CN108535132B - 一种弱胶结岩体吸水试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥质弱胶结岩体吸水试验装置及试验方法，包括试样筒、试样筒支座、升降螺杆、称重传感器、称重传感器记录仪、供水槽、恒温水槽、调平支座、温度控制器、加热模块、温度传感器、水位控制阀等。该试验装置通过温度控制器和水位控制阀可精确控制水温及水位，既可消除试验过程中水温和水位变化对试样矿物吸水活化及吸水质量监测结果的影响，又可开展不同温度条件下弱胶结岩体试样的吸水试验；通过高精度称重传感器可连续监测试样吸水质量的变化，可得到不同温度条件下试样吸水量的变化规律；通过CCD照相模块可实时记录试样表面的宏细观裂纹(裂隙)结构的演化规律。本发明科学可行、操作便利，可显著提高试验效率和试验结果的精度。

Description

一种弱胶结岩体吸水试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种泥质弱胶结岩体吸水试验装置及试验方法，尤其是一种适用于黏土矿物含量较高的弱胶结岩体试样在不同温度条件下开展吸水量、水分扩散及试样表面的宏细观裂纹(裂隙)结构演化过程实时监测的试验装置及试验方法。

背景技术

泥质弱胶结岩体属于多孔介质材料，包括大量的蒙脱石、伊利石、高岭石等亲水性黏土矿物，与水接触后，在毛细力作用下，水分会沿着孔隙通道在岩体内发生运移。黏土矿物较高的岩体，与水发生作用后，胶结性降低，强度参数弱化，在工程应力作用下极易发生失稳。水岩相互作用是边坡工程、隧道工程、地基加固、采矿工程和水利工程等一系列岩体工程结构稳定性的最基础性研究课题之一，具有十分重要的科学价值和工程意义。水岩相互作用是影响岩体结构长期稳定的主要因素之一，特别是对于泥岩、泥质砂岩等弱胶结岩体，由于这类岩体中含有大量亲水性黏土矿物，比表面积大，孔隙、裂隙发育，吸水性强，与水接触后在毛细力作用下极易发生吸水运移，造成岩体细观结构不断演化，产生宏观裂隙，随着时间的累积，发生崩解，严重影响岩体的物理力学特性，从而带来相应的工程问题。因此，岩体吸水运移过程是值得深入研究和探索的科学问题，要开展岩体吸水试验研究的首要条件是保证恒定的水温和稳定的接触水面，同时在试验过程中要能实现自动记录岩体的吸水量、浸润线和试样表面的宏细观裂纹(裂隙)结构随时间变化的累积演化过程。

一般而言，若要进行岩体吸水过程中水分扩散的定量分析，对试验环境和试样状态要求较高，一方面要保证水温、水位线等试验环境的稳定，另一方面要保证试样吸水后应不发生整体崩解破坏。然而，目前已有的岩体吸水试验装置(如：一种岩土体吸水试验装置，专利申请号：201410337508.0)没有水温控制系统、称重系统和调平系统，这会对试验结果产生影响使得试验结果的精度不高；并且由于试样与试样筒之间的空隙过大，造成试样筒未能对试样崩解起到抑制作用，不适用于具有一定膨胀性和遇水易泥化崩解的弱胶结岩体；另外，该吸水试验装置没有观测(量测)系统，不能实现岩体试样吸水过程中的实时监测，试验精度不够。此外，部分具有称重功能的吸水试验装置(如：一种岩棉吸水试验装置，专利申请号：201710608261.5)通过在伸缩杆底端固接有电子秤，电子秤输出端固接有称重支杆，称重支杆底端固接有顶盖，并且在顶盖下表面通过固定螺母固接有框架，框架外围皆镶嵌有过滤网，在使用时将岩棉放入框架中，先用电子秤称其质量，而后通过气泵将伸缩杆推出到水箱内，使得岩棉充分吸水，再将伸缩杆收起进行称重，对比前后重量确定其吸水量。虽然可采用该试验装置获得岩样的吸水量，但此称重系统操作过程复杂、功能单一，不能实现试样吸水量的连续动态监测；另外，该试验装置没有设计水温与水位控制系统，使得试验过程中的水温、水位线等试验环境不稳定(水温高低变化，水位线波动起伏)，存在因水温变化而改变试样矿物吸水活化的问题，造成试验结果的精度不高；此外，该试验装置未考虑如何防止试样遇水崩解的问题，对于具有一定膨胀性和遇水易泥化崩解的弱胶结岩体不适用。

概括而言，保持试验系统的水温和水位的稳定及试样吸水后不发生整体崩解，是开展岩体试样吸水试验的必要条件。在试验过程中，试样的浸润线和试样表面的宏细观裂纹(裂隙)结构时时发生变化，为了得到试样在吸水过程中吸水量和试样表面的宏细观裂纹(裂隙)结构的演化过程，并以此揭示试样吸水运移特性对其物理力学性质的影响，需要动态(如：0分钟、1分钟，10分钟，30分钟，1小时，12小时，24小时等)对试样进行吸水量测定，并可采用CCD照相机对试样表面的宏细观裂纹(裂隙)结构(宏观裂纹是指试样表面具有一定开度的裂纹或大裂隙且肉眼可见，细观裂纹或裂隙是指试样表面存在但肉眼看不到的微裂隙)进行实时动态跟踪拍摄记录。

总而言之，若将试样从试样筒中取出，然后分别进行吸水量、水位线和试样表面的宏细观裂纹(裂隙)结构测定试验分析，这样会出现许多问题；首先试样吸水后，试样吸水端的强度较低，尤其是弱胶结岩体(强度较低、易泥化崩解)，在其取出过程中易断裂破坏，几乎无法多次进行不同浸水时间条件下试样的吸水试验；其次，由于试样筒内外温度、压力差、水位波动变化等环境的差异，导致试样失水与吸水交替变化，会导致岩体的结构性发生改变，造成测量误差较大。另外，重复操作对试样的结构性产生扰动作用，在较大程度上影响了试样的结构性与力学特性，引起试验结果误差。因此，亟需研制泥质弱胶结岩体吸水试验系统，通过温度控制系统控制水温，通过水位控制阀和供水阀控制恒温水槽水位，保证称重传感器准确记录试样筒内吸水质量的变化；通过设计试样筒规格与试样尺寸相匹配，对试样吸水崩解起到抑制作用，保持试样在整个吸水过程中的完整性，监测试样吸水过程中的吸水量、浸润线位置和试样表面的宏细观裂纹(裂隙)结构随时间变化的累积演化规律，获得泥质弱胶结岩体试样吸水运移过程及表观结构演化规律。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能抑制弱胶结岩体吸水过程中崩解，且能对吸水量、浸润线和试样表面的宏细观裂纹(裂隙)结构变化进行实时记录的弱胶结岩体吸水试验装置及试验方法，该吸水试验装置能保持水温和水位稳定，实现试样内水分运移过程和试样表面的宏细观裂纹(裂隙)结构演化的可视化观测，基于该吸水试验装置的试验方法操作简单，能够实现试样吸水过程的自动化监测，提高试验精度与效率。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种弱胶结岩体吸水试验装置，包括试样筒、试样筒支座、升降螺杆、称重传感器、称重传感器记录仪、供水槽、恒温水槽、调平支座、温度控制器、第一加热模块和第二加热模块、第一温度传感器和第二温度传感器、水位控制阀等；

所述第一加热模块和第二加热模块分别对恒温水槽和供水槽内的水进行加热，第一温度传感器和第二温度传感器分别对恒温水槽和供水槽内的水温进行检测，温度控制器根据恒温水槽和供水槽内的水温调节第一加热模块和第二加热模块，维持恒温水槽和供水槽内的水温恒定；

所述称重传感器置于恒温水槽内，试样筒支座放置在称重传感器上，试样筒放置在试样筒支座上，通过升降螺杆调整试样筒支座和试样筒的高度，通过称重传感器称取试样筒及其内置物的重量，称重传感器记录仪用于记录称重传感器的称重数据；

所述供水槽向恒温水槽供水，调平支座用于调整试样筒内置腔底面水平，水位控制阀用于维持恒温水槽内水平面与试样筒内置腔底面的相对高度。

本案中，恒温水槽和供水槽、加热模块、温度控制器、温度传感器探头构成水浴控温系统，温度传感器探头固定在恒温水槽和供水槽内，用于监测水温，通过连接温度控制器，实现对水温的自动控制，也可开展不同水温条件(20～80℃)试样的吸水试验；恒温水槽一侧设置一水位控制阀，达到设计水位线水平时，恒温水槽内的水自动溢出；恒温水槽另一侧设置一供水阀，在试样吸水后对恒温水槽内的水及时补充，水位控制阀和供水阀共同作用，可高精度地控制恒温水槽的水位高度。维持试验过程中恒温水槽内的水位恒定，可以进一步保证称重传感器能准确感知试样吸水质量的变化。

优选的，在恒温水槽上设置有水准泡，以便于调整恒温水槽底面水平，用于表征试样筒内置腔底面是否处于水平状态。

优选的，所述恒温水槽和供水槽通过供水管连通，在供水管上设置有供水阀(可控制恒温水槽的进水流量)。

优选的，还包括溢水槽，所述恒温水槽和溢水槽通过溢水管连通，水位控制阀(控制恒温水槽内水位高度)设置在溢水管上。

优选的，所述试样筒为透明材质，试样筒的底座上设置有透水孔，在底座上均匀铺设透水石层，在透水石层上铺设滤纸，将铺设了滤纸的透水石层的上表面作为试样筒内置腔底面；透明材质的设计可边缘观测试样吸水过程中的吸水量变化规律、水分扩散规律和试样表观结构演化规律，滤纸可阻止试样崩解后产生的小碎块或颗粒进入恒温水槽内，保持恒温水槽中水的清洁状态。

优选的，所述试样筒为圆柱形，这样试样筒的筒壁就可以对试样吸水崩解起到一定的限制作用(环向约束)；其具体的规格可根据试样尺寸具体设计。

优选的，还包括CCD照相模块，CCD照相模块用于拍摄试样筒及其内置物，通过调整合适焦距可获得试样吸水过程中的高清晰图像。

优选的，所述试样筒上设置有顶盖，在顶盖上设置有透气孔，通过透气孔可将试样筒内的气体排放到大气中，以维持试样筒内压力稳定，同时又可避免试样筒内试样水分的蒸发。

一种使用上述任一弱胶结岩体吸水试验装置的实验方法，包括如下步骤：

步骤一：根据水准泡的提示，利用调平支座将恒温水槽调平；

步骤二：向供水槽和恒温水槽内注水至设定水位，利用供水阀和水位控制阀控制恒温水槽内的水维持在水位线的高度，保证试验过程中恒温水槽内水位线不发生变化；

步骤三：利用温度控制器，按照试验要求调整并维持恒温水槽和供水槽内的水温(一般来说，温度范围为20～80℃)，根据第一温度传感器和第二温度传感器分别对恒温水槽和供水槽内的水温进行检测，温度控制器根据检测值启动第一加热模块和第二加热模块；

步骤四：待水温稳定后，将不放置试样的试样筒放置在试样筒支座上，调节升降螺杆，使滤纸的位置低于水位线一定阈值范围(滤纸略低于水位线高度即可，可根据具体情况进行调整)，恒温水槽内的水通过透水孔、透水石层和滤纸进入试样筒内；实时记录称重传感器记录仪的读数，待读数稳定后，关闭供水阀和水位控制阀，并将该稳定读数作为初始值；

步骤五：取出试样筒，将试样放置在试样筒的内置腔底面上；

步骤六：重新将放置有试样的试样筒放置在试样筒支座上，开启供水阀和水位控制阀，至恒温水槽内的水稳定在水位线，开启称重传感器记录仪和CCD高速照相模块，记录试样吸水质量和试样表观浸润线和结构状态；

步骤七：通过对比放置试样和不放置试样的记录信息，即可得到试样吸水过程中的吸水量变化规律、水分扩散规律和试样表观结构演化规律。

具体的，当称重传感器记录仪显示的试样吸水后的质量读数保持稳定的时间达到24小时，且试样浸润线及表观结构不再发生明显变化后，完成弱胶结岩体试样吸水试验。

有益效果：本发明提供的泥质弱胶结岩体吸水试验装置及试验方法，与已有的吸水试验系统相比，具有如下优势：1、本发明通过供水槽和恒温水槽内的温度传感器探头，并结合温度控制器，通过控制加热模块保持供水槽和恒温水槽内的水温稳定，避免水温变化改变试样矿物吸水活化，影响水岩相互作用；2、通过进水阀和水位控制阀来精确控制恒温水槽的水位线的高度，保证称重传感器能准确记录试样吸水过程中的质量变化，可获得试样在吸水过程中的吸水量演化规律；3、本发明还包括CCD照相模块，通过固定相机位置和设置合理的焦距，可获得试样表观结构的高清晰图像，并结合计算机对数字图像进行分析处理，可实现自动记录浸润线位置和反映试样表面的宏细观裂纹(裂隙)结构的演化规律；4、本发明的试样筒规格根据实验需求设计，制备的试样筒规格与试样尺寸相匹配，可以使得试样与试样筒能够紧密接触，利用试样筒的筒壁对试样产生的侧限(环向)约束作用，保证试样吸水后保持完整性；5、基于本发明的试验方法简单，且操作方便，试验结果的精度和准确度均高于传统试验方法。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图中包括：1、试样筒；2、滤纸；3、透水石层；4、底座；5、顶盖；6、透气孔；7、试样筒支座；8、升降螺杆；9、称重传感器；10、称重传感器底座；11a、第一加热模块；11b、第二加热模块；12a、第一温度传感器；12b、第二温度传感器；13、恒温水槽；14、水准泡；15、调平支座；16、供水槽；17、供水管；18、供水阀；19、水位控制阀；20、溢水管；21、溢水槽；22、水位线；23、CCD照相模块；24、温度控制器；25、称重传感器记录仪；26、透水孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种弱胶结岩体吸水试验装置，包括试样筒1、试样筒支座7、升降螺杆8、称重传感器9、称重传感器记录仪25、供水槽16、恒温水槽13、溢水槽21、调平支座15、温度控制器24、第一加热模块11a和第二加热模块11b、第一温度传感器12a和第二温度传感器12b、水位控制阀19、CCD照相模块23等。

所述第一加热模块11a和第二加热模块11b分别对恒温水槽13和供水槽16内的水进行加热，第一温度传感器12a和第二温度传感器12b分别对恒温水槽13和供水槽16内的水温进行检测，温度控制器24根据恒温水槽13和供水槽16内的水温调节第一加热模块11a和第二加热模块11b，维持恒温水槽13和供水槽16内的水温恒定。

所述称重传感器9置于恒温水槽13内中部，试样筒支座7放置在称重传感器9上，试样筒1放置在试样筒支座7上，通过升降螺杆8调整试样筒支座7和试样筒1的高度，通过称重传感器9称取试样筒1及其内置物的重量，称重传感器记录仪25用于记录称重传感器9的称重数据。

所述恒温水槽13和供水槽16通过供水管17连通，在供水管17上设置有供水阀18，供水阀18用于调节供水速度；所述恒温水槽13和溢水槽21通过溢水管20连通，在溢水管20上设置有水位控制阀19，水位控制阀19用于维持恒温水槽13内水平面与试样筒1内置腔底面的相对高度。在恒温水槽13上设置有水准泡14，在恒温水槽13的底部设置有四个调平支座15，通过四个调平支座15调整试样筒1内置腔底面水平。

所述试样筒1为透明材质的圆柱形筒，试样筒1的底座4上设置有透水孔26，在底座4上均匀铺设透水石层3，在透水石层3上铺设滤纸2，将铺设了滤纸2的透水石层3的上表面作为试样筒1内置腔底面；所述试样筒1上设置有顶盖5，在顶盖5上设置有透气孔6。

上述试验装置，水槽、加热模块、温度控制器、温度传感器探头构成水浴控温系统，可实现对水温的精确控制，避免水温变化对试样矿物吸水活化的影响。温度控制模块的控制范围为20～80℃，控制精度为0.1℃；高精度称重传感器的量程为300～500g，传感器精度为0.001g。

所述CCD照相模块23用于拍摄试样筒1及其内置物。

一种使用上述弱胶结岩体吸水试验装置的实验方法，包括如下步骤：

步骤一：根据水准泡14的提示，利用调平支座15将恒温水槽13调平；

步骤二：向供水槽16和恒温水槽13内注水至设定水位，利用供水阀18和水位控制阀19控制恒温水槽13内的水维持在水位线22的高度，保证试验过程中恒温水槽13内水位线22不发生变化；

步骤三：利用温度控制器24，按照试验要求调整并维持恒温水槽13和供水槽16内的水温，根据第一温度传感器12a和第二温度传感器12b分别对恒温水槽13和供水槽16内的水温进行检测，温度控制器24根据检测值启动第一加热模块11a和第二加热模块11b；

步骤四：待供水槽16和恒温水槽13内水温恒定后，将不放置试样的试样筒1放置在试样筒支座7上，调节升降螺杆8，使滤纸2的位置低于水位线22一定阈值范围，恒温水槽13内的水通过透水孔26、透水石层3和滤纸2进入试样筒1内；实时记录称重传感器记录仪25的读数，待读数稳定后，关闭供水阀18和水位控制阀19，并将该稳定读数作为初始值；

步骤五：取出试样筒1，将试样放置在试样筒1的内置腔底面上；

步骤六：重新将放置有试样的试样筒1放置在试样筒支座7上，开启供水阀18和水位控制阀19，至恒温水槽13内的水稳定在水位线22，开启称重传感器记录仪25和CCD高速照相模块23，记录试样吸水质量和试样表观浸润线和结构状态；

步骤七：通过对比放置试样和不放置试样的记录信息，即可得到试样吸水过程中的吸水量变化规律、水分扩散规律和试样表观结构演化规律；当称重传感器记录仪25显示的试样吸水后的质量读数保持稳定的时间达到24小时，且试样浸润线及表观结构不再发生明显变化后，完成弱胶结岩体试样吸水试验。

以上所述仅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 (7)

1.一种弱胶结岩体吸水试验装置的实验方法，其特征在于：包括试样筒(1)、试样筒支座(7)、升降螺杆(8)、称重传感器(9)、称重传感器记录仪(25)、供水槽(16)、恒温水槽(13)、调平支座(15)、温度控制器(24)、第一加热模块(11a)和第二加热模块(11b)、第一温度传感器(12a)和第二温度传感器(12b)、水位控制阀(19)、溢水槽(21)，所述试样筒(1)上设置有顶盖(5)，在顶盖(5)上设置有透气孔(6)；

所述第一加热模块(11a)和第二加热模块(11b)分别对恒温水槽(13)和供水槽(16)内的水进行加热，第一温度传感器(12a)和第二温度传感器(12b)分别对恒温水槽(13)和供水槽(16)内的水温进行检测，温度控制器(24)根据恒温水槽(13)和供水槽(16)内的水温调节第一加热模块(11a)和第二加热模块(11b)，维持恒温水槽(13)和供水槽(16)内的水温恒定；

所述称重传感器(9)置于恒温水槽(13)内，试样筒支座(7)放置在称重传感器(9)上，试样筒(1)放置在试样筒支座(7)上，通过升降螺杆(8)调整试样筒支座(7)和试样筒(1)的高度，通过称重传感器(9)称取试样筒(1)及其内置物的重量，称重传感器记录仪(25)用于记录称重传感器(9)的称重数据；

所述供水槽(16)向恒温水槽(13)供水，调平支座(15)用于调整试样筒(1)内置腔底面水平，所述恒温水槽(13)和溢水槽(21)通过溢水管(20)连通，水位控制阀(19)设置在溢水管(20)上，水位控制阀(19)用于维持恒温水槽(13)内水平面与试样筒(1)内置腔底面的相对高度；

实验方法为：

步骤一：根据水准泡(14)的提示，利用调平支座(15)将恒温水槽(13)调平；

步骤二：向供水槽(16)和恒温水槽(13)内注水至设定水位，利用供水阀(18)和水位控制阀(19)控制恒温水槽(13)内的水维持在水位线(22)的高度，保证试验过程中恒温水槽(13)内水位线(22)不发生变化；步骤三：利用温度控制器(24)，按照试验要求调整并维持恒温水槽(13)和供水槽(16)内的水温，根据第一温度传感器(12a)和第二温度传感器(12b)分别对恒温水槽(13)和供水槽(16)内的水温进行检测，温度控制器(24)根据检测值启动第一加热模块(11a)和第二加热模块(11b)；

步骤四：待供水槽(16)和恒温水槽(13)内水温恒定后，将不放置试样的试样筒(1)放置在试样筒支座(7)上，调节升降螺杆(8)，使滤纸(2)的位置低于水位线(22)一定阈值范围，恒温水槽(13)内的水通过透水孔(26)、透水石层(3)和滤纸(2)进入试样筒(1)内；实时记录称重传感器记录仪(25)的读数，待读数稳定后，关闭供水阀(18)和水位控制阀(19)，并将该稳定读数作为初始值；

步骤五：取出试样筒(1)，将试样放置在试样筒(1)的内置腔底面上；

步骤六：重新将放置有试样的试样筒(1)放置在试样筒支座(7)上，开启供水阀(18)和水位控制阀(19)，至恒温水槽(13)内的水稳定在水位线(22)，开启称重传感器记录仪(25)和CCD高速照相模块(23)，记录试样吸水质量和试样表观浸润线和结构状态；

步骤七：通过对比放置试样和不放置试样的记录信息，即可得到试样吸水过程中的吸水量变化规律、水分扩散规律和试样表观结构演化规律。

2.根据权利要求1所述的一种弱胶结岩体吸水试验装置的实验方法，其特征在于：在恒温水槽(13)上设置有水准泡(14)。

3.根据权利要求1所述的一种弱胶结岩体吸水试验装置的实验方法，其特征在于：所述恒温水槽(13)和供水槽(16)通过供水管(17)连通，在供水管(17)上设置有供水阀(18)。

4.根据权利要求1所述的一种弱胶结岩体吸水试验装置的实验方法，其特征在于：所述试样筒(1)为透明材质，试样筒(1)的底座(4)上设置有透水孔(26)，在底座(4)上均匀铺设透水石层(3)，在透水石层(3)上铺设滤纸(2)，将铺设了滤纸(2)的透水石层(3)的上表面作为试样筒(1)内置腔底面。

5.根据权利要求1所述的一种弱胶结岩体吸水试验装置的实验方法，其特征在于：所述试样筒(1)为圆柱形。

6.根据权利要求1所述的一种弱胶结岩体吸水试验装置的实验方法，其特征在于：还包括CCD照相模块(23)，CCD照相模块(23)用于拍摄试样筒(1)及其内置物。

7.根据权利要求1所述的一种弱胶结岩体吸水试验装置的实验方法，其特征在于：当称重传感器记录仪(25)显示的试样吸水后的质量读数保持稳定的时间达到24小时，且试样浸润线及表观结构不再发生明显变化后，完成弱胶结岩体试样吸水试验。

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