CN107655771B

CN107655771B - 一种模拟边坡现场岩体崩解的试验装置及其试验方法

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Publication number: CN107655771B
Application number: CN201710798854.2A
Authority: CN
Inventors: 曹雪山; 刘扬; 李国维; 袁俊平; 吴建涛; 殷宗泽; 张坤勇
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2020-12-11
Anticipated expiration: 2037-09-07
Also published as: CN107655771A

Abstract

本发明公开了一种模拟边坡现场岩体崩解的试验装置，包括湿化设备、试验箱、测试设备以及崩解物的收集设备；试验箱置于温控室中，温控室内设有温控器和加热灯；试验箱由多块钢板围合形成顶部开口的直角梯形，试验箱的斜边与水平面的夹角为33.3°～66.7°；从湿化设备中流出的冲刷水流沿着试验箱的斜边流下；试验箱底部设有多个通孔结构，待测试岩体放置于试验箱中；待测试岩体的崩解物沿着试验箱的斜边流入收集设备中，收集设备位于试验箱斜边的下端部；测试设备通过设置在试验箱上的百分表得到待测试岩体的崩解变形量。采用本发明试验装置，可很好地模拟边坡现场条件，更加合理、准确地测试岩体崩解特性，掌握岩体强度变化规律。

Description

一种模拟边坡现场岩体崩解的试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及一种模拟边坡现场岩体崩解的试验装置及其试验方法，属于土木工程技术领域。

背景技术

现有的岩块崩解性试验方法。目前崩解性试验均是现场取岩块样，岩块一般为40～60g，直径约30mm。试验主要通过干燥-湿化循环来模拟现场气候的蒸发-降雨天气条件，根据岩块崩解过程中的现象与崩解物内大于2mm颗粒干质量占总质量的比值来确定岩块的耐崩解性特征。岩块耐崩解特性反映了岩块的矿物成分及其含量、小尺寸的结构构造特征及外界水气环境变化作用。具体试验方法有规范推荐的耐崩解性试验及研究者自行设计各种不同干-湿循环方法的崩解试验方法，如烘干-浸水崩解试验、自然风干-浸水崩解试验、自然风干-浇水崩解试验、自然气候条件的降雨-蒸发循环的崩解试验等。但在室内试验成果与现场泥质岩崩解现象相比较时，存在如下特点：(1)自然条件下崩解是一个有侧向约束的长期崩解累积过程，而室内试验是无侧向约束，短期的崩解，所以结果差异较大；(2)现场崩解很大程度上受裂隙影响；(3)现场沉降岩的结构构造特征对崩解有影响。

针对这些特点，室内试验成果存在有如下问题：(1)试样的侧向约束问题。目前崩解性试验中岩块样一般为40～60g，直径约30mm，不存在侧向变形约束。《岩石与岩体鉴定和描述标准》(CECS 239-2008)将天然湿度单轴小于1MPa的岩石称为极软岩；小于5MPa，大于1MPa称为很软岩。极软岩，抗压强度低，既具有岩石的性质，如状态坚硬、结构致密、结构面发育的特点，也具有土的性质，强度低，受环境水分影响大，遇水不稳定的特点。根据现有研究成果，岩石强度愈低，耐崩解性指数也愈低，崩解性也愈强。现行《工程岩体试验方法标准》(GBT 50266-2013)的强度直剪试验主要适用于岩块，直剪试验中侧向无约束，原因是岩块粘聚力大，直剪过程中基本无侧向变形，强度值与侧向约束作用关系不大；而现行《土工试验方法标准》(GBT50123-1999)的强度直剪试验适用于土体，由于土体为松散集合体，直剪试验中有侧向约束。原因是土块粘聚力小，直剪过程中有侧向变形，强度值与侧向约束作用关系大；在无侧限抗压强度试验中，英国BC1377标准规定“适用于饱和的无裂隙的粘性土”。由此，侧向约束宜根据试样强度确定是否需要。而现有岩石崩解试验中均未考虑侧向约束作用，这显然不合适的，尤其对强度低的极软岩。(2)试样的尺寸效应问题。目前的研究成果表明岩块耐崩解性与其强度特征关系密切，两者均受岩块的结构面影响，因此岩块耐崩解性与其强度特征均有试样尺寸效应问题；但目前岩块崩解性试验方法不能反映较大尺寸试样特征，这对二次干湿循环耐崩解性指数I_d2<25％的情况更为显著。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟边坡现场岩体崩解的试验装置，还提供利用上述实验装置进行模拟边坡现场岩体崩解的试验方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种模拟边坡现场岩体崩解的试验装置，包括湿化设备、试验箱、测试设备以及崩解物的收集设备；所述试验箱置于温控室中，温控室内设有温控器和加热灯；其中，所述试验箱由多块钢板围合形成顶部开口的直角梯形，试验箱的斜边与水平面的夹角为33.3°～66.7°；从湿化设备中流出的冲刷水流沿着试验箱的斜边流下；试验箱底部设有多个通孔结构，待测试岩体放置于试验箱中；待测试岩体的崩解物沿着试验箱的斜边流入收集设备中，收集设备位于试验箱斜边的下端部；测试设备通过设置在试验箱上的百分表得到待测试岩体的崩解变形量。

其中，所述湿化设备包括通过管道连通的贮水筒和溢流槽，所述管道上设有开关和流量计。

其中，试验箱边上安装有4个百分表。

其中，所述收集设备包括水箱以及位于水箱底部的台称。

上述模拟边坡现场岩体崩解的试验装置的试验方法，包括如下步骤：

步骤1，构建岩体崩解试验装置：包括湿化设备、试验箱、测试设备以及崩解物的收集设备；试验箱置于温控室中，温控室内设有温控器和加热灯，试验箱由多块钢板围合形成顶部开口的直角梯形，试验箱的斜边与水平面的夹角为33.3°～66.7°，试验箱底部设有多个通孔结构，试验箱边上安装有4个百分表；待测试岩体放置于试验箱中，且待测试岩体的尺寸不小于试验箱的体积；

步骤2，试验过程与测试：温控室通过加热灯对试验箱进行恒温控制，记录在不同时间点百分表的读数，干燥初期24h，读数同时进行图像采集，时间分别为1min，3min，7min，15min，30min，1h，2h，4h，8h，16h，24h，随后每24h读一次数，当连续3d百分表上读数的差值<0.1mm/1d，说明读数稳定，认为岩样此时已经风干；然后进入湿化阶段，坡面浸水，通过流量计控制湿化设备中流出的冲刷水流量(大于1L/min)及冲刷坡面时间(2min～10min)确定湿化程度，记录湿化过程中湿化时间、冲刷水流量及岩体浸水前后百分表的读数；

步骤3，干燥-浸水为1次干湿循环过程；重复步骤2的试验操作4～5次，每次干燥-浸水历时不少于5天；最终得到岩体经过4～5次干湿循环后的崩解变形量。

其中，步骤2中，冲刷水流的流速为匀速流速，大于1L/min。

其中，在干湿循环下的不同时间段，定期对岩体进行图像采集，并进行图像处理，借助photoshop将照片进行二值化，再通过Matlab进行数值计算，得出岩石表面的裂隙度

本发明试验装置还可以采用裂缝宽度测试仪，测量试样随着时间的变化，裂缝宽度的开展情况。

本发明技术方案具有的有益效果为：

本发明试验装置置于室内进行，能够测试与记录岩体坡面变形、坡面裂隙发育的发展过程；可进行不同强度的坡面冲刷试验，以及模拟干湿循环的现场水气环境变化，进而能更为真实地反映软岩崩解发展过程，采用本发明试验方法，可很好地模拟边坡现场条件，更加合理、准确地测试岩体崩解特性，掌握岩体强度变化规律，进而为崩解性岩石边坡的合理设计提供理论支持。

附图说明

图1A为本发明模拟边坡现场岩体崩解的试验装置的侧视图；

图1B为本发明模拟边坡现场岩体崩解的试验装置的俯视图；

图1C为本发明模拟边坡现场岩体崩解的试验装置的后视图；

其中，1为贮水筒；2为开关；3为流量计；4为溢流槽；5为加热灯；6为温控器；7为试验箱；8为百分表；9为收集水箱；10为台称；11为温控室；12为待测岩石；

图2为实施例1有侧限的崩解试验示意图；其中，15为环刀试样，16为托盘；

图3(A)为实施例1中砂岩的崩解现象示意图；其中，(a)天然，(b)烘干，(c)吸水，(d)再烘干；

图3(B)为实施例1中泥岩的崩解现象示意图；其中，(a)天然，(b)烘干，(c)吸水，(d)再烘干；

图4为将砂岩与泥岩筛分试验20mm粒径以上残余试样；其中，(a)砂岩1#，(b)砂岩2#，(c)泥岩1#，(d)泥岩2#。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于此。

实施例1：有侧限的崩解试验研究

砂岩与泥岩原状试样均取自于引江济淮试验工程K42+040，渠道中部位置，深度12～13m。通过规范的耐崩解试验方法确定岩石的二次循环耐崩解性指数I_d2均小于2.5％，为强崩解性，无法区分其差别。本试验是在此基础上研究侧限对崩解性试验成果的影响。

试验步骤：

(1)制样，现场用环刀对砂岩与泥岩进行取样，在实验室用削土刀制作原状环刀土样16；

(2)干燥，将砂岩与泥岩两个原状环刀土样16放入托盘15，并将托盘15整体置于烘箱内烘干24h至恒量，然后取出放入干燥器中冷却至室温，并称量质量；

(3)浸水，如图2所示，往托盘15中先注水至环刀试件16高度的1/4处，以后每隔2h分别注水至环刀试件16高度的1/2和3/4处，6h后水面高度(H)与环刀试件16内土样平齐，静置24h，观察崩解现象并拍照；

(4)干燥筛分，将托盘15内水抽干，再次将托盘15整体放入烘箱内烘干24h，取出其中的环刀试样16冷却至室温，使用取样器将(土)试样与从环刀16脱出，将试样分别经过60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm粒径的标准筛，进行筛分试验。

如图3所示，浸水后砂岩整体稳定性较好；第一次烘干后砂岩收缩现象不明显，浸水后只有微小的膨胀，表面较平整，吸水后第二次烘干后膨胀变形仍存在；泥岩膨胀较大，第一次烘干后试样与环刀16处产生较大裂缝，浸水后膨胀较大，并伴随开裂，四周有少量崩解物，吸水后第二次烘干后较大的膨胀变形与开裂特征仍存在。

如图4所示，本试验采用砂岩与泥岩试样各2组。将托盘15内水抽干，再次整体放入烘箱内烘干24h，取出环刀试样16冷却至室温，分别经过60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm粒径的标准筛，进行筛分试验。

砂岩大部分粒径在20mm以上，试样崩解后的完整性较好，砂岩的设20mm粒径为阀值的耐崩解质量比为60％～70％，而泥岩仅为5％左右，泥岩20mm以上的残余质量较少，且为碎颗粒状，基本已崩解。

表1设20mm粒径为阀值的砂岩与泥岩的耐崩解质量比I_d(20)

岩性	砂岩1	砂岩2	泥岩1	泥岩2
					耐崩解质量比I<sub>d(20)</sub>(％)	73.06	64.69	5.82	3.16

实施例1的试验方法增加了侧限，可从试验现象分析及崩解特征上显著区分不同岩性的差异；同时软岩的崩解试验过程膨胀与收缩变形存在边界效应，反映边界的重要性。

实施例2：干湿循环下崩解变形试验

如图1所示，本发明模拟边坡现场岩体崩解的试验装置，包括湿化设备、试验箱7、测试设备以及崩解物的收集设备；试验箱7置于温控室11中，温控室11内设有温控器6和加热灯5；其中，试验箱7由多块钢板围合而成，形成顶部开口的直角梯形，试验箱7的斜边与水平面的夹角为33.3°～66.7°；从湿化设备中流出的冲刷水流沿着试验箱7的斜边流下；试验箱7底部设有多个通孔结构，待测试岩体12放置于试验箱7中；待测试岩体12的崩解物沿着试验箱7的斜边流入收集设备中，收集设备位于试验箱7斜边的下端部；测试设备通过设置在试验箱7上的百分表8得到待测试岩体12的崩解变形量；湿化设备包括通过管道连通的贮水筒1和溢流槽4，管道上设有开关2和流量计3；收集设备包括水箱9以及位于水箱9底部的台称10。在干湿循环下的不同时间段，定期对岩体进行图像采集(拍照)，并进行图像处理，借助photoshop将照片进行二值化，再通过Matlab进行数值计算，得出岩石表面的裂隙度。

试验步骤：

(1)构建崩解试验装置，试验装置(试验箱7)四周及底板均为钢板(四周用厚钢板焊接形成稳定有侧向的约束结构，侧限对岩石的崩解量有影响)，底面积为30cm×30cm，底部钻有透水孔，便于入渗岩石水体排出，较长一边高度为30cm，较短一边高度为20cm，坡度为1:3；

(2)现场取原状样，原状样12尺寸为30cm×30cm×30cm，岩样由于结构面较强，容易受扰动而发生结构破坏，保证岩样12的完整性，因此需在岩样12各边预留10cm的保护厚度；

(3)制样现场取的方样需用切土刀进行修整成底面积为30cm×30cm，岩样12坡后高度为30cm，岩样12坡前高度为20cm，坡度为1:3，并在装置两端装上百分表8，百分表8用于测量在干湿条件下的崩解变形量；

(4)环境模拟，观测试验装置时，为了避免外界环境干扰，影响观测数据，采用木制围栏进行维护，并运用加热灯5对试验箱7进行恒温控制；

(6)试验过程与测试，在室内恒温条件下，记录在不同时间百分表8的读数，干燥初期24h，读数及拍照时间为1min，3min，7min，15min，30min，1h，2h，4h，8h，16h，24h，然后每24h读一次数，当连续3d读数的差值<0.1mm/1d，说明读数稳定，认为岩样此时已经风干；然后进入湿化阶段，坡面浸水，以大于1L/min的冲刷水流量冲刷坡面2min～10min，记录湿化过程中湿化时间、冲刷水流量及岩体浸水前后百分表8的读数；干燥-浸水为1次干湿循环过程；试验应进行4～5次干湿循环的试验，每次干湿循环历时约11天；

(7)当变形量由于崩解过大而接近百分表8的量程时，应对百分表8进行重置，记录百分表8从试验开始至结束之后变形量的总和，同时定期拍照，观察岩体在干湿循环作用下表面裂隙开展情况。

试验成果分析：

(1)砂岩经过4次干湿循环，总变形量为14.13mm，16.395mm。

(2)崩解变形的最大值出现在浸水后的6h以内，之后3天的变化量较小，基本不变。

试验结论：

(1)自然条件下崩解是一个有侧向约束的长期崩解累积过程，采用本发明的试验方法，可更大程度上反映侧限对崩解的影响。

(2)采用本发明的试验方法，仍能反映崩解变形随着干湿循环次数的增加而增大，浸水的初期，表面岩体产生崩解，加之受到水流的冲刷，变形量会有突变，而后缓慢增大。

(3)采用本发明的试验方法，仍能反映裂隙度随着干湿循环次数增加而逐步增加。经历干湿循环次数越多，变化趋势越明显，变化幅度越大。

(4)采用本发明的试验方法，可区分不同的强崩解性软岩对水分变化及干湿循环作用的影响。

Claims

1.一种模拟边坡现场岩体崩解的试验装置，其特征在于：包括湿化设备、试验箱、测试设备以及崩解物的收集设备；试验箱置于温控室中，温控室内设有温控器和加热灯；其中，试验箱由多块钢板围合而成，形成顶部开口的直角梯形，试验箱的斜边与水平面的夹角为33.3°~66.7°；从湿化设备中流出的冲刷水流沿着试验箱的斜边流下；试验箱底部设有多个通孔结构，待测试岩体放置于试验箱中；待测试岩体的崩解物沿着试验箱的斜边流入收集设备中，收集设备位于试验箱斜边的下端部；测试设备通过设置在试验箱上的百分表得到待测试岩体的崩解变形量；湿化设备包括通过管道连通的贮水筒和溢流槽，管道上设有开关和流量计；收集设备包括水箱以及位于水箱底部的台称；在干湿循环下的不同时间段，定期对岩体进行图像采集，并进行图像处理，借助photoshop将照片进行二值化，再通过Matlab进行数值计算，得出岩石表面的裂隙度；

具体试验步骤为：

（1）构建崩解试验装置，试验装置四周及底板均为钢板，底面积为30cm×30cm，底部钻有透水孔，便于入渗岩石水体排出，较长一边高度为30cm，较短一边高度为20cm，坡度为1:3；

（2）现场取原状样，原状样尺寸为30cm×30cm×30cm，岩样由于结构面较强，容易受扰动而发生结构破坏，保证岩样的完整性，在岩样各边预留10cm的保护厚度；

（3）制样现场取的方样需用切土刀进行修整成底面积为30cm×30cm，岩样坡后高度为30cm，岩样坡前高度为20cm，坡度为1:3，并在装置两端装上百分表，百分表用于测量在干湿条件下的崩解变形量；

（4）环境模拟，观测试验装置时，为了避免外界环境干扰，影响观测数据，采用木制围栏进行维护，并运用加热灯对试验箱进行恒温控制；

（6）试验过程与测试，在室内恒温条件下，记录在不同时间百分表的读数，干燥初期24h，读数及拍照时间为1min，3min，7min，15min，30min，1h，2h，4h，8h，16h，24h，然后每24h读一次数，当连续3d读数的差值<0.1mm/1d，说明读数稳定，认为岩样此时已经风干；然后进入湿化阶段，坡面浸水，以大于1L/min的冲刷水流量冲刷坡面2min~10min，记录湿化过程中湿化时间、冲刷水流量及岩体浸水前后百分表的读数；干燥-浸水为1次干湿循环过程；试验应进行4~5次干湿循环的试验，每次干湿循环历时约11天；

（7）当变形量由于崩解过大而接近百分表的量程时，应对百分表进行重置，记录百分表从试验开始至结束之后变形量的总和，同时定期拍照，观察岩体在干湿循环作用下表面裂隙开展情况。

2.根据权利要求1所述的模拟边坡现场岩体崩解的试验装置，其特征在于：试验箱边上安装有4个百分表。

3.权利要求1所述模拟边坡现场岩体崩解的试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，构建岩体崩解试验装置：包括湿化设备、试验箱、测试设备以及崩解物的收集设备；试验箱置于温控室中，温控室内设有温控器和加热灯，试验箱由多块钢板围合形成顶部开口的直角梯形，试验箱的斜边与水平面的夹角为33.3°~66.7°，试验箱底部设有多个通孔结构，试验箱边上安装有4个百分表；待测试岩体放置于试验箱中，且待测试岩体的尺寸不小于试验箱的体积；

步骤2，试验过程与测试：温控室通过加热灯对试验箱进行恒温控制，记录在不同时间点百分表的读数，干燥初期24h，读数同时进行图像采集，时间分别为1min，3min，7min，15min，30min，1h，2h，4h，8h，16h，24h，随后每24h读一次数，当连续3d百分表上读数的差值<0.1mm/1d，说明读数稳定，认为岩样此时已经风干；然后进入湿化阶段，坡面浸水，通过流量计控制湿化设备中流出的冲刷水流量及冲刷坡面时间确定湿化程度，并记录湿化过程中湿化时间、冲刷水流量及岩体浸水前后百分表的读数；

步骤3，干燥-浸水为1次干湿循环过程；重复步骤2的试验操作4~5次，每次干燥-浸水历时不少于5天；最终得到岩体经过4~5次干湿循环后的崩解变形量。

4.权利要求3所述模拟边坡现场岩体崩解的试验装置的试验方法，其特征在于：步骤2中，冲刷水流的流速为匀速流速，大于1L/min。

5.权利要求3所述模拟边坡现场岩体崩解的试验装置的试验方法，其特征在于：在干湿循环下的不同时间段，定期对岩体进行图像采集，并进行图像处理，借助photoshop将照片进行二值化，再通过Matlab进行数值计算，得出岩石表面的裂隙度。