CN108956938B - 冻融循环岩石变形测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冻融循环岩石变形测量装置及其测量方法，变形测量装置包括轴向变形测量装置和环向变形测量装置，轴向变形测量装置包括第一LVDT传感器、基座和卡盘；基座上开设有若干安装孔，部分安装孔内安装有第一油槽，第一LVDT传感器一端位于第一油槽内，另一端固定于第一油槽正上方的卡盘上；环向变形测量装置包括第二LVDT传感器、夹紧装置和固定在基座上的下盘，下盘内放置有相对其滑动、且具有放置岩样的容纳腔的上滑动盘；上滑动盘上设置有第二油槽，夹紧装置的一端卡装于未设置第二油槽的安装孔内，另一端位于第二油槽的上方；第二LVDT传感器的一端位于第二油槽，另一端固定于第二油槽正上方的夹紧装置上。

Description

冻融循环岩石变形测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及岩石力学性能测试领域，具体涉及冻融循环岩石变形测量装置及其测量方法。

背景技术

在海拔较高，或者维度较高的寒冷地带，每个昼夜岩石都要经过一次冻融，在岩体中发生冻胀与收缩变形。导致岩体物理以及力学性质的变化，从而引发大量地质灾害。在我国西部寒区有大量矿山、水利、铁路、公路、工民建筑等重大工程，冻融灾害问题逐渐成为这些工程地质和岩土工程领域的重点研究对象。研究表明，孔隙率较大且强度较低的岩石如中粗砂岩和泥岩等受冻融的影响很大，随着冻融循环次数的增加，其强度降低，甚至会直接崩碎，节理比较发育的硬质岩石也会受影响。所以，对不同含水率的岩石进行冻融循环研究，测量其应变及体积变化，显得尤为重要。

在目前的国内冻融循环实验中，测量变形的方法主要使应变片和可变差动变压器(LVDT)。专利CN201710115424公开了一种冻融循环干湿环境模拟和损伤劣化测量装置，可自动模拟冻融温度和变形测量，专利CN201310284685公开了混凝土冻融膨胀应变监测传感，其具有工艺简单，布设方便，但是未考虑环境对变形的影响。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的冻融循环岩石变形测量装置及其测量方法能够实现岩样在冻融下的裂纹体积增量测量。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，提供一种冻融循环岩石变形测量装置，其包括轴向变形测量装置和环向变形测量装置，轴向变形测量装置包括第一LVDT传感器、基座和使用时与岩样固定连接的卡盘；基座上开设有若干安装孔，部分安装孔内安装有第一油槽，第一LVDT传感器一端位于第一油槽内，另一端固定于第一油槽正上方的卡盘上；

环向变形测量装置包括第二LVDT传感器、夹紧装置和固定在基座上的下盘，下盘内放置有相对其滑动、且具有放置岩样的容纳腔的上滑动盘；上滑动盘上设置有若干第二油槽，夹紧装置的一端卡装于未设置第二油槽的安装孔内，另一端位于第二油槽的上方；第二LVDT传感器的一端位于第二油槽，另一端固定于第二油槽正上方的夹紧装置上。

进一步地，夹紧装置包括立柱和与立柱固定连接的夹持块，立柱安装于未设置第二油槽的安装孔内，夹持块上开设有位于第二油槽正上方的竖向通孔，第二LVDT传感器另一端穿过竖向通孔，并与夹持块固定连接。

进一步地，下盘的内孔设置呈倒锥形，上滑动盘设置呈与内孔外形相匹配的倒锥形圆台。

进一步地，上滑动盘由若干滑动块拼组而成，每个滑动块上均设置有第二油槽。

进一步地，卡盘上开设有若干外通孔及供岩样穿过的圆形通孔，卡盘的侧面开设有若干与圆形通孔连通的锁紧孔；第一LVDT传感器另一端穿出外通孔、并与卡盘固定连接。

进一步地，外通孔与其正下方的安装孔的轴线位于同一铅垂线a上，且第一LVDT传感器通过铅垂线a置于第一油槽内；

上滑动盘上开设有安装第二油槽的盲孔，竖向通孔与其正下方的盲孔的轴线位于同一铅垂线b上，且第二LVDT传感器通过铅垂线b置于第二油槽内。

进一步地，上滑动盘的制备方法包括：选取孔隙率为70％的泡沫铜为骨架材料，将其放置于固化溶液中浸泡10小时，溶液固化后在骨架材料的空隙间形成海绵，之后将骨架材料加工成上滑动盘。

进一步地，固化溶液的制备方法包括：在2kg的水中加入200g聚乙烯醇，并采用热水浴逐渐升温至90℃，并搅拌均匀；待溶液稳定后，向溶液中加入200g己二烯酸，搅拌后再加入120g六亚甲基四胺，形成混合溶液；之后，再向混合溶液中加入400g浓度为1mol/L的盐酸和1g硅油至混合溶液中，搅拌均匀后形成固化溶液。

第二方面，提供一种采用冻融循环岩石变形测量装置测量冻融循环岩石变形的方法，其包括：

将岩样放置在上滑动盘的容纳腔内，并将卡盘与岩样固定连接；

安装第一LVDT传感器和第二LVDT传感器，并在岩样上放置上温度补偿片；

对岩样进行冻融循环试验，记录每次冻融后所有第一LVDT传感器和第二LVDT传感器的位移量；

根据每次冻融后所有第一LVDT传感器的位移量，计算岩样的竖向变形量：

其中，x为卡盘相对岩样高度与岩样高度的比值；w_i为第i个第一LVDT传感器的位移量；w为岩样的竖向变形量；c为第一LVDT传感器的总数量；

根据每次冻融后所有第二LVDT传感器的位移量，计算岩样的环形变形量：

其中，d为上滑动盘的厚度；h为上滑动盘的高度；v_i为第i个第二LVDT传感器的位移量；v为岩样的环形变形量；l为第二LVDT传感器的总数量；

根据每次冻融过程中岩样的竖向变形量和环形变形量，计算岩样的体积变化量：

△V＝π[(H+w)(r-v)²-Hr²]

其中，H为初始岩样高度；r为初始岩样半径；△V为岩样的体积变化量；

根据每次冻融的岩样的体积变化量和热膨胀冷缩的体积变化量，计算岩样的裂纹体积增量：

其中，△T为温度变化量；α_i为岩样中第i种矿物颗粒的体积膨胀系数；η_i为岩样中第i种矿物颗粒的体积分数；n为岩样中矿物种类的数量。

本发明的有益效果为：在进行岩样变形测试时，本方案的卡盘直接固定在岩样上，而多个固定于卡盘不同轴向的第一LVDT传感器位于基座上的第一油槽内，岩样在冻融试验时，岩样在轴向不同位置发生的位移量能够传递给卡盘，使卡盘跟着上升或下降相应的位移量，由于第一LVDT传感器一端固定在卡盘上，其能记录卡盘多个位置处的位移量，从而达到岩样的竖向变形量的准确测量。

岩样在膨胀时，可以使上滑动盘有水平运动的趋势，由于上滑动盘安装在下盘内，下盘限制了上滑动盘的运动，使得上滑动盘将水平运动趋势转换为沿下盘向上运动，由于第二LVDT传感器至于上滑动盘上的第二油槽内，多个第二油槽的运动带动其内的第二LVDT传感器发生位移量，从而达到岩样的环形变形量的准确测量。

将第一LVDT传感器和第二LVDT传感器分别设置在第一油槽和第二油槽内后，再结合第一油槽和第二油槽内设置的低温油液，可以解决反复冷冻试验时岩样中的水珠顺着传感器流向，在传感器的末端形成冰晶降低传感器的测量精度的问题。

在每次冻融试验后，采用本装置测得的岩样的竖向变形量和岩样的环形变形量，就能够快速得计算得到岩样的体积变化量和岩样的裂纹体积增量。

本方案的上滑动盘采用本方案的制备方式进行制备后，其能够保证上滑动盘具有一定的承载能力的同时，其还可以通过填充的海绵层吸收岩样表面的水，这样可以在冻融试验时避免岩样表面的水珠凝结为冰晶，增加上滑动盘的环向和轴向位移量，影响第二LVDT传感器7测量的岩样变形量准确性。

附图说明

图1为冻融循环岩石变形测量装置的立体图。

图2为冻融循环岩石变形测量装置去除卡盘后的结构示意图。

图3为冻融循环岩石变形测量装置的上滑动盘的结构示意图。

图4为冻融循环岩石变形测量装置的卡盘上安装有螺钉和结构示意图。

图5为冻融循环岩石变形测量装置未设置第一LVDT传感器和第二LVDT传感器的立体图。

其中，1、卡盘；11、外通孔；12、内通孔；13、螺纹通孔；14、锁紧孔；2、基座；21、安装孔；22、第一油槽；3、夹紧装置；31、立柱；32、夹持块；321、竖向通孔；322、螺纹孔；4、上滑动盘；41、滑动块；42、第二油槽；5、下盘；6、第一LVDT传感器；7、第二LVDT传感器。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参考图1、图5和图2，图1示出了冻融循环岩石变形测量装置的立体图；图2示出了冻融循环岩石变形测量装置去除卡盘1后的结构示意图。如图1和图2所示，该冻融循环岩石变形测量装置包括轴向变形测量装置和环向变形测量装置。

轴向变形测量装置包括第一LVDT传感器6、基座2和使用时与岩样固定连接的卡盘1；基座2上开设有若干安装孔21，部分安装孔21内安装有第一油槽22，第一LVDT传感器6一端位于第一油槽22内，另一端固定于第一油槽22正上方的卡盘1上。

如图4所示，在本发明的一个实施例中，卡盘1上开设有若干外通孔11及供岩样穿过的圆形通孔，卡盘1的侧面开设有若干与圆形通孔连通的锁紧孔14及与外通孔11连通的螺纹通孔13。

卡盘1通过锁紧螺钉与锁紧孔14的相互配合，以使卡盘1固定在岩样上；第一LVDT传感器6另一端穿出外通孔11后，通过在螺纹通孔13内安装六角螺钉，以使第一LVDT传感器6上端与卡盘1固定连接。

实施时，本方案优选基座2上设置有8个水平均匀分布的安装孔21，其中4个间隔设置的安装孔21用来安装第一油槽22，另外4个间隔设置的安装孔21用来安装夹紧装置3；安装孔21为盲孔，在其内部开设有内螺纹；第一油槽22下端开设有内螺纹，第一油槽22的数量为4个，且其间隔设置在安装孔21内。

环向变形测量装置包括第二LVDT传感器7、夹紧装置3和固定在基座2上的下盘5，下盘5内放置有相对其滑动、且其上具有放置岩样的容纳腔的上滑动盘4。

实施时，本方案优选下盘5的内孔设置呈倒锥形，上滑动盘4设置呈与内孔外形相匹配的倒锥形圆台。这样设置后，可以在上滑动盘4水平方向运动受限时，使滑动盘沿斜面向上滑动，降低了滑动阻力，保证了岩样膨胀变形时的变形量的准确测量。

其中，下盘5的材料选用不锈钢，其内表面为圆锥形曲面，表面粗糙度为Ra 0.1。下盘5的材质及粗糙度的独特设置，可以使下盘5与上滑动盘4之间的摩擦力达到最小化，进一步保证了岩样膨胀变形时的变形量无限接近于真实值。

上滑动盘4上设置有第二油槽42，夹紧装置3的一端卡装于未设置第二油槽42的安装孔21内，另一端位于第二油槽42的上方；第二LVDT传感器7的一端位于第二油槽42，另一端固定于第二油槽42正上方的夹紧装置3上。

其中，第一LVDT传感器6和第二LVDT传感器7的下端分别位于第一油槽22和第二油槽42的底部，这样可以岩样在进行冻融试验时，其变形量可以通过第一LVDT传感器6与第一油槽22及第二LVDT传感器7与第二油槽42的相对位移进行反演。第一油槽22和第二油槽42中装有HS低温液压油，其倾点低于-40℃，在进行冻融试验时，即便在低温下仍能保持很好的流动性。

在本发明的一个实施例中，夹紧装置3包括立柱31和与立柱31固定连接的夹持块32(优选夹持块32为铁块或不锈钢)，立柱31安装于未设置第二油槽42的安装孔21内，夹持块32上开设有位于第二油槽42正上方的竖向通孔321及与竖向通孔321连通的螺纹孔322。

第二LVDT传感器7另一端穿过竖向通孔321，并通过螺纹孔322与六角螺钉将第二LVDT传感器7的上端与夹持块32固定连接。实施时，在卡盘1上还设置有内通孔12，内通孔12位于卡盘1靠近圆形通孔侧，外通孔11位于远离圆形通孔侧，其中第二LVDT传感器7延伸出竖向通孔321的端部延伸至内通孔12中。

如图3所示，实施时，本方案优选上滑动盘4由若干滑动块41拼组而成，每个滑动块41上均设置有盲孔，在盲孔内设有与第二油槽42下端的外螺纹配合的内螺纹，第二油槽42通过螺纹连接结构安装在滑动块41的盲孔中。

多个滑动块41的设置，可以使每个滑动块41反演与其接触的岩样所在段的变形量，这样可以通过多个滑动块41更真实地反演岩样在膨胀时的变形情况，保证了最终岩样的裂纹体积增量(损伤情况)的准确性。

在本发明的一个实施例中，外通孔11与其正下方的安装孔21的轴线位于同一铅垂线a上，且第一LVDT传感器6通过铅垂线a置于第一油槽22内；

上滑动盘4上开设有安装第二油槽42的盲孔，竖向通孔321与其正下方的盲孔的轴线位于同一铅垂线b上，且第二LVDT传感器7通过铅垂线b置于第二油槽42内。

第一LVDT传感器6和第二LVDT传感器7安装位置的具体设置，第一LVDT传感器6和第二LVDT传感器7测量的位移量经简单换算后就能够直接反演相应位置处的变形量，从而简化了岩样变形量测量的难度，另外，通过这种独特设置，该装置结构更紧凑，可以同时精确地测量环向变形和轴向变形，消除降温过程中，水凝结为冰晶对LVDT测量产生的误差，并可直接计算损伤演化规律，测试精度高，结果可靠。

在本发明的一个实施例中，上滑动盘4的制备方法包括：选取孔隙率为70％的泡沫铜为骨架材料，将其放置于固化溶液中浸泡10小时，溶液固化后在骨架材料的空隙间形成海绵，之后将骨架材料加工成上滑动盘4。

其中，固化溶液的制备方法包括：在2kg的水中加入200g聚乙烯醇，并采用热水浴逐渐升温至90℃，并搅拌均匀；待溶液稳定后，向溶液中加入200g己二烯酸，搅拌后再加入120g六亚甲基四胺，形成混合溶液；之后，再向混合溶液中加入400g浓度为1mol/L的盐酸和1g硅油至混合溶液中，搅拌均匀后形成固化溶液。

固化溶液采用上述材料制备后，其能够大幅度缩短海绵的固化时间，可以使海绵仍具有较好的吸水性，且这次物质与铜骨架之间几乎不发生化学反演，能保证铜骨架正常传递位移。

通过本方案给出的方式进行上滑动盘4的制备，可以保证上滑动盘4有一定的承载力的同时，还可以吸收岩样表面的水，这样可以避免冻融试验时，岩样表面的水珠珠凝结为冰晶，增加上滑动盘的环向和轴向位移量，影响第二LVDT传感器7测量的岩样变形量准确性。

实施时，本方案优选第一LVDT传感器6和第二LVDT传感器7均与控制单元连接，这样第一LVDT传感器6和第二LVDT传感器7采集的数据可以直接传递给控制单元，控制单元可以快速地实现岩样的环形变形量、竖向变形量、体积变化量及裂纹体积增量。

至此已完成对冻融循环岩石变形测量装置的具体结构的详细描述，下面接着对采用采用冻融循环岩石变形测量装置测量冻融循环岩石变形的方法进行详细说明。

采用冻融循环岩石变形测量装置测量冻融循环岩石变形的方法100包括步骤101至步骤107。

在步骤101中，在进行岩样冻融试验时，首先需要将岩样制备成圆柱体，之后在岩样上端的十分之九高度处，绘制一条圆弧线；将岩样放置在上滑动盘4的容纳腔内，并将卡盘1固定在岩样上的圆弧形处。

在步骤102中，安装第一LVDT传感器6和第二LVDT传感器7，并在岩样上放置上温度补偿片。

具体地，将第一LVDT传感器6穿过外通孔，将其下端放置在第一油槽22内，并使第一LVDT传感器6的下端与第一油槽22底部接触，之后将六角螺钉穿过螺纹通孔13，以使第一LVDT传感器6上端与卡盘1固定连接。

将第二LVDT传感器7穿过内通孔，再穿过夹持块32的竖向通孔321，使第二LVDT传感器7下端位于在第二油槽42内，并使第二LVDT传感器7的下端与第二油槽42底部接触，之后将六角螺钉穿过螺纹孔322，以使第二LVDT传感器7上端与夹持块32固定连接。

之后，在岩样的任一位置上贴上温度补偿片，以消除温度变化产生的误差；

在步骤103中，对岩样进行冻融循环试验，记录每次冻融后所有第一LVDT传感器6和第二LVDT传感器7的位移量；

在步骤104中，根据每次冻融后所有第一LVDT传感器6的位移量，计算岩样的竖向变形量：

其中，x为卡盘相对岩样高度与岩样高度的比值，本实例中为优选为

w_i为第i个第一LVDT传感器6的位移量；w为岩样的竖向变形量；c为第一LVDT传感器6的总数量；

在步骤105中，根据每次冻融后所有第二LVDT传感器7的位移量，计算岩样的环形变形量：

其中，d为上滑动盘4的厚度；h为上滑动盘4的高度；v_i为第i个第二LVDT传感器7的位移量；v为岩样的环形变形量；l为第二LVDT传感器7的总数量；

在步骤106中，根据每次冻融过程中岩样的竖向变形量和环形变形量，计算岩样的体积变化量：

△V＝π[(H+w)(r-v)²-Hr²]

其中，H为初始岩样高度；r为初始岩样半径；△V为岩样的体积变化量；

在步骤107中，根据每次冻融的岩样的体积变化量和热膨胀冷缩的体积变化量，计算岩样的裂纹体积增量：

其中，△T为温度变化量；α_i为岩样中第i种矿物颗粒的体积膨胀系数；η_i为岩样中第i种矿物颗粒的体积分数；n为岩样中矿物种类的数量。

通过本方案提供的装置和方法每冻融循环一次，记录一次岩样的变形量，这样通过冻融循环后测得的多次变形量分析岩样的损伤变化规律。

Claims (10)

1.冻融循环岩石变形测量装置，其特征在于，包括轴向变形测量装置和环向变形测量装置，所述轴向变形测量装置包括第一LVDT传感器、基座和使用时与岩样固定连接的卡盘；所述基座上开设有若干安装孔，部分安装孔内安装有第一油槽，所述第一LVDT传感器一端位于第一油槽内，另一端固定于第一油槽正上方的卡盘上；

所述环向变形测量装置包括第二LVDT传感器、夹紧装置和固定在所述基座上的下盘，所述下盘内放置有相对其滑动、且具有放置岩样的容纳腔的上滑动盘；所述上滑动盘上设置有若干第二油槽，所述夹紧装置的一端卡装于未设置第二油槽的安装孔内，另一端位于第二油槽的上方；所述第二LVDT传感器的一端位于第二油槽，另一端固定于第二油槽正上方的夹紧装置上。

2.根据权利要求1所述的冻融循环岩石变形测量装置，其特征在于，所述夹紧装置包括立柱和与所述立柱固定连接的夹持块，所述立柱安装于未设置第二油槽的安装孔内，所述夹持块上开设有位于第二油槽正上方的竖向通孔，所述第二LVDT传感器另一端穿过竖向通孔，并与夹持块固定连接。

3.根据权利要求1所述的冻融循环岩石变形测量装置，其特征在于，所述下盘的内孔设置呈倒锥形，所述上滑动盘设置呈与所述内孔外形相匹配的倒锥形圆台。

4.根据权利要求3所述的冻融循环岩石变形测量装置，其特征在于，所述上滑动盘由若干滑动块拼组而成，每个所述滑动块上均设置有第二油槽。

5.根据权利要求2所述的冻融循环岩石变形测量装置，其特征在于，所述卡盘上开设有若干外通孔及供岩样穿过的圆形通孔，所述卡盘的侧面开设有若干与所述圆形通孔连通的锁紧孔；所述第一LVDT传感器另一端穿出所述外通孔、并与所述卡盘固定连接。

6.根据权利要求5所述的冻融循环岩石变形测量装置，其特征在于，所述外通孔与其正下方的安装孔的轴线位于同一铅垂线a上，且所述第一LVDT传感器通过铅垂线a置于第一油槽内；

所述上滑动盘上开设有安装第二油槽的盲孔，所述竖向通孔与其正下方的盲孔的轴线位于同一铅垂线b上，且所述第二LVDT传感器通过铅垂线b置于第二油槽内。

7.根据权利要求1-4及6任一所述的冻融循环岩石变形测量装置，其特征在于，所述上滑动盘的制备方法包括：选取孔隙率为70%的泡沫铜为骨架材料，将其放置于固化溶液中浸泡10小时，溶液固化后在骨架材料的空隙间形成海绵，之后将骨架材料加工成上滑动盘。

8.根据权利要求7所述的冻融循环岩石变形测量装置，其特征在于，所述固化溶液的制备方法包括：在2kg的水中加入200g聚乙烯醇，并采用热水浴逐渐升温至90℃，并搅拌均匀；待溶液稳定后，向溶液中加入200g己二烯酸，搅拌后再加入120g六亚甲基四胺，形成混合溶液；之后，再向混合溶液中加入400g浓度为 1mol/L的盐酸和1g硅油至混合溶液中，搅拌均匀后形成固化溶液。

9.一种采用权利要求1-8任一所述的冻融循环岩石变形测量装置测量冻融循环岩石变形的方法，其特征在于， 包括：

将岩样放置在上滑动盘的容纳腔内，并将卡盘与所述岩样固定连接；

安装第一LVDT传感器和第二LVDT传感器，并在岩样上放置上温度补偿片；

对岩样进行冻融循环试验，记录每次冻融后所有第一LVDT传感器和第二LVDT传感器的位移量；

根据每次冻融后所有第一LVDT传感器的位移量，计算岩样的竖向变形量：

其中，x为卡盘相对岩样高度与岩样高度的比值；w _i为第i个第一LVDT传感器的位移量；w为岩样的竖向变形量；c为第一LVDT传感器的总数量；

根据每次冻融后所有第二LVDT传感器的位移量，计算岩样的环向变形量：

其中，d为上滑动盘的厚度；h为上滑动盘的高度；v _i为第i个第二LVDT传感器的位移量；v为岩样的环向变形量；l为第二LVDT传感器的总数量；

根据每次冻融过程中岩样的竖向变形量和环形变形量，计算岩样的体积变化量：

其中，H为初始岩样高度；r为初始岩样半径；△V为岩样的体积变化量；

根据每次冻融的岩样的体积变化量和热膨胀冷缩的体积变化量，计算岩样的裂纹体积增量：

其中，△T为温度变化量；α _i为岩样中第i种矿物颗粒的体积膨胀系数；η _i为岩样中第i种矿物颗粒的体积分数；n为岩样中矿物种类的数量。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括在岩样上端的十分之九高度处，绘制一条圆弧线；所述卡盘固定在岩样上的圆弧形处。

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