CN110646294B - 模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备及其使用方法 - Google Patents

模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于岩石力学试验领域，具体涉及一种模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备及其使用方法。技术方案如下：模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备，包括支撑架、底座、盛水箱体、上加载杆、下加载杆、三个液压推杆、摄像头、摄像机和声发射监测装置，所述支撑架为方形框架，所述底座安装于所述支撑架的下支撑面上，所述盛水箱体安装于所述底座上，上加载杆安装于所述支撑架的上支撑面上，下加载杆安装于所述底座上，三个液压推杆分别设置在所述盛水箱体左面、右面及背面的几何中心位置，上加载杆、下加载杆及三个液压推杆进入所述盛水箱体中对岩石试件进行加载。本发明能够用以研究水岸边坡在单侧浸水条件下的岩石力学特性和边坡弱化问题。

Description

模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备及其使 用方法
技术领域
本发明属于岩石力学试验领域，具体涉及一种模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备及其使用方法。
背景技术
在水利水电工程、矿山工程及道路工程等诸多工程领域中，岩石边坡的稳定性问题一直是主要的研究方向。目前，我国水库数量居世界首位，道路工程和露天矿山工程数量也处于世界前列，庞大的工程建设量一旦受到复杂地质条件及浸水弱化的不利影响，极易诱发岩石边坡的破坏失稳。据不完全统计，我国约90％的露天矿山发生过滑坡灾害，这些灾害严重威胁着国家和人民的生命财产安全，给建设工程造成巨大的经济损失。因此，需进一步对边坡的破坏机理、破坏形式、监测技术及手段、安全评价等方面进行研究。
研究表明，岩石、尤其是软岩遇水后呈现出更加显著的流变特性，水对岩石的作用是影响边坡稳定性的一个重要因素。以水利水电工程为例，发生在蓄水期及排水期的岩石边坡失稳破坏分别占边坡破坏总量的45％及30％左右。
在实际情况中，诸多岩石边坡处于单侧浸水的状态，即水岸边坡。目前，对水岸边坡稳定性的研究主要侧重于在岩石不同饱和度、不同含水状态及水—载荷共同作用下的岩石蠕变力学特性的研究，研究方法多采用力学实验或数值模拟的方式，当进行力学实验时，采用的试验设备为单轴压力机或三轴压力机。虽然相关学者的研究取得了较为丰硕的成果，但是并未充分考虑水岸边坡的实际浸水环境及受力状态(即水岸边坡是5面受力、1面浸水)，鲜有从边坡单侧浸水的角度研究水岸边坡岩石的力学特性及弱化问题，更缺乏相关的岩石力学实验研究方法。
当研究水岸边坡力学性质及弱化问题时，可把岩石边坡视为一个六面体(梯形体)。因此，在进行力学试验过程中，可把岩石试件的受力状态简化为浸水面受水压力作用、其余5个面受围压作用，但是，目前尚缺少可以进行5向加载、1向浸水的实验室用压力机。
发明内容
本发明提供一种模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备及其使用方法，能够用以研究水岸边坡在单侧浸水条件下的岩石力学特性和边坡弱化问题。
本发明的技术方案如下：
模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备，包括支撑架、底座、盛水箱体、上加载杆、下加载杆、三个液压推杆、摄像头、摄像机和声发射监测装置，所述支撑架为方形框架，所述底座安装于所述支撑架的下支撑面上，所述盛水箱体安装于所述底座上，上加载杆安装于所述支撑架的上支撑面上，下加载杆安装于所述底座上，三个液压推杆分别设置在所述盛水箱体左面、右面及背面的几何中心位置，上加载杆、下加载杆及三个液压推杆进入所述盛水箱体中对岩石试件进行加载；所述摄像头和摄像机用于监测试验过程中岩石试件的变化；所述声发射监测装置用于监测岩石试件内部裂纹的动态发展过程。
所述的模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备，其优选方案为，所述盛水箱体为长方体密封箱体，其上面、下面、左面、右面及背面的几何中心位置分别设有加载杆密封孔，上加载杆、下加载杆及三个液压推杆通过所述加载杆密封孔进入所述盛水箱体；所述盛水箱体的正面安装有圆形可视玻璃窗；所述盛水箱体的上、左、右三个面上分别设有两个摄像头密封孔，所述摄像头通过所述摄像头密封孔伸入所述盛水箱体内腔中；岩石试件放置于所述盛水箱体内腔中。
所述的模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备，其优选方案为，所述可视玻璃窗由透明有机玻璃制成；所述可视玻璃窗上部设有劣弧形缺口，用于试验中向所述盛水箱体中注水。
所述的模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备，其优选方案为，所述可视玻璃窗通过螺栓与所述盛水箱体安装在一起；所述可视玻璃窗与所述盛水箱体间装有密封圈。
所述的模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备，其优选方案为，所述声发射监测装置包括信号采集仪、信号放大器、传感器、传输线及显示屏，所述传感器安装于岩石试件的表面；所述传感器和传输线通过所述摄像头密封孔或所述劣弧形缺口进入所述盛水箱体的内腔中。
所述的模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备，其优选方案为，上加载杆、下加载杆及三个液压推杆的压头与岩石试件表面之间设有垫块，所述垫块由透明有机玻璃制作。
上述模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备的使用方法，包括以下步骤：
S1、根据实际取样的边坡地质条件建立数值模型，并通过数值模拟计算所得结论确定力学实验所用岩石试件的加载条件；
S2、在岩石试件的五个加载面涂抹凡士林，将进行过防水处理的所述传感器安装于岩石试件表面，之后，将岩石试件放置于所述盛水箱体中；
S3、将上加载杆、下加载杆及三个液压推杆的压头分别调节至距岩石试件表面一定距离处，在岩石试件与上加载杆、下加载杆及三个液压推杆的压头之间加入所述垫块，使上加载杆、下加载杆及三个液压推杆的压头、所述垫块与岩石试件紧密接触；
S4、将所述摄像头安装于所述盛水箱体的摄像头密封孔中，在所述盛水箱体的正面架设所述摄像机，使其透过所述可视玻璃窗对试验过程进行录像；
S5、开启上加载杆、下加载杆及三个液压推杆，对岩石试件进行五向加载，并在达到预定荷载后保载；
S6、向所述盛水箱体中注水，直至岩石试件被完全浸泡在水中；
S7、保载直至岩石试件完全破坏，在此过程中监测并记录试验机的压力、上加载杆、下加载杆及三个液压推杆的压头位移、岩石试件的声发射信号；
S8、单次试验结束后取出已破坏岩石试件，对其进行观察、拍照、记录，并放出所述盛水箱体中的水；
S9、选取新的岩石试件，调整加载条件并重复步骤S1至S8，根据不同加载条件下试验机的压力、上加载杆、下加载杆及三个液压推杆的压头位移实验结果以及岩石试件的声发射信号数据，分析岩石试件的单侧浸水弱化规律；进而分析水岸边坡在水-力环境中岩石单侧浸水弱化的岩石力学特性。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供了一种实验室用5向加载1向浸水的岩石力学试验设备，可进行5向加载1向浸水岩石力学试验，解决了缺少实验室用岩石单侧浸水力学试验设备的问题。
2、本发明提出了一种模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验方法，此方法中岩石试件处于5向加载、1向浸水的环境，在研究水岸边坡岩石力学特性及弱化问题时，充分考虑了水岸边坡的实际浸水环境及受力状态，有益于对水利水电工程、矿山工程及道路工程等的浸水边坡稳定性问题进行更为深入、科学的研究。
3、可视玻璃窗是由透明有机玻璃制成的圆形窗口，可便于观察试验过程中岩石试件的变化，亦可采用摄像机透过可视玻璃窗对试验过程进行录像；可视玻璃窗可通过螺栓自由拆卸，以方便岩石试件的放入及取出。
4、所述垫块在试验过程中放置于岩石试件表面与5个加载杆(或液压推杆)压头之间，垫块可使岩石试件表面均匀受力，同时，因为垫块由透明有机玻璃制作，可保证试验过程中不影响摄像头对岩石试件的拍摄。
附图说明
图1为模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备结构示意图；
图2为模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备侧视图；
图3为盛水箱体示意图；
图4为可视玻璃窗示意图；
图5为岩石试件在5向加载1向浸水的试验条件下撞击率和能量随时间变化的关系曲线图。
图中：1、支撑架；2、底座；3、上加载杆；4、下加载杆；5、盛水箱体；6、左侧液压推杆；7、右侧液压推杆；8、背面液压推杆；9-1、信号采集仪；9-2、信号放大器；9-3、传感器；9-4、传输线；9-5、显示器；10、岩石试件；11、摄像头；12、垫块；13、加载杆密封孔；14、摄像头密封孔；15、可视玻璃窗；16、压头；17、劣弧形缺口。
具体实施方式
如图1-4所示，模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备，包括支撑架1、底座2、盛水箱体5、上加载杆3、下加载杆4、三个液压推杆、摄像头11、摄像机和声发射监测装置，所述支撑架1为方形框架，所述底座2安装于所述支撑架1的下支撑面上，所述盛水箱体5安装于所述底座2上，上加载杆3安装于所述支撑架1的上支撑面上，下加载杆4安装于所述底座2上，三个液压推杆分别为：左侧液压推杆6、右侧液压推杆7、背面液压推杆8，三个液压推杆分别设置在所述盛水箱体5左面、右面及背面的几何中心位置，上加载杆3、下加载杆4及三个液压推杆进入所述盛水箱体5中对岩石试件10进行加载；所述摄像头11和摄像机用于监测试验过程中岩石试件10的变化；所述声发射监测装置用于监测岩石试件10内部裂纹的动态发展过程；所述盛水箱体5为长方体密封箱体，其上面、下面、左面、右面及背面的几何中心位置分别设有加载杆密封孔13，上加载杆3、下加载杆4及三个液压推杆通过所述加载杆密封孔13进入所述盛水箱体5；所述盛水箱体5的正面安装有圆形可视玻璃窗15；所述盛水箱体5的上、左、右三个面上分别设有两个摄像头密封孔14，所述摄像头11通过所述摄像头密封孔14伸入所述盛水箱体5内腔中；岩石试件10放置于所述盛水箱体5内腔中；所述可视玻璃窗15由透明有机玻璃制成；所述可视玻璃窗15上部设有劣弧形缺口17，用于试验中向所述盛水箱体5中注水；所述可视玻璃窗15通过螺栓与所述盛水箱体5安装在一起；所述可视玻璃窗15与所述盛水箱体5间装有密封圈；所述声发射监测装置包括信号采集仪9-1、信号放大器9-2、传感器9-3、传输线9-4及显示屏9-5，所述传感器9-3安装于岩石试件10的表面；所述传感器9-3和传输线9-4通过所述摄像头密封孔14或所述劣弧形缺口17进入所述盛水箱体5的内腔中；上加载杆3、下加载杆4及三个液压推杆的压头16与岩石试件10表面之间设有垫块12，所述垫块12由透明有机玻璃制作。
上述模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备的使用方法，包括以下步骤：
S1、根据实际取样的边坡地质条件建立数值模型，并通过数值模拟计算所得结论确定力学实验所用岩石试件10的加载条件；
S2、岩石试件10由砂岩加工而成，尺寸为50mm×50mm×100mm(长×宽×高)；在岩石试件10的五个加载面涂抹凡士林，将进行过防水处理的所述传感器9-3安装于岩石试件10表面，之后，将岩石试件10放置于所述盛水箱体5中；
S3、将上加载杆3、下加载杆4及三个液压推杆的压头16分别调节至距岩石试件10表面一定距离处，在岩石试件10与上加载杆3、下加载杆4及三个液压推杆的压头16之间加入所述垫块12，使上加载杆3、下加载杆4及三个液压推杆的压头16、所述垫块12与岩石试件10紧密接触；
S4、将所述摄像头11安装于所述盛水箱体5的摄像头密封孔14中，在所述盛水箱体5的正面架设所述摄像机，使其透过所述可视玻璃窗15对试验过程进行录像；
S5、开启上加载杆3、下加载杆4及三个液压推杆，对岩石试件10进行五向加载，并在达到预定荷载后保载；主压力设为20MPa，围压设为2MPa；
S6、向所述盛水箱体5中注水，直至岩石试件10被完全浸泡在水中；
S7、保载直至岩石试件10完全破坏，在此过程中监测并记录试验机的压力、上加载杆3、下加载杆4及三个液压推杆的压头16位移、岩石试件10的声发射信号；图5为一幅根据声发射所测数据绘制的撞击率和能量随时间变化的关系曲线图，声发射现象主要与岩石内部裂纹萌生、扩展过程中所产生的能量有关，撞击率可表征岩石试件10的内部损伤，能量可表征岩石试件10的损伤强度；由图5可知，在12h时岩石试件10内部裂纹萌生、扩展加剧，损伤强度变大；在13.2h时，岩石试件10破坏；
S8、单次试验结束后取出已破坏岩石试件10，对其进行观察、拍照、记录，并放出所述盛水箱体5中的水；
S9、选取新的岩石试件10，调整加载条件并重复步骤S1至S8，根据不同加载条件下试验机的压力、上加载杆3、下加载杆4及三个液压推杆的压头16位移实验结果以及岩石试件10的声发射信号数据，分析岩石试件10的单侧浸水弱化规律；进而分析水岸边坡在水-力环境中岩石单侧浸水弱化的岩石力学特性。
需要说明的是，实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (7)

1.模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备，其特征在于，包括支撑架、底座、盛水箱体、上加载杆、下加载杆、三个液压推杆、摄像头、摄像机和声发射监测装置，所述支撑架为方形框架，所述底座安装于所述支撑架的下支撑面上，所述盛水箱体安装于所述底座上，上加载杆安装于所述支撑架的上支撑面上，下加载杆安装于所述底座上，三个液压推杆分别设置在所述盛水箱体左面、右面及背面的几何中心位置，上加载杆、下加载杆及三个液压推杆进入所述盛水箱体中对岩石试件进行加载；所述摄像头和摄像机用于监测试验过程中岩石试件的变化；所述声发射监测装置用于监测岩石试件内部裂纹的动态发展过程。
2.根据权利要求1所述的模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备，其特征在于，所述盛水箱体为长方体密封箱体，其上面、下面、左面、右面及背面的几何中心位置分别设有加载杆密封孔，上加载杆、下加载杆及三个液压推杆通过所述加载杆密封孔进入所述盛水箱体；所述盛水箱体的正面安装有圆形可视玻璃窗；所述盛水箱体的上、左、右三个面上分别设有两个摄像头密封孔，所述摄像头通过所述摄像头密封孔伸入所述盛水箱体内腔中；岩石试件放置于所述盛水箱体内腔中。
3.根据权利要求2所述的模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备，其特征在于，所述可视玻璃窗由透明有机玻璃制成；所述可视玻璃窗上部设有劣弧形缺口，用于试验中向所述盛水箱体中注水。
4.根据权利要求3所述的模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备，其特征在于，所述可视玻璃窗通过螺栓与所述盛水箱体安装在一起；所述可视玻璃窗与所述盛水箱体间装有密封圈。
5.根据权利要求4所述的模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备，其特征在于，所述声发射监测装置包括信号采集仪、信号放大器、传感器、传输线及显示屏，所述传感器安装于岩石试件的表面；所述传感器和传输线通过所述摄像头密封孔或所述劣弧形缺口进入所述盛水箱体的内腔中。
6.根据权利要求5所述的模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备，其特征在于，上加载杆、下加载杆及三个液压推杆的压头与岩石试件表面之间设有垫块，所述垫块由透明有机玻璃制作。
7.如权利要求6所述的模拟水岸边坡岩石单侧浸水弱化的岩石力学试验设备的使用方法，包括以下步骤：
S1、根据实际取样的边坡地质条件建立数值模型，并通过数值模拟计算所得结论确定力学试验 所用岩石试件的加载条件；
S2、在岩石试件的五个加载面涂抹凡士林，将进行过防水处理的所述传感器安装于岩石试件表面，之后，将岩石试件放置于所述盛水箱体中；
S3、将上加载杆、下加载杆及三个液压推杆的压头分别调节至距岩石试件表面一定距离处，在岩石试件与上加载杆、下加载杆及三个液压推杆的压头之间加入所述垫块，使上加载杆、下加载杆及三个液压推杆的压头、所述垫块与岩石试件紧密接触；
S4、将所述摄像头安装于所述盛水箱体的摄像头密封孔中，在所述盛水箱体的正面架设所述摄像机，使其透过所述可视玻璃窗对试验过程进行录像；
S5、开启上加载杆、下加载杆及三个液压推杆，对岩石试件进行五向加载，并在达到预定荷载后保载；
S6、向所述盛水箱体中注水，直至岩石试件被完全浸泡在水中；
S7、保载直至岩石试件完全破坏，在此过程中监测并记录试验机的压力、上加载杆、下加载杆及三个液压推杆的压头位移、岩石试件的声发射信号；
S8、单次试验结束后取出已破坏岩石试件，对其进行观察、拍照、记录，并放出所述盛水箱体中的水；
S9、选取新的岩石试件，调整加载条件并重复步骤S1至S8，根据不同加载条件下试验机的压力、上加载杆、下加载杆及三个液压推杆的压头位移试验 结果以及岩石试件的声发射信号数据，分析岩石试件的单侧浸水弱化规律；进而分析水岸边坡在水-力环境中岩石单侧浸水弱化的岩石力学特性。
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