢板8、隔热盖10形成相对隔温的冷冻室，冷冻室内放置岩块20。调节紧固螺栓5的螺纹端旋入H型支架主体601上的螺纹孔并与钢板8相抵，可以通过调节紧固螺栓5调节钢板8的传感数据线圆柱通道孔7的位置，使传感数据线圆柱通道孔7的位置与岩块20上的安装出线孔2001对齐（保证实验时数传输线不会被挤压坏从而导致实验的失败）。压力传感器数据传输线26和温度传感器数据传输线24穿过安装出线孔2001和传感数据线圆柱通道孔7后连接外部数据采集仪，可以实现连续自动监测。

如图4、6所示，岩块20可根据实验需求开凿不同深度的安装出线孔2001。

冷气输送管9实验时与供冷设备连接，实验时根据需要制冷。

冻结试验前，在加工好的L×L×L的立方体岩块20中切割实验所需的裂隙22，裂隙22自岩块20的顶面处置开设至岩块20的中部或下部，将两面涂抹好机油的预制钢板插入裂隙22中；根据实验需求确定安装出线孔2001位置及数量，垂直于裂隙22的方向开凿安装出线孔2001，直至安装出线孔2001刚好贯穿裂隙22的侧壁；将片状压力传感器25和针状温度传感器27置于安装出线孔2001中，保证片状压力传感器25和针状温度传感器27与裂隙22的内壁平齐，在安装出线孔2001中注入水泥砂浆，放入恒温恒湿保养池中，待水泥砂浆凝固；然后抽出预制钢板，并用防水胶布21和水泥砂浆将裂隙两侧密封。

冻结试验中，放置好岩块20，向裂隙22中注入纯净水，调整垂直加压钢板2使其刚好与岩块20的一侧表面接触，然后控制液压千斤顶4加压，并通过冷气输送管9开始给岩块20中的裂隙水降温。

片状压力传感器25可采用片状的不锈钢压力传感器，测表压精度高、防水、工作温度范围-40°～125°，保证实验的准确和客观；温度测量采用针状温度传感器27，灵敏度高。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种垂直荷载作用下的岩石裂隙冻胀力测试装置，包括隔热承载底座（1），其特征在于，所述的隔热承载底座（1）的两侧分别与两个屉型侧壁钢架（12）的底部连接，隔热承载底座（1）上方且位于两个屉型侧壁钢架（12）之间设置有两个垂直加压钢板（2），两个垂直加压钢板（2）之间设置有液压千斤顶（4），还包括两个H型空槽钢支架（6），H型空槽钢支架（6）包括H型支架主体（601）和设置在H型支架主体（601）的两个竖边的内卷边（602），内卷边（602）与H型支架主体（601）之间卡设有钢板（8），内卷边（602）外侧设置有卡槽（603），每个屉型侧壁钢架（12）的两侧均设置有卡条（1201），两个屉型侧壁钢架（12）同一侧的卡条（1201）分别卡设在同一个H型空槽钢支架（6）的两个卡槽（603）内，垂直加压钢板（2）与相邻的钢板（8）之间的区域为冷冻区，冷冻区的上方盖设有隔热盖（10），隔热盖（10）上设置有与冷冻区连通的冷气输送管（9），冷冻区内设置有岩块（20），岩块（20）上开设有垂直的裂隙（22），裂隙（22）处设置有片状压力传感器（25）和针状温度传感器（27）。

2.根据权利要求1所述的一种垂直荷载作用下的岩石裂隙冻胀力测试装置，其特征在于，所述的裂隙（22）的两侧密封有隔水胶布（21）。

3.根据权利要求1所述的一种垂直荷载作用下的岩石裂隙冻胀力测试装置，其特征在于，所述的岩块（20）上垂直于裂隙（22）开设有安装出线孔（2001），片状压力传感器（25）与压力传感器数据传输线（26）连接，压力传感器数据传输线（26）自安装出线孔（2001）引出；针状温度传感器（27）与温度传感器数据传输线（24）连接，温度传感器数据传输线（24）自安装出线孔（2001）引出；安装出线孔（2001）内浇筑有水泥砂浆（23）。

4.根据权利要求3所述的一种垂直荷载作用下的岩石裂隙冻胀力测试装置，其特征在于，所述的钢板（8）上设置有传感数据线圆柱通道孔（7），H型支架主体（601）上设置有调节紧固螺栓（5）。

5.根据权利要求3所述的一种垂直荷载作用下的岩石裂隙冻胀力测试装置，其特征在于，所述的片状压力传感器（25）和针状温度传感器（27）均设置在安装出线孔（2001）内且均与裂隙（22）的内壁平齐。

6.根据权利要求1所述的一种垂直荷载作用下的岩石裂隙冻胀力测试装置，其特征在于，所述的两个屉型侧壁钢架（12）的底部均开设有滑槽（1C），隔热承载底座（1）的两侧分别嵌入到两个屉型侧壁钢架（12）的底部的滑槽（1C）内。

7.根据权利要求1所述的一种垂直荷载作用下的岩石裂隙冻胀力测试装置，其特征在于，所述的垂直加压钢板（2）内设置有隔热夹层（3）。

8.根据权利要求1所述的一种垂直荷载作用下的岩石裂隙冻胀力测试装置，其特征在于，所述的卡槽（603）为T型槽，卡条（1201）的外形与卡槽（603）适配。