CN111487106B - 一种恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置及使用方法 - Google Patents

一种恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置及使用方法，涉及岩土工程技术领域。恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置包括：密封缸、恒湿控制组件、单轴蠕变试验机。溶液放置在缸体内，生物半透膜包裹岩石试样侧面，约束环用于锁紧密封生物半透膜和缸体底面下柱塞接触部位，湿度测试仪和温度测试仪分别设于缸盖上、并与缸体连通，分别用于检测密封缸内湿度和温度；单轴蠕变试验机包括压力伺服控制与应力位移记录系统，用于控制施加载荷和记录岩石试样轴向位移变形。该试验装置可以对在不同恒湿环境下非饱和岩体的物理力学性质进行准确评价，结构简单合理，易于操作。

Description

一种恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置及使用方法
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，具体而言，涉及一种恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置及其使用方法。
背景技术
在岩土力学与工程的试验研究中，往往需要考虑水对岩石力学性质的影响，水与岩石长期作用可能会导致岩石的泥化、崩解或者岩体承载能力及抗变形能力等物理力学性能的降低。因此，为了研究非饱和状态下岩体的力学特性，进而判别边坡、隧道、大坝修筑、地下洞室等工程的长期稳定性，就必须对非饱和岩石进行时效变形力学试验。然而，要制备不同饱和度的岩石试样并使岩石试样饱和度在蠕变试验中保持恒定并非易事。目前，为了得到不同饱和度的岩石试样，通常采用的方法是：将烘干的岩样浸水不同时间使其吸水程度有差异，从而得到不同饱和度的岩样，然后用保鲜膜包裹试样或试样表面涂抹隔水剂防止试样内部水分的蒸发。显然，这样得到的样品是不合格的。这是因为水是按传导原理通过自然渗透进入岩样的，在岩样中的分布不均匀，外部含水较多，内部含水较少，不符合试验要求，而且，在流变试验过程中保鲜膜或隔水剂并不能完全阻止岩样内部水分的减少。当要求不同饱和度岩样的流变试验过程精确度较高时，这种方法不能满足要求。有鉴于此，需要一种恒湿环境下非饱和岩石单轴流变试验装置，既能精确制备不同饱和度岩石试样，又能保证流变试验过程中岩石试样处于恒湿环境，其含水饱和度恒定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置及其使用方法，可以方便室内精确制备不同高饱和度岩石试样，同时可以有效保证单轴蠕变试验过程中岩石试样含水饱和度的恒定。
本发明的目的还在于提供另一种恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置及其使用方法，能精确制备不同低饱和度岩石试样，同时为单轴蠕变试验过程中提供恒湿环境保证试验过程中岩石试样内部恒定的含水饱和度。
本发明改善其技术问题是采用以下的技术方案来实现的：
一种恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置，所述恒湿环境下非饱和岩石单轴流变试验装置包括密封缸、恒湿控制组件、单轴蠕变试验机；
所述密封缸包括缸体和缸盖；所述缸体与所述缸盖可拆卸连接，缸体为圆柱形，缸体内部设有搅拌机，用于搅拌缸体内的溶液；缸体底面设有下柱塞；所述缸盖的中心部位设置通孔，单轴蠕变试验机的上固定块穿过所述通孔，所述通孔套有O型橡胶圈以保证上固定块与所述缸盖之间密封滑动；圆柱体岩石试样的外径大小和上柱塞和下柱塞直径大小相适应，圆柱体岩石试样设置在上柱塞和下柱塞之间，生物半透膜包裹所述上柱塞的侧表面、圆柱体岩石试样的侧表面及下柱塞的侧表面，约束环锁紧所述下柱塞与所述生物半透膜接触的位置，防止溶液自下柱塞和圆柱体岩石试样之间的间隙流入；
所述恒湿控制组件包括溶液、生物半透膜、约束环、湿度检测仪和温度检测仪，所述溶液放置在所述缸体内，所述溶液浸没所述圆柱体岩石试样；所述湿度检测仪和所述温度检测仪分别设于所述缸盖上并与所述缸体连通，分别用于检测所述密封缸内湿度和温度；
所述单轴蠕变试验机包括下固定块，缸体底面下柱塞与下固定块抵接；单轴蠕变试验机的压头与上柱塞的上端抵接；压头上设置位移传感器；所述位移传感器与压力伺服控制与应力位移记录系统连接。
所述搅拌机包括设置在单轴蠕变试验机的框架上的支架，所述支架上设置工作头，工作头上设置电机，电机驱动不锈钢搅拌桨转动。
所述生物半透膜包裹所述上柱塞的从下端面往上10-11mm侧表面，所述生物半透膜包裹所述下柱塞的从上端面往下18-20mm侧表面。
所述溶液为聚乙二醇溶液，所述溶液液面高度低于生物半透膜的高度并高于所述岩石试样上端面5mm，所述聚乙二醇溶液由蒸馏水与分子量为20000的聚乙二醇混合制备而成，所述聚乙二醇溶液的不同浓度对应不同饱和度，为制备高饱和度岩石试样提供恒湿环境。
所述高饱和度岩石试样的制备和其恒湿环境的控制主要通过渗析技术完成。圆柱体岩石试样与溶液由半透膜隔离开，半透膜对溶液中的水分子是可透的，而对溶液里的大分子溶质是不透的。当岩石试样中的基质吸力与溶液中吸力不一致时，在吸力差的作用下，水分子在半透膜的两侧移动，直到岩石试样与溶液中的吸力达到平衡，制得相应高饱和度岩石试样(岩石饱和度高于40％，相应的基质吸力小于10MPa)。
为制备低饱和度岩石试样(岩石饱和度低于40％)，所述溶液液面高度小于所述下柱塞高度，这样，根据化学-热力学原理精确控制岩样最终稳定时组分水的逸度。由于恒湿环境中水蒸气的逸度是恒定的，当环境中水蒸气的逸度与岩样中组分水的逸度不同时，所述缸体内的恒湿环境中的水蒸气与岩样中组分水形成逸度差，当环境中水蒸气逸度小于岩样中组分水的逸度时，岩样中组分水渗出；反之，则水渗入岩样，最终岩样中组分水的逸度达到与所述缸体内恒湿环境相同的状态，制得相应低饱和度的岩样。
所述缸体底部注入不同种类的过饱和溶液所述不同种类的过饱和溶液对应着不同湿度的环境，为制备低饱和度岩样提供恒湿环境。
本发明进一步公开了一种恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置的使用方法，包括如下步骤：
步骤一，将缸体放置于单轴蠕变试验机的下固定块上，缸体底面下柱塞与下固定块接触；
步骤二，将与下柱塞相同直径的圆柱体岩石试样放置在上柱塞和下柱塞之间；
步骤三，将生物半透膜包裹在圆柱体岩石试样、上柱塞和下柱塞侧面，并利用约束环将生物半透膜与固定块接触的部位锁紧密封；
步骤四，在缸体内的空间注入聚乙二醇溶液，溶液液面高于圆柱体岩石试样上端面；
所述生物半透膜是再生纤维素膜(RC膜)，用于截留分子量大于7000的溶剂分子，所述生物半透膜的内径大小(49mm)与所述圆柱体岩石试样的外径大小(47.5mm)和所述上柱塞和下柱塞直径大小相适应，所述生物半透膜包裹所述圆柱体岩石试样的全部侧表面，所述生物半透膜包裹所述上柱塞的从下端面往上10-11mm侧表面，所述生物半透膜包裹所述下柱塞的从上端面往下18-20mm侧表面，所述约束环锁紧所述下柱塞与所述生物半透膜接触的位置，防止溶液流入。
所述缸体中注入分子量为20000的聚乙二醇溶液，所述聚乙二醇溶液直接与所述生物半透膜接触，所述聚乙二醇溶液由蒸馏水与分子量为20000的聚乙二醇混合制备而成，所述聚乙二醇溶液的不同浓度对应不同饱和度，为制备高饱和度(相对应的岩石试样内部基质吸力小于10MPa)岩石试样提供恒湿环境；
步骤五，利用搅拌机匀速搅拌缸体内的溶液，防止溶液发生沉淀；
步骤六，待圆柱体岩石试样内饱和度达到预定值后，通过单轴蠕变试验机的压头对上柱塞加恒定压力，直至岩石试样破碎；根据试验机的压力实验结果以及岩石试样的应变变形数据，分析高饱和度圆柱体岩石试样的蠕变变形特性。
为测量低饱和度岩石试样，步骤四中溶液为过饱和盐溶液，溶液的液面高度小于所述下柱塞高度。
本发明的优点：可以对在不同恒湿环境下非饱和岩体的物理力学性质进行准确评价，结构简单合理，易于操作。
附图说明
图1为本发明具体实施例提供的恒湿环境下非饱和岩石单轴流变试验装置的整体结构示意图；
图2为图1中I处的局部放大视图；
图标：1-单轴蠕变试验机；2-缸体；3-缸盖；4-O型橡胶密封圈；5-下柱塞；6-上柱塞；7-不锈钢搅拌浆；8-支架；9-工作头；10-温度计；11-湿度计；12-圆柱体岩石岩样；13-生物半透膜；14-约束环；15-压头；16-上固定块；17-下固定块；18-位移传感器；19-压力伺服控制与应力位移记录系统；20-溶液。
具体实施方式
下面结合附图具体说明本发明，如图1、图2所示，本发明的恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置，包括有：密封缸、恒湿控制组件、单轴蠕变试验机；
密封缸包括可拆卸地连接的缸体2和缸盖3，缸体侧面凸设有搅拌机，所述搅拌机包括设置在单轴蠕变试验机的框架上的支架8，所述支架8上设置工作头9，工作头9上设置电机，电机驱动不锈钢搅拌桨7转动；搅拌机是悬臂式恒速电动搅拌机，缸体底面设有下柱塞5，用于可拆卸地连接单轴蠕变试验机下部固定块17和放置岩石试样12；缸盖的中心部位有一个直径80mm的通孔，单轴蠕变试验机1中直径为79mm的上固定块16穿过该通孔，缸盖上的孔套有O型橡胶圈4，上固定块16与所述缸盖3之间可以密封滑动。
所述缸体采用树脂材料制成，所述缸盖采用树脂材料制成，以便于观察所述岩石试样。缸体与下柱塞一体成型。
恒湿控制组件包括溶液20、生物半透膜13、约束环14、湿度检测仪11和温度检测仪10，溶液20为分子量20000的聚乙二醇溶液，溶液20放置在缸体2内并浸没岩石试样，高于岩石试样上端面5mm，生物半透膜13的内径大小与岩石试样12的外径大小和上柱塞6和下柱塞5直径大小相适应，生物半透膜13完全包裹岩石试样12侧表面，生物半透膜13包裹下柱塞5的从上端面往下20mm侧表面，生物半透膜13包裹所述上柱塞6的从下端面往上10mm侧表面，约束环14用于使生物半透膜13和缸体底部下柱塞5紧密接触，防止液体自下柱塞5与岩石试样12之间的间隙流入，进而保证水从生物半透膜13渗透至岩石试样12；湿度检测仪11和温度检测仪10分别设于缸盖3，并与缸体连通，分别用于检测所述密封缸内湿度和温度。
单轴蠕变试验机1包括压力伺服控制与应力位移记录系统19，用于控制施加载荷和记录岩石试样轴向位移。
所述一种恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一，将缸体2放置于单轴蠕变试验机的下固定块17，缸体底面下柱塞5与下固定块17接触；
步骤二，将与下柱塞5相同直径的圆柱体岩石试样12放置在上柱塞6和下柱塞5之间；
步骤三，将生物半透膜13包裹在圆柱体岩石试样12、上柱塞6和下柱塞5侧面，并利用约束环14将生物半透膜与下柱塞接触的部位锁紧密封，防止溶液流入；
步骤四，在缸体内的空间注入聚乙二醇溶液，溶液20液面高度圆柱体岩石试样上端面5mm；
步骤五，利用搅拌机匀速搅拌缸体2内的溶液20，防止溶液20发生沉淀；
步骤六，等待圆柱体岩石试样12内饱和度达到预定值后，通过单轴蠕变试验机1的压头对上柱塞加恒定压力，直至岩石试样破碎。根据试验机的压力实验结果以及岩石试样的应变变形数据，分析高饱和度圆柱体岩石试样的蠕变变形特性。
本发明提供的另一种恒湿环境下非饱和岩石单轴流变试验装置，恒湿环境下岩石单轴流变试验装置包括密封缸、恒湿控制组件、单轴蠕变试验机，恒湿控制组件包括溶液20、湿度检测仪11和温度检测仪10，溶液20放置在所述缸体内，溶液液面高度低于所述下柱塞5的高度，该溶液为不同的过饱和溶液例如：NaNO2、(NH4)SO4、NaH2PO4，不同种类的过饱和溶液对应着不同湿度的环境例如：NaNO2、(NH4)SO4、NaH2PO4对应的湿度分别为58％、78％、98％，湿度检测仪11和温度检测仪10分别设于缸盖3，并与缸体2连通，分别用于检测所述密封缸内湿度和温度。
另一种恒湿环境下非饱和岩石单轴流变试验装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一，将缸体2放置于单轴蠕变试验机的下固定块17，缸体底面下柱塞5与下固定块17接触；
步骤二，将与下柱塞5相同直径的圆柱体岩石试样12放置在上柱塞6和下柱塞5之间；
步骤三，在缸体2内的空间注入过饱和溶液，溶液20液面高度45mm；
步骤四，利用搅拌机匀速搅拌缸体内的溶液20，防止溶液发生沉淀；
步骤五，等待圆柱体岩石试样内饱和度达到预定值后，通过单轴蠕变试验机的压头对上柱塞加恒定压力，直至岩石试样破碎。根据试验机的压力实验结果以及岩石试样的应变变形数据，分析低饱和度圆柱体岩石试样的蠕变变形特性。

Claims (6)

1.一种恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置，其特征在于：所述恒湿环境下非饱和岩石单轴流变试验装置包括密封缸、恒湿控制组件、单轴蠕变试验机；
所述密封缸包括缸体和缸盖；所述缸体与所述缸盖可拆卸连接，缸体为圆柱形，缸体内部设有搅拌机，用于搅拌缸体内的溶液；缸体底面设有下柱塞；所述缸盖的中心部位设置通孔，单轴蠕变试验机的上固定块穿过所述通孔，所述通孔套有O型橡胶圈以保证上固定块与所述缸盖之间密封滑动；圆柱体岩石试样的外径大小和上柱塞和下柱塞直径大小相适应，圆柱体岩石试样设置在上柱塞和下柱塞之间，生物半透膜包裹所述上柱塞的侧表面、圆柱体岩石试样的侧表面及下柱塞的侧表面，约束环锁紧所述下柱塞与所述生物半透膜接触的位置，防止溶液自下柱塞和圆柱体岩石试样之间的间隙流入，保证水从生物半透膜渗透至岩石试样；
所述恒湿控制组件包括溶液、生物半透膜、约束环、湿度检测仪和温度检测仪，所述溶液放置在所述缸体内，所述溶液浸没所述圆柱体岩石试样；所述湿度检测仪和所述温度检测仪分别设于所述缸盖上并与所述缸体连通，分别用于检测所述密封缸内湿度和温度；
所述单轴蠕变试验机包括下固定块，缸体底面下柱塞与下固定块抵接；单轴蠕变试验机的压头与上柱塞的上端抵接；压头上设置位移传感器；所述位移传感器与压力伺服控制与应力位移记录系统连接。
2.根据权利要求1所述的恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置，其特征在于：所述搅拌机包括设置在单轴蠕变试验机的框架上的支架，所述支架上设置工作头，工作头上设置电机，电机驱动不锈钢搅拌桨转动。
3.根据权利要求1所述的恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置，其特征在于：所述生物半透膜包裹所述上柱塞的从下端面往上10-11mm侧表面，所述生物半透膜包裹所述下柱塞的从上端面往下18-20mm侧表面。
4.根据权利要求1所述的恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置，其特征在于：所述溶液为聚乙二醇溶液，所述溶液液面高度低于生物半透膜的高度并高于所述岩石试样上端面5mm，所述聚乙二醇溶液由蒸馏水与分子量为20000的聚乙二醇混合制备而成，所述聚乙二醇溶液的不同浓度对应不同饱和度，为制备高饱和度岩石试样提供恒湿环境。
5.根据权利要求1所述的恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置，其特征在于：所述缸体底部注入不同种类的过饱和溶液，所述不同种类的过饱和溶液液面高度小于所述下柱塞高度，所述不同种类的过饱和溶液对应着不同湿度的环境，为制备低饱和度岩样提供恒湿环境。
6.一种权利要求1所述恒湿环境下非饱和岩石单轴蠕变试验装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，将缸体放置于单轴蠕变试验机的下固定块上，缸体底面下柱塞与下固定块接触；
步骤二，将与下柱塞相同直径的圆柱体岩石试样放置在上柱塞和下柱塞之间；
步骤三，将生物半透膜包裹在圆柱体岩石试样、上柱塞和下柱塞侧面，并利用约束环将生物半透膜与固定块接触的部位锁紧密封；
步骤四，在缸体内的空间注入聚乙二醇溶液，溶液液面高于圆柱体岩石试样上端面；
步骤五，利用搅拌机匀速搅拌缸体内的溶液，防止溶液发生沉淀；
步骤六，待圆柱体岩石试样内饱和度达到预定值后，通过单轴蠕变试验机的压头对上柱塞加恒定压力，直至岩石试样破碎；根据试验机的压力实验结果以及岩石试样的应变变形数据，分析高饱和度圆柱体岩石试样的蠕变变形特性；为制备低饱和度岩石试样，步骤四中溶液为过饱和盐溶液，溶液的液面高度小于所述下柱塞高度。
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