CN112147177A - 一种测量环向应变的岩石冻融循环试验设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于岩石冻融循环试验设备领域，提供了一种测量环向应变的岩石冻融循环试验设备及方法。所述岩石冻融循环试验设备包括：内部设有冻融箱的冻融室；用于放置试样的岩石限位孔；用于测量试样环向应变的环向应变引伸计；加热制冷组件和水循环组件；用于设定冻融循环参数的计算机控制组件。本发明设备结构简单，试验操作难度低，实现了在冻融循环过程中自动充水和回水，解决了冻融循环过程中每完成一次冻结和融化过程，需进行一次人工操作的难题；可实时测量岩石在冻融循环过程中的横向应变演化规律；可对冻融室内的湿度进行精准定量控制，可研究冻融循环对不同湿度和含水率的岩石的影响。

Description

一种测量环向应变的岩石冻融循环试验设备及方法

技术领域

本发明属于岩石冻融循环试验设备领域，尤其涉及一种测量环向应变的岩石冻融循环试验设备及方法。

背景技术

据有关数据统计，我国季节性冻土区占比面积高达49.6%，季节性冻土区的工程岩体所含水分在冬季冻结、夏季融化，多年的冻融循环作用可对工程岩体，产生不可逆的损伤。岩石冻结过程中水分结冰产生约9.08%的体积膨胀，在岩体内产生冻胀变形。按照《水利水电工程岩石试验规程》（DLT5368-2007）冻融循环的试验方法为：冻融温度设置为-20℃~+20℃，将饱和岩石放入温度为-20℃的恒温恒湿试验箱中冻结4h，再放入20℃的蒸馏水中融化4h，如此为一个冻融循环过程。目前，已知的冻融循环设备不能实现在融化阶段自动充水，需人工进行冻融循环操作，且冻融循环过程中无法测得岩石的实时应变，无法控制冻融室内的湿度。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种测量环向应变的岩石冻融循环试验设备，旨在解决背景技术中所提到的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种测量环向应变的岩石冻融循环试验设备，包括内部设有冻融箱的冻融室，所述岩石冻融循环试验设备还包括：

所述冻融箱内设有用于放置试样的岩石限位孔；所述岩石限位孔处设有用于测量试样环向应变的环向应变引伸计；

加热制冷组件和水循环组件，用于在试样的冻融循环过程中向所述冻融箱内提供相应温度的水；

计算机控制组件，用于设定冻融循环的参数；所述参数至少包括温度、时间、次数和湿度。

优选的，所述岩石限位孔所在处设有可伸缩杆件；所述环向应变引伸计设置在所述可伸缩杆件上。

优选的，所述环向应变引伸计的表面涂有耐冻融循环温度以及防水的涂层。

优选的，所述加热制冷组件包括：

加热机；所述加热机与所述水循环组件相连；

制冷压缩机；所述制冷压缩机与所述水循环组件相连；

冷热交换机；所述加热机通过所述冷热交换机与所述制冷压缩机相连。

优选的，所述岩石冻融循环试验设备还包括：

机组室；所述机组室与所述冻融室相连；所述加热制冷组件设置在所述机组室内。

优选的，所述水循环组件包括：

水箱；所述水箱与所述加热制冷组件相连；

水泵；所述水箱与所述水泵连通；

进水管；所述冻融箱上设有进水口；所述进水管的一端与所述水泵连通，另一端通过所述进水口与所述冻融箱连通；

回水管；所述冻融箱上设有回水口；所述回水管的一端与所述水箱连通，另一端通过所述回水口与所述冻融箱连通；

回水阀门；所述回水阀门设置在所述回水管上。

优选的，所述计算机控制组件包括：

水位传感器；所述水位传感器设置在所述冻融箱内；

数据集成接口；所述数据集成接口设置在所述冻融箱上；

湿度传感器；所述湿度传感器设置在所述冻融室内；

计算机控制装置；所述水位传感器、所述湿度传感器通过所述数据集成接口与所述计算机控制装置电性连接；所述加热制冷组件、所述水循环组件均与所述计算机控制装置电性连接。

优选的，所述岩石冻融循环试验设备还包括：

水雾喷头；所述水雾喷头设置在所述冻融室内；所述水雾喷头与所述计算机控制组件电性连接。

本发明实施例的另一目的在于提供一种测量环向应变的岩石冻融循环试验方法，所述方法包括以下步骤：

制作试样：将试样加工为标准试样；

安装试样：将标准试样安装在冻融箱内的岩石限位孔中，并安装和调整环向应变引伸计；

开始试验：根据冻融循环试验方案，在计算机控制组件中设定冻融循环的参数；设定完成后，岩石冻融循环试验设备按设定的参数运行，直至达到设定的冻融循环次数。

本发明实施例提供的一种测量环向应变的岩石冻融循环试验设备，通过设置计算机控制组件、加热制冷组件和水循环组件，实现了在冻融循环过程中自动充水和回水，解决了冻融循环过程中每完成一次冻结和融化过程，需进行一次人工操作的难题；通过设置环向应变引伸计和可伸缩杆件，可实时测量岩石在冻融循环过程中的横向应变演化规律。本发明提供的岩石冻融循环试验设备，结构简单，试验操作难度低，可对冻融室内的湿度进行精准定量控制，可研究冻融循环对不同湿度和含水率的岩石的影响。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种测量环向应变的岩石冻融循环试验设备的透视图；

图2为本发明实施例提供的一种测量环向应变的岩石冻融循环试验设备的正视图；

图3为本发明实施例提供的一种测量环向应变的岩石冻融循环试验设备的后视图；

图4为本发明实施例提供的冻融箱的透视图；

图5为本发明实施例提供的冻融箱的俯视图；

图6为本发明实施例提供的试样安装示意图；

图7为本发明实施例提供的一种测量环向应变的岩石冻融循环试验方法的步骤流程图。

附图中：1、加热机；2、冷热交换机；3、制冷压缩机；4、冻融室；5、冻融箱；6、机组室；7、水箱；8、水泵；9、计算机控制装置；10、水位传感器；11、湿度传感器；12、水雾喷头；13、进水管；14、回水管；15、进水口；16、回水口；17、环向应变引伸计；18、试样；19、岩石限位孔；20、数据集成接口；21、回水阀门；22、可伸缩杆件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

如附图1~3所示，为本发明一个实施例提供的一种测量环向应变的岩石冻融循环试验设备，包括内部设有冻融箱5的冻融室4，所述岩石冻融循环试验设备还包括：

所述冻融箱5内设有用于放置试样18的岩石限位孔19；所述岩石限位孔19处设有用于测量试样18环向应变的环向应变引伸计17；

加热制冷组件和水循环组件，用于在试样18的冻融循环过程中向所述冻融箱5内提供相应温度的水；

计算机控制组件，用于设定冻融循环的参数；所述参数至少包括温度、时间、次数和湿度。

在实际应用中，冻融室4可以按照实际试验需求设置多件冻融箱5，每件冻融箱5内可按实际试验需求设置多件岩石限位孔19。试样18（待检测的岩石）放置于岩石限位孔19内，在试样18的冻结阶段，加热制冷组件对水循环组件内的水进行制冷，水循环组件向冻融箱5内提供冷水，使试样18发生冻结；在试样18的融化阶段，加热制冷组件对水循环组件内的水进行加热，水循环组件向冻融箱5内提供热水，使试件由冻结转至融化。在试样18的冻融循环过程中，设于岩石限位孔19处的环向应变引伸计17可以实时的测量试样18的环向应变。计算机控制组件与加热制冷组件、水循环组件等电性连接，通过计算机控制组件，可以设定冻融循环的温度、时间、次数和湿度等冻融循环参数。本发明实施例通过设置计算机控制组件、加热制冷组件和水循环组件，实现了在冻融循环过程中自动充水和回水，解决了冻融循环过程中每完成一次冻结和融化过程，需进行一次人工操作的难题；通过设置环向应变引伸计17，可实时测量岩石在冻融循环过程中的横向应变演化规律。本发明提供的岩石冻融循环试验设备，结构简单，试验操作难度低，可对冻融室4内的湿度进行精准定量控制，可研究冻融循环对不同湿度和含水率的岩石的影响。

如附图6所示，作为本发明的一种优选实施例，所述岩石限位孔19所在处设有可伸缩杆件22；所述环向应变引伸计17设置在所述可伸缩杆件22上。

具体的，通过可伸缩杆件22的伸展和收缩，可以使的环向应变引伸计17测量试样18不同高度处的环向应变，得到更为丰富、可靠的数据。

作为本发明的一种优选实施例，所述环向应变引伸计17的表面涂有耐冻融循环温度以及防水的涂层。

具体的，环向应变引伸计17的表面涂有5mm厚的耐高温、低温及防水涂层，以使环向应变引伸计17能适应冻融箱5内的冻融环境，延长环向应变引伸计17的使用寿命。

如附图3所示，作为本发明的一种优选实施例，所述加热制冷组件包括：

加热机1；所述加热机1与所述水循环组件相连；

制冷压缩机3；所述制冷压缩机3与所述水循环组件相连；

冷热交换机2；所述加热机1通过所述冷热交换机2与所述制冷压缩机3相连。

具体的，在试样18的融化阶段，加热机1对水循环组件内的水进行加热；在试样18的冻结阶段，制冷压缩机3对水循环组件内的水进行制冷。加热机1与制冷压缩机3通过冷热交换机2进行热量交换。

如附图1所示，作为本发明的一种优选实施例，所述岩石冻融循环试验设备还包括：

机组室6；所述机组室6与所述冻融室4相连；所述加热制冷组件设置在所述机组室6内。

具体的，加热机1、制冷压缩机3、冷热交换机2都设置在机组室6内。

如附图2、4和5所示，作为本发明的一种优选实施例，所述水循环组件包括：

水箱7；所述水箱7与所述加热制冷组件相连；

水泵8；所述水箱7与所述水泵8连通；

进水管13；所述冻融箱5上设有进水口15；所述进水管13的一端与所述水泵8连通，另一端通过所述进水口15与所述冻融箱5连通；

回水管14；所述冻融箱5上设有回水口16；所述回水管14的一端与所述水箱7连通，另一端通过所述回水口16与所述冻融箱5连通；

回水阀门21；所述回水阀门21设置在所述回水管14上。

具体的，在试样18的融化阶段，加热机1对水箱7内的水进行加热，水泵8将水箱7中的热水通过进水管13、进水口15泵送至冻融箱5，回水阀门21处于关闭状态；在试样18的冻结阶段，回水阀门21打开，冻融箱5中的水经回水口16、回水管14、回水阀门21，流入水箱7，制冷压缩机3对水箱7内的水进行冷却。

如附图2、4和5所示，作为本发明的一种优选实施例，所述计算机控制组件包括：

水位传感器10；所述水位传感器10设置在所述冻融箱5内；

数据集成接口20；所述数据集成接口20设置在所述冻融箱5上；

湿度传感器11；所述湿度传感器11设置在所述冻融室4内；

计算机控制装置9；所述水位传感器10、所述湿度传感器11通过所述数据集成接口20与所述计算机控制装置9电性连接；所述加热制冷组件、所述水循环组件均与所述计算机控制装置9电性连接。

具体的，水位传感器10感知水位变化，并将水位数据由数据集成接口20传送至计算机控制装置9，计算机控制装置9根据水位和所设定的程序控制水泵8和回水阀门21的工作状态。在试样18的融化阶段，计算机控制装置9控制水泵8自动将水箱7中的水，泵送至冻融箱5，回水阀门21处于关闭状态，由水位传感器10感知水位，试样18被淹没50mm后，自动停止泵送，并保持水位至本次融化完成。

如附图2所示，作为本发明的一种优选实施例，所述岩石冻融循环试验设备还包括：

水雾喷头12；所述水雾喷头12设置在所述冻融室4内；所述水雾喷头12与所述计算机控制组件电性连接。

具体的，水雾喷头12与进水管13连通，通过水雾喷头12可以控制冻融室4内的湿度。水雾喷头12被计算机控制装置9所控制，通过湿度传感器11测量冻融室4内的湿度，并将湿度数据由数据集成接口20传送至计算机控制装置9。当湿度不达标时，计算机控制装置9控制水雾喷头12打开，向冻融室4内喷水雾，增加冻融室4内的湿度。

如附图7所示，本发明的一个实施例还提供了一种测量环向应变的岩石冻融循环试验方法，所述方法包括以下步骤：

S101，制作试样18：将采取的石块，在试样加工机上加工为标准试样；

S102，安装试样18：将加工好的标准试样安装在冻融箱5内的岩石限位孔19中，并安装和调整环向应变引伸计17；

S103，开始试验：根据冻融循环试验方案，在计算机控制组件中设定冻融循环的参数；设定完成后，试验设备开启制冷、制热、湿度控制、水循环等功能，直至达到设定的循环次数。

在实际应用中，上述岩石冻融循环试验方法配合本发明所提供的岩石冻融循环试验设备使用。以试样为采取的岩石为例，首先将岩石在试样加工机上加工为标准试样，然后将加工好的岩石安装在冻融箱5内的岩石限位孔19中，并在可伸缩杆件22上安装和调整环向应变引伸计17。根据冻融循环试验方案，在计算机控制装置9中设定冻融循环的参数，设定完成后，试验设备开启制冷、制热、湿度控制、水循环等功能，直至达到设定的循环次数。在岩石的的融化阶段，加热机1对水箱7内的水进行加热，水泵8将水箱7中的热水通过进水管13、进水口15泵送至冻融箱5，回水阀门21处于关闭状态；由水位传感器10感知水位，淹没岩石50mm后，自动停止泵送，并保持水位至本次融化完成。在岩石的冻结阶段，回水阀门21打开，冻融箱5中的水经回水口16、回水管14、回水阀门21，流入水箱7，制冷压缩机3对水箱7内的水进行冷却。此外，湿度传感器11可以将冻融室4的湿度信号通过数据集成接口20传送至计算机控制装置9，计算机控制系统装置9根据湿度和所设定的程序控制水雾喷头12的工作状态。

综上，所述方法步骤清晰简洁，所述设备操作方便、一次设定即可完成冻融循环试验，通过该设备与该方法，实现了冻融循环试验的自动化操作，无需人工多次操作，解放了人力，可实时测量岩石在冻融循环过程中的横向应变演化规律；此外，该设备与该方法可对冻融循环过程中的参数进行精准控制，可研究冻融循环对不同湿度和含水率的岩石的影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种测量环向应变的岩石冻融循环试验设备，包括内部设有冻融箱的冻融室，其特征在于，所述岩石冻融循环试验设备还包括：

所述冻融箱内设有用于放置试样的岩石限位孔；所述岩石限位孔处设有用于测量试样环向应变的环向应变引伸计；

加热制冷组件和水循环组件，用于在试样的冻融循环过程中向所述冻融箱内提供相应温度的水；

计算机控制组件，用于设定冻融循环的参数；所述参数至少包括温度、时间、次数和湿度。

2.根据权利要求1所述的岩石冻融循环试验设备，其特征在于，所述岩石限位孔所在处设有可伸缩杆件；所述环向应变引伸计设置在所述可伸缩杆件上。

3.根据权利要求1或2所述的岩石冻融循环试验设备，其特征在于，所述环向应变引伸计的表面涂有耐冻融循环温度以及防水的涂层。

4.根据权利要求1所述的岩石冻融循环试验设备，其特征在于，所述加热制冷组件包括：

加热机；所述加热机与所述水循环组件相连；

制冷压缩机；所述制冷压缩机与所述水循环组件相连；

冷热交换机；所述加热机通过所述冷热交换机与所述制冷压缩机相连。

5.根据权利要求1所述的岩石冻融循环试验设备，其特征在于，所述岩石冻融循环试验设备还包括：

机组室；所述机组室与所述冻融室相连；所述加热制冷组件设置在所述机组室内。

6.根据权利要求1所述的岩石冻融循环试验设备，其特征在于，所述水循环组件包括：

水箱；所述水箱与所述加热制冷组件相连；

水泵；所述水箱与所述水泵连通；

进水管；所述冻融箱上设有进水口；所述进水管的一端与所述水泵连通，另一端通过所述进水口与所述冻融箱连通；

回水管；所述冻融箱上设有回水口；所述回水管的一端与所述水箱连通，另一端通过所述回水口与所述冻融箱连通；

回水阀门；所述回水阀门设置在所述回水管上。

7.根据权利要求1所述的岩石冻融循环试验设备，其特征在于，所述计算机控制组件包括：

水位传感器；所述水位传感器设置在所述冻融箱内；

数据集成接口；所述数据集成接口设置在所述冻融箱上；

湿度传感器；所述湿度传感器设置在所述冻融室内；

计算机控制装置；所述水位传感器、所述湿度传感器通过所述数据集成接口与所述计算机控制装置电性连接；所述加热制冷组件、所述水循环组件均与所述计算机控制装置电性连接。

8.根据权利要求1所述的岩石冻融循环试验设备，其特征在于，所述岩石冻融循环试验设备还包括：

水雾喷头；所述水雾喷头设置在所述冻融室内；所述水雾喷头与所述计算机控制组件电性连接。

9.一种测量环向应变的岩石冻融循环试验方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

制作试样：将试样加工为标准试样；

安装试样：将标准试样安装在冻融箱内的岩石限位孔中，并安装和调整环向应变引伸计；

开始试验：根据冻融循环试验方案，在计算机控制组件中设定冻融循环的参数；设定完成后，岩石冻融循环试验设备按设定的参数运行，直至达到设定的冻融循环次数。

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