CN107727506B - 一种单裂隙岩体化学-应力耦合试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单裂隙岩体化学‑应力耦合试验装置，所述装置包括压力室和水密封装置。本发明具有以下优点：(1)特制压力室采用透明高强度玻璃钢材质，可便于观察试样预制裂缝扩展情况；(2)耐腐蚀橡胶套套入特制水密封装置台阶圆柱，与压力室螺纹锥孔、螺纹圈紧密接触，通过螺纹盖旋紧螺圈，可有效避免压力室螺纹锥孔与台阶圆柱接触面发生渗流现象；(3)特制水密封装置弥补了传统混凝土、类岩石试件水力劈裂试验无法密封高水压的缺陷；(4)可用来研究库水压涨幅变化时对裂隙边坡岩体的影响；(5)试验轴向压力、水压力加载系统相互独立，可实现试验过程中水压、轴向压力数据自动保存和采集。

Description

一种单裂隙岩体化学-应力耦合试验装置及试验方法
技术领域
本发明属于岩体工程领域，涉及一种岩体工程中试验装置和方法，具体涉及一种单裂隙岩体化学-应力耦合试验装置及试验方法。
背景技术
库岸边坡裂隙岩体在赋存的水环境中存在着复杂的水-岩反应，一方面，裂隙内的水压力的存在会影响裂隙周围的应力场分布，进而改变裂隙周围的应力强度因子，同时水溶液对裂隙岩体的侵蚀改变岩体的微观结构，导致宏观力学特性的变化；另一方面，库水位的大幅度涨落，将会使库岸边坡裂隙岩体处于动态的干湿循环过程，增加裂隙岩体的损伤劣化，影响岩体的力学特性。因此，有必要在库岸边坡裂隙岩体考虑库水位涨落的基础上，开展化学-应力耦合作用下裂隙岩体力学特征试验研究。
目前，裂隙岩体化学-应力耦合试验采用天然岩石预制裂缝的方法模拟试验过程。这种方法虽然能真实地反应裂隙岩体表现出来的力学特性，但预制裂缝的过程中会对岩体产生损伤，影响试验结果。受试验装置和方法的限制，在裂隙岩体化学-应力耦合方面研究不足，尤其在考虑动态的干湿循环裂隙岩体化学-应力耦合方面。
发明内容
解决的技术问题：为了克服现有技术的缺陷，获得一种能够准确研究库岸边坡消落带裂隙岩体力学特性变化规律的方法，本发明提供了一种单裂隙岩体化学-应力耦合试验装置及试验方法。
技术方案：一种单裂隙岩体化学-应力耦合试验装置，所述装置包括压力室和水密封装置；所述压力室包括压力室外壳、压力室顶盖、压力室底座，且压力室中心位置设有贯通的压力室锥形孔，其中压力室外壳内壁设有耐腐蚀通气管，压力室顶盖中心设有加载轴，压力室外壳与压力室顶盖通过螺栓连接；所述水密封装置由压力钢板和螺杆经螺母固定而与压力室固结，压力钢板中心位置开设钢板阶梯孔，压力钢板上设有台阶圆柱，台阶圆柱穿过压力室锥形孔嵌入压力钢板阶梯孔内。
所述耐腐蚀通气管管身均匀开设了等间距的小孔，避免试样不均匀风干带来的试验随机误差。
优选的，所述压力室顶盖上加载轴的两侧分别设有进气孔和排气孔，进气孔上连有耐腐蚀通气管，且腐蚀通气管伸入压力室内。
优选的，所述压力室的一侧通过耐腐蚀导管外接水压加载系统，所述导管上设有压力计阀门和进水孔，压力室另一侧设有出水孔。
优选的，压力钢板上设有压力钢板螺孔和压力钢板预留孔，压力室前后预制与压力钢板预留孔位置相对应的支撑杆。
优选的，所述台阶圆柱与裂缝面接触端中心位置开设台阶圆柱凸块，凸块对应模拟初始裂缝位置开设凹槽，凹槽内设有耐腐蚀橡胶垫。
优选的，所述台阶圆柱外套有耐腐蚀橡胶套，耐腐蚀橡胶套外边缘与压力室的螺纹圈紧密接触，并在耐腐蚀橡胶套外部设有螺旋盖。
优选的，在压力钢板外侧的台阶圆柱一边设有弧形槽和水密封装置进水孔，另一边设有水密封装置排气孔，排气孔上设有密封帽。
所述一种单裂隙岩体化学-应力耦合试验方法，所述方法包括以下步骤：
(1)制备并选取离散性小的试样，放置压力室底座中线位置处；
(2)将带有活动的加载轴压力室顶盖与压力室外壳组装起来，用螺栓穿过压力室顶盖和压力室外壳顶部的压力钢板螺孔，并拧紧紧固螺栓；
(3)将涂有防腐涂料的螺纹盖旋紧压力室螺纹圈，密封压力室；
(4)压力室放置万能试验仪加载台上，通过加载轴对试件施加轴向压力至所需值；
(5)开启压力室进水孔的阀门，启动水压加载系统，向压力室内充满水化学溶液并至所需水压值，关闭进水孔的阀门，维持轴向压力和压力室内水溶液压力稳定至设定的浸泡时间；
(6)到达设定的浸泡时间，开启出水孔阀门，排出压力室的水化学溶液，关闭出水孔阀门，然后开启进气孔、排气孔阀门，通过耐腐蚀通气管，向压力室内通入一定流速的气体，试件风干48h后关闭进气孔、排气孔阀门；
(7)重复步骤(5)～(6)至少一次，拆除螺纹盖，组装好水密封装置，并在水密封装置台阶圆柱表面涂抹防腐材料，水密封装置进水孔与试样预制裂缝连接，拧紧水密封装置的螺杆和螺母，使水密封装置与压力室固定连接，并密封水压；
(8)耐腐蚀导水管连接水密封装置进水孔，启动水压加载系统，向缝内注入水溶液排出缝内空气，待水密封装置排气孔有水溶液流出时，用密封帽封闭水密封装置排气孔，关闭水压加载系统；
(9)打开压力室进水孔的阀门，启动水压加载系统，向压力室内冲入所需水压值的水化学溶液，然后关闭进水孔的阀门，连接水压加载系统与水密封装置进水孔，开启水压加载系统，向裂缝注入水化学溶液，直至试样发生破坏；
(10)观察试验过程中裂缝扩展的情况，分析其破坏过程；
(11)改变试验轴压、干湿循环次数、压力室内水溶液压力，重复步骤(5)～(10)，进行不同条件下的裂隙岩体化学-应力耦合试验研究。
有益效果：(1)特制压力室采用透明高强度玻璃钢材质，可便于观察试样预制裂缝扩展情况；(2)耐腐蚀橡胶套套入特制水密封装置台阶圆柱，与压力室螺纹锥孔、螺纹圈紧密接触，通过螺纹盖旋紧螺圈，可有效避免压力室螺纹锥孔与台阶圆柱接触面发生渗流现象；(3)特制水密封装置弥补了传统混凝土、类岩石试件水力劈裂试验无法密封高水压的缺陷；(4)可根据试验目的，开展不同干湿循环次数、不同浸泡水化学溶液压力下单裂隙岩体化学-应力耦合试验研究，可用来研究库水压涨幅变化时对裂隙边坡岩体的影响；(5)试验轴向压力、水压力加载系统相互独立，可实现试验过程中水压、轴向压力数据自动保存和采集。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为本发明压力室剖视示意图；
图3为本发明水密封装置示意图；
图4为本发明压力钢板示意图；
图5为本发明密封凸块示意图；
图6为本发明耐腐蚀橡胶套示意图；
图中：1-压力室外壳；2-加载轴；3-压力表；4-水压加载系统；5-耐腐蚀导水管；6-阀门；7-进水孔；8-出水孔；9-支撑杆；10-压力室底座；11-压力室顶盖；12-螺栓；13-压力室锥形孔；14-水密封装置；15-压力钢板；16-水密封装置进水孔；17-密封帽；18-压力钢板螺孔；19-压力钢板预留孔；20-压力钢板阶梯孔；21-螺杆；22-螺母；23-螺纹盖；24-螺纹圈；25-耐腐蚀橡胶套；26-台阶圆柱；27-弧形槽；28-台阶圆柱凸块；29-凹槽；30-耐腐蚀橡胶垫；31-水密封装置排气管；32-进气孔；33-排气孔；34-耐腐蚀通气管。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
如图1所示，一种单裂隙岩体化学-应力耦合试验装置，所述装置包括压力室和水密封装置14；所述压力室包括压力室外壳1、压力室顶盖11、压力室底座10，且压力室中心位置设有贯通的压力室锥形孔13，其中压力室外壳1内壁设有耐腐蚀通气管34，压力室顶盖11中心设有加载轴2，压力室外壳1与压力室顶盖11通过螺栓12连接；所述水密封装置14由压力钢板15和螺杆21经螺母22固定而与压力室固结，压力钢板15中心位置开设钢板阶梯孔20，压力钢板15上设有台阶圆柱26，台阶圆柱26穿过压力室锥形孔13嵌入压力钢板阶梯孔20内。
如图2所示，所述压力室顶盖11上加载轴2的两侧分别设有进气孔32和排气孔33，进气孔32上连有耐腐蚀通气管34，且腐蚀通气管34伸入压力室内。
如图1所示，所述压力室的一侧通过耐腐蚀导管5外接水压加载系统4，所述导管上设有压力计3阀门6和进水孔7，压力室另一侧设有出水孔8。
如图1和图4所示，压力钢板15上设有压力钢板螺孔18和压力钢板预留孔19，压力室前后预制与压力钢板预留孔19位置相对应的支撑杆9。
如图5所示，所述台阶圆柱26与裂缝面接触端中心位置开设台阶圆柱凸块28，凸块对应模拟初始裂缝位置开设凹槽29，凹槽29内设有耐腐蚀橡胶垫30。
如图1和图6所示，所述台阶圆柱26外套有耐腐蚀橡胶套25，耐腐蚀橡胶套25外边缘与压力室的螺纹圈24紧密接触，并在耐腐蚀橡胶套25外部设有螺旋盖23。
如图3所示，在压力钢板15外侧的台阶圆柱26一边设有弧形槽27和水密封装置进水孔16，另一边设有水密封装置排气孔31，排气孔上设有密封帽17。
一种单裂隙岩体化学-应力耦合试验方法，所述方法包括以下步骤：
(1)制备并选取离散性小的试样，放置压力室底座10中线位置处；
(2)将带有活动的加载轴2压力室顶盖11与压力室外壳1组装起来，用螺栓12穿过压力室顶盖11和压力室外壳1顶部的压力钢板螺孔18，并拧紧紧固螺栓12；
(3)将涂有防腐涂料的螺纹盖23旋紧压力室螺纹圈24，密封压力室；
(4)压力室放置万能试验仪加载台上，通过加载轴2对试件施加轴向压力至所需值；
(5)开启压力室进水孔7的阀门6，启动水压加载系统4，向压力室内充满水化学溶液并至所需水压值，关闭进水孔7的阀门6，维持轴向压力和压力室内水溶液压力稳定至设定的浸泡时间；
(6)到达设定的浸泡时间，开启出水孔8阀门，排出压力室的水化学溶液，关闭出水孔8阀门，然后开启进气孔32、排气孔33阀门，通过耐腐蚀通气管34，向压力室内通入一定流速的气体，试件风干48h后关闭进气孔32、排气孔33阀门；
(7)重复步骤(5)～(6)至少一次，拆除螺纹盖23，组装好水密封装置14，并在水密封装置14台阶圆柱26表面涂抹防腐材料，水密封装置进水孔16与试样预制裂缝连接，拧紧水密封装置14的螺杆21和螺母22，使水密封装置14与压力室固定连接，并密封水压；
(8)耐腐蚀导水管5连接水密封装置进水孔16，启动水压加载系统4，向缝内注入水溶液排出缝内空气，待水密封装置排气孔31有水溶液流出时，用密封帽17封闭水密封装置排气孔31，关闭水压加载系统4；
(9)打开压力室进水孔7的阀门6，启动水压加载系统4，向压力室内冲入所需水压值的水化学溶液，然后关闭进水孔7的阀门6，连接水压加载系统4与水密封装置进水孔16，开启水压加载系统4，向裂缝注入水化学溶液，直至试样发生破坏；
(10)观察试验过程中裂缝扩展的情况，分析其破坏过程；
(11)改变试验轴压、干湿循环次数、压力室内水溶液压力，重复步骤(5)～(10)，进行不同条件下的裂隙岩体化学-应力耦合试验研究。

Claims (1)

1.一种单裂隙岩体化学-应力耦合试验方法，其特征在于，所述方法采用的装置包括压力室和水密封装置（14）；所述压力室包括压力室外壳（1）、压力室顶盖（11）、压力室底座（10），且压力室中心位置设有贯通的压力室锥形孔（13），其中压力室外壳（1）内壁设有耐腐蚀通气管（34），压力室顶盖（11）中心设有加载轴（2），压力室外壳（1）与压力室顶盖（11）通过螺栓（12）连接；所述水密封装置（14）由压力钢板（15）和螺杆（21）经螺母（22）固定而与压力室固定连接，压力钢板（15）中心位置开设钢板阶梯孔（20），压力钢板（15）上设有台阶圆柱（26），台阶圆柱（26）穿过压力室锥形孔（13）嵌入压力钢板阶梯孔（20）内；所述压力室顶盖（11）上的加载轴（2）的两侧分别设有进气孔（32）和排气孔（33），进气孔（32）上连有耐腐蚀通气管（34），且腐蚀通气管（34）伸入压力室内；所述压力室的一侧通过耐腐蚀导管（5）外接水压加载系统（4），所述耐腐蚀导管（5）上设有压力计（3）、阀门（6）和进水孔（7），压力室另一侧设有出水孔（8）；压力钢板（15）上设有压力钢板螺孔（18）和压力钢板预留孔（19），压力室前后预制与压力钢板预留孔（19）位置相对应的支撑杆（9）；所述台阶圆柱（26）与裂缝面接触端中心位置开设台阶圆柱凸块（28），凸块对应模拟初始裂缝位置开设凹槽（29），凹槽（29）内设有耐腐蚀橡胶垫（30）；所述台阶圆柱（26）外套有耐腐蚀橡胶套（25），耐腐蚀橡胶套（25）外边缘与压力室的螺纹圈（24）紧密接触，并在耐腐蚀橡胶套（25）外部设有螺纹盖（23）；在压力钢板（15）外侧的一个台阶圆柱（26）上设有弧形槽（27）和水密封装置进水孔（16），另一个台阶圆柱（26）上设有水密封装置排气孔（31），排气孔上设有密封帽（17）；
所述方法包括以下步骤：
(1)制备并选取离散性小的试样，放置在压力室底座(10)中线位置处；
(2)将带有活动的加载轴(2)的压力室顶盖(11)与压力室外壳(1)组装起来，用螺栓(12)穿过压力室顶盖(11)和压力室外壳(1)顶部，并拧紧螺栓(12)；
(3)将涂有防腐涂料的螺纹盖(23)旋紧压力室螺纹圈(24)，密封压力室；
(4)压力室放置万能试验仪加载台上，通过加载轴(2)对试件施加轴向压力至所需值；
(5)开启压力室的进水孔(7)处的阀门(6)，启动水压加载系统(4)，向压力室内充满水化学溶液并至所需水压值，关闭进水孔(7)处的阀门(6)，维持轴向压力和压力室内水溶液压力稳定至设定的浸泡时间；
(6)到达设定的浸泡时间，开启出水孔(8)阀门，排出压力室的水化学溶液，关闭出水孔(8)阀门，然后开启进气孔(32)、排气孔(33)阀门，通过耐腐蚀通气管(34)，向压力室内通入一定流速的气体，试件风干48h后关闭进气孔(32)、排气孔(33)阀门；
(7)重复步骤(5)～(6)至少一次，拆除螺纹盖(23)，组装好水密封装置(14)，并在水密封装置(14)的台阶圆柱(26)表面涂抹防腐材料，水密封装置进水孔(16)与试样预制裂缝连接，拧紧水密封装置(14)的螺杆(21)和螺母(22)，使水密封装置(14)与压力室固定连接，并密封水压；
(8)耐腐蚀导管(5)连接水密封装置进水孔(16)，启动水压加载系统(4)，向缝内注入水溶液排出缝内空气，待水密封装置排气孔(31)有水溶液流出时，用密封帽(17)封闭水密封装置排气孔(31)，关闭水压加载系统(4)；
(9)打开压力室的进水孔(7)处的阀门(6)，启动水压加载系统(4)，向压力室内充入所需水压值的水化学溶液，然后关闭进水孔(7)处的阀门(6)，连接水压加载系统(4)与水密封装置进水孔(16)，开启水压加载系统(4)，向裂缝注入水化学溶液，直至试样发生破坏；
(10)观察试验过程中裂缝扩展的情况，分析其破坏过程；
(11)改变试验轴压、干湿循环次数、压力室内水溶液压力，重复步骤(5)～(10)，进行不同条件下的裂隙岩体化学-应力耦合试验研究。
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